电气测量技术自学指导书.doc

电气测量技术自学指导书一、课程编码及适用专业课程编码：04632221总学时：80面授学时：32自学学时：48适用专业 ：电气工程及自动化专业（函授本科）二、课程性质电气测量技术是电气自动化等专业学生的专业课。通过本课程的学习，要求学生系统地掌握测量与测量系统的基础知识以及各种电气参数的测量方法。三、本课程的地位和作用 电气测量技术是研究电气测量、测量系统以及各种电气参数的测量方法的课程。它是研究和发展本专业的重要工具，同时注重培养学生解决实际问题的能力。四、学习目的与要求掌握电气测量技术误差处理的基本理论、信号检测与变换的电路以及各种电气参数的测量，熟悉各种干扰与抑制方法，了解虚拟仪器开发语言及信号分析与处理技术。五、本课程的学习方法为了学好本课程，首先要具有正确的学习目的和态度，应为我国社会主义现代化事业而学习。在学习中要刻苦钻研、踏踏实实、虚心求教、持之以恒。在学习时要抓住物理概念、工作原理和分析方法；要理解问题是如何提出和引申的，又是怎样解决和应用的；要注意各部分内容之间的联系，前后是如何呼应的；要重在理解，能提出问题，积极思考，不要死记；通过习题可以巩固和加深对所学理论的理解，并培养分析能力和运算能力，所以应按要求完成布置的作业题。解题前，要对所学内容基本掌握；解题时，要看懂题意，注意分析，熟练应用各种理论和公式。除学习规定教材外，应参阅相关的参考书。如有条件，可通过实验验证和巩固所学理论，训练实验技能，培养严谨的科学作风。通过各个学习环节，培养分析和解决问题的能力和创新精神。解决问题不是仅仅照着书本上的例题作练习题，而是要求使用已有的知识对提出的要求和论据能理解和领悟，并能提出自己的思路和解决问题的方案，这是一个创新过程。六、自学内容与指导第一章 测量与测量系统的基础知识 （一）自学内容所谓测量，就是被测量和同类标准进行比较的一个实验过程。同类标准的参与方式可以是直接的，也可以是间接的。测量包含三个重要的因素：测量对象、测量方法和测量设备。一个完整的测量过程一般经过三个阶段，即准备阶段、测量阶段和数据处理阶段。一个物理量的测量，可通过不同的测量方法获得，测量方法的选择正确与否，直接关系到测量结果的可信赖程度，也关系到测量方案的经济性和可行性。从测量的定义看出，同类标准在测量中的地位是非常重要的，它的准确与可靠程度直接关系到测量结果的准确度与可靠性。（二）本章重点 1、重点是测量方法。（三）本章考点1、测量过程。2、测量方法。第二章 测量误差及其分析 （一）自学内容测量误差按其性质分为系统误差、随机误差和粗大误差。根据误差理论，任何一次测量中，一般含有系统误差和随机误差，即在一般工程测量中，系统误差远大于随机误差，相对来说随机误差可以忽略不计，此时只需处理和估计系统误差即可。在精密测量中，随机误差系统误差已经消除或小的可以忽略不计时，随机误差显得特别重要，所以，在处理误差估计时，必须且只考虑随机误差。当系统误差和随机误差都不能忽略时，系统误差和随机误差应分别处理与估计，然后按一定的方式合成最后的系统误差和随机误差，以估计测量结果的准确度。含有粗大误差的测量数据属于可疑值或异常值，应予以剔除。由统计学原理和有关专业知识建立起来的粗差准则为依据，对异常值或坏值进行提出。如拉依达准则和格罗布斯准则。测量结果的误差是衡量测量准确度高低的主要的参数，因此，在给出测量结果的同时也能够给出测量结果的误差范围。测量结果的总误差可以由局部误差分量合成。测量结果的表示为：误差分配时误差合成的逆问题，即在总误差给定的前提下，确定出各分项误差。原则上讲，误差分配的解有无穷多个，所以在实际测量工作中，只能在某些假设前提下，确定出近似的可操作的一个解。（二）本章重点1、系统误差的消除。2、随机误差的处理。3、粗大误差的剔除。4、测量结果误差估计（三）本章难点随机误差的处理、粗大误差的剔除。（四）本章考点1、系统误差后的消除、随机误差的处理、粗大误差的剔除。2、测量结果的误差估计。（五）学习指导为评价测量的准确度高低，要根据有限测量数据求出数学期望的估计值算术平均值。随机误差通常用剩余误差代替。算术平均值也是用方差来评价。粗大误差的剔除是一个反复过程，即当剔除一个粗差后，应重新计算平均值和标准差，再进行检验。反复进行，直到粗差全部剔除为止。误差的合成，不能简单的把每一部分的误差加起来，作为总误差。而是按一定的规律进行计算。在误差合成中，传递系数的确定是至关重要的。要会用微分确定法来确定传递系数。第三章 测量系统的基本特性（一）自学内容测量系统的基本特性是指测量系统与其输入、输出的关系。根据输入信号随时间变化还是不随时间而变，测量系统的基本特性分为静态特性和动态特性。静态特性的基本参数为零点、灵敏度、分辨力和量程。静态特性的质量指标为（1）迟滞、重复性、线性度、准确度、可靠性、稳定度和影响系数及输入电阻与输出电阻。在线性度特性中，会利用最小二乘法线性度拟合直线确定。测量系统的动态特性用数学模型来描述，主要有三种形式：（1）时域中的微分方程；（2）复频域中的传递函数；（3）频率域中的频率特性。测量系统组建的基本原则。（二）本章重点测量系统的静态特性和动态特性。（三）本章难点重复性的计算、最小二乘法线性度拟合直线的确定和测量系统组建的基本原则。（四）本章考点测量系统的静态特性和测量系统的动态特性参数。（五）学习指导最小二乘法线性度拟合直线方程的确定。最小二乘法拟合直线的拟和原则是使N个标定点的均方差为最小值，由一阶偏导等于零解得拟合直线方程的系数。第四章 信号的检测与转换 （一）自学内容 本章是本书的重要组成部分，应重点掌握。掌握各部分电路的原理以及模拟信号离散化和量子化的方法。在实际中对信号的检测与转换中的各部分电路能够灵活运用。（二）本章重点信号的检测与转换中的各部分电路的原理和模拟信号离散化和量子化的方法。（三）本章难点量程变换和V/F、F/V变换器。（四）本章考点信号的检测与转换中的各部分电路的作用、原理和模拟信号离散化和量子化的方法。（五）学习指导变送器将各种物理量转换成统一的标准信号。信号的标准其实就是仪表之间的通信协议，目前带有420mA的HART协议已成为事实上的信号标准。变送器分为电量变送器和非电量变送器。在数字化测量中，对于电量可以经过离散化和量子化直接进行测量。而对于非电量需通过转换变为电量后再进行测量。而这些转换过来的量往往是微弱信号，必须放大到与AD转换输入电压相匹配才能进行测量。这种前置放大器通常用集成运放组成，而不同场合素选用的集成运放有所差异。量程自动变换是实现仪器自动测量的重要组成部分，实现量程自动转换，关键在于根据输入信号的大小自动改变放大器的放大倍数或输入回路分压器的分压系数。按照不同的逻辑设计，实现量程自动转换的方法有模拟比较法、数字判别法和微处理机判别法。自动定标电路既可以补偿零点漂移又能补偿增益的变化。模拟信号的离散化和量子化就是使一个在时间与幅值上都连续变化的模拟信号在时间上被离散化，在幅值上被量子化。在数字化测量与控制中，一般要将处理过的数字信号转换成模拟信号，这时就需要D/A转换器。在测量中有些量是变化很快的，为了使AD转换器有足够的时间来转换，需加采样保持电路。第五章 虚拟仪器及开发语言 （一）自学内容了解虚拟仪器的构成以及虚拟仪器开发语言LabVIEW和LabWindowsCVI。第六章 信号分析与处理 （一）自学内容傅里叶变换是信号频谱分析的重要工具。对信号进行离散傅里叶变换分析时，要对连续信号进行采样，使连续信号变为间隔为采样周期的离散序列。由采样后的离散序列能否真实的恢复出原来的信号？这就使采样定理的内容。被分析信号往往是非时限的，但在对信号进行DFT计算时，所处理的信号都是有限的，因此引起频谱泄漏问题。对此要进行抑制。（二）本章重点1、离散的傅里叶变换。2、采样定理。（三）本章难点采样定理和频谱泄漏及其抑制。（四）本章考点采样定理、频谱泄漏及其抑制及DFT参数的选择。（五）学习指导正确理解采样定理的含义，对频谱泄漏的原因及其抑制措施搞清楚。DFT参数的选择的步骤：（1） 根据采样定理选择采样周期（2） 根据需要，确定频率分辨率（3） 确定采样点数第七章 电气参数的测量（一）自学内容计数法测频就是在位时间内计数信号出现的次数。周期与频率互为倒数关系，当被测信号频率较低时，采样测量周期的方法。相位的测量。交流电压的测量包括平均值的测量、峰值的测量和有效值的测量。功率和电能的数字化测量分为时间分割乘法器式的功率电压转换器、采样计算法数字式瓦特计和电度表和单片集成电路测量功率（二）本章重点交流电压的测量。（三）本章难点时间分割乘法器式的功率电压转换器。（四）本章考点频率和周期的测量、交流电压的测量。（五）学习指导相位频率转换式数字相位计的原理为：。交流电压平均值的测量：全波：半波：平均值在电路上的实现常使用线性检波器。通常采用运算放大器的负反馈特性克服二极管检波的非线性，构成线性检波器。交流电压有效值的测量：。第九章 磁测量（一）自学内容安培环路定理、磁通连续性原理、电磁感应定律及磁路定律。磁场的基本测量方法：冲击法、磁通表法和霍尔效应法。（二）本章重点磁场的基本测量方法：冲击法、磁通表法和霍尔效应法。（三）本章难点磁路定律。（四）本章考点冲击法、磁通表法和霍尔效应法。（五）学习指导霍尔效应法的基本原理为：用霍尔片测量磁场时，片中的电流应保持恒定，故应采用恒流供电方式。由于交流电压易于放大，在测量恒定磁场时，常采用交流恒流源供电，而在测量交变磁场时，则采用直流恒流源供电。得到的霍尔电压随时间的变化分别与交流供电电流或者交变磁场同频率。七、自学进度及各章节学时安排自学周数14周，每周保证4学时，总计56学时。在自学过程中，除了保证时间外一定要做练习，独立完成布置的作业分两次寄回学校。最好将各章后面的有关习题及所介绍参考书上的有关习题也做一下。只有通过练习才能达到对所学内容理解、消化的目的，进而掌握它。各章节学时安排如下（不包括作业学时）。自学进度表周次学时内 容学 习 要 求作 业121-1 测量 了解测量的过程、测量的方法、单位及电学量具。21-2测量的单位及测量基准222-1 测量误差的基本概念 掌握测量误差的表示方法及分类，以及系统误差的消除方法22-2 系统误差的消除322-3 随机误差的处理掌握随机误差的处理方法、粗大误差的处理方法22-4 粗大误差的剔除422-5 测量结果的误差估计2-6 数据处理举例 掌握直接、间接测量结果误差估计系统误差的合成、测量结果的表示22-7 微小误差准则与比对标准选取2-8 误差分配与最佳测量方案确定 523-1概述3-2测量系统的静态特性 熟悉测量系统静态特性、动态特性及组建原则23-3 测量系统的动态特性3-4 测量系统组建的基本原则624-1 传感器4-2 变送器 掌握传感器的一般特性，变送器的原理24-3 前置放大器4-4 量程变换724-5 自动定标电路4-6 模拟信号的离散化和量子化 掌握自动定标电路和A/D转换器的原理及模拟信号的离散化的原理24-7 模拟数字转换器AD824-8 D/A转换及其应用 4-9 V/F、F/V变换器 掌握D/A、F/V、V/F的原理、采样保持电路原理24-10采样保持电路 4-11微小计算机的数据采集系统925-1 虚拟仪器 5-2 LabVIEW简介5-3 LabWindowsCVI简介了解LabVIEW和LabWindowsCVI语言，掌握傅里叶变换与采样定理26-1 傅里叶级数 6-2 频谱混叠与采样定理1026-3 频谱泄漏及抑制6-4 栅栏效应 6-5 DFT参数的选择 掌握频谱泄漏及其抑制措施、DFT参数选择；掌握频率、周期、时间间隔测量、 相位的测量27-1 频率、周期、时间间