电子测量和仪器基础.ppt

1、,电子测量及仪器 基础知识,电子测量及仪器基础知识,一、电子测量和误差基础 二、直流电流和电压测量 三、交流电流和电压测量 四、功率和电能量测量 五、常用测量仪器介绍 六、常用元器件测量,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,测量目的：得到或确定被测量的真实数值（大小、单位），由于方法、手段和条件的限制，往往只能得到其近似值； 测量误差的表示：测量得到的近似值和真值的差； 绝对误差：测量值Ax与真值Ao 的差值 Ax Ao 或 测量值Ax与标准表的示值（实际值）A 的差值 Ax A 注意其大小和符号 相对误差：绝对误差与实际值A的比值，用表示 /A100% ，或 /Ax100%（测量

2、值）,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,引用（满度）误差： 测量仪表在其测量范围内，各刻度处的绝对误差变化不大，为了表示仪表本身的准确度，引入引用误差的概念。 n /Am100% 误差修正： 在实际测量仪器的使用和设计中，常采用修正值来提高测量准确度。修正值C，与大小相等，符号相反。 C= ，A=Ax C 在数字仪表中，常用软件方法进行误差修正。,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,测量准确度：包含精密度和正确度两个概念。,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,测量仪器的准确度等级： 根据国家标准：GB76762的规定，电流表、电压表的准确度共分为13级，见

3、下表。,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,测量仪器的准确度等级： 功率表和无功功率表的准确度等级共分为10级：为0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.5级。 含义：仪器的最大引用误差必须小于等于准确度等级所允许的误差。 实际相对测量误差可能会大于准确度规定的最大误差。为保证较高的准确度，测量应尽可能在接近满度的位置进行。,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,测量误差的分类 系统误差：遵循一定规律可重现的误差 仪器本身的固有误差； 因测量方法引入的误差； 附加误差（非工作条件引入的误差，运行检查）； 测量人员的感官误差； 系统误差

4、必须控制在允许范围内，否则必须进行补偿修正。 随机误差：没有规律，不可预知的因素引起的测量误差，一般较实际相对测量误差可能会小一个数量级，无法控制。在一般检验工作中不作为重点控制。,一、电子测量和误差基础,电子测量及仪器基础知识,测量误差的分类 粗大误差：由于操作人员疏忽造成的误差，如操作失误、读数或记录错误。其数值可能远大于系统误差，必须避免，数据必须剔除。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,三用表（电压、电流和电阻） 使用携带方便，用指针的偏转显示测量值，精度一般。 基本构成：表头（带刻度的面板）； 测量线路；转换开关。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,直

5、流电流表： 高灵敏度直流电流表为基本表； 并联分流电阻扩大其量程； 分流电阻等于基本表内阻R0的 （n-1）分之一，n为扩大的倍数。 基本范围：106102A。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,直流电流表 实际构成： 分流电阻成环形，使表头阻尼不变； 串联接入，接触电阻对分流无影响； 保证准确度； 分流电阻要求有较高的精度；,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,直流电流表 电流表串入被测回路 电流表内阻越小越好； 从较高档位开始，避免损坏； 电流流入端接正表笔； 从负载的低压侧接入，保证安全； 必要时可采用间接法测量。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基

6、础知识,直流电压表： 电流表为基本表； 串联分压电阻扩大其量程； 分压电阻等于基本表内阻R0的（n-1）倍，n为扩大的倍数。 基本范围：102103V。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,直流电压表： 实际原理图； 灵敏度指标 k/V 表征了电压表的内阻； 高压档2500V，单独设端子接入。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,直流电压表 电压测量：电压表并入被测支路或元件； 电压表内阻越大越好（k /V)； 符合仪表工作条件； 高电位端接正表笔； 从较高档位开始，避免损坏仪表； 对于高压测量，注意安全防护（表笔一端接公共端，另一端单手测量）。,二、模拟万用表原理

7、和使用,电子测量及仪器基础知识,交流电压表： 直流电压表为基本表； 增加检波电路将交流转为直流； 表头特性正比于波形的均值； 调正分流系数，使其显示被测量的有效值； 有效值 0.707，全波均值0.6，半波均值0.3 二极管引入的非线性，带来小量程刻度非线性。 高压档单独设置，注意安全。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,交流电压测量： 注意频率范围，一般可在50-5000Hz范围内使用； 示值与输入波形的均值成正比； 对非正弦波测量将会引入波形误差； 工作条件（温度、湿度、气压）； 内阻（输入阻抗）； 精度较直流电压测量明显降低。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础

8、知识,欧姆表原理： 提供电池做测试电源； 中值电阻的作用； 电流表指示测量值，刻度非线性；,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,欧姆表原理： 实际原理图； 虚线框内为基本电流表； 改变档位分流电阻，使其总并联值等于各档位中值电阻； 800可调电阻为调零电阻； 高阻档，单独提供高电压测试电源。,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,电阻测量： 零位调整（电池电压变动时）； 选择正确档位，使阻值在中间部位读数； 不能带电进行测量； 应将元件一端从电路中断开（切忌两手捏住电阻两端进行测量）；,二、模拟万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,万用表使用注意事项： 检查和调整

9、指针的机械零位； 正确选择测量功能类别； 正确选择测量档位，为避免过载，适当使用大档位试测； 为减小误差，应使指针在满度2/3处读数，测电阻在中值电阻附近读数； 严禁在通电状态下转换开关； 高压测量，单手进行；,三、其它几种模拟仪表的原理和应用,电子测量及仪器基础知识,兆欧表（摇表）原理： 测量设备的绝缘电阻； 由手摇发电机产生测试电压（500,1000.2500V）； 由磁电式比率表指示绝缘电阻； 不工作时，指针位置任意； 2个绕向相反的线圈分别接固定电阻和待测设备；,三、其它几种模拟仪表的原理和应用,电子测量及仪器基础知识,兆欧表（摇表）使用注意事项： 测量设备的绝缘电阻； 按检验要求选用

10、相应电压和测量等级的兆欧表； 被测设备应切断电源，并进行充分放电； 短路时，指针应指零；开路时应指无穷； 待测端子接入L（线）E（地）之间，必要时接入G（屏蔽）； 摇速120r/min，保持均匀，指针稳定后读数； 因测试电压高，应注意安全，拆线时应注意先对地放电。,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式电压、电流表、欧姆表基本原理 把待测模拟量转换为直流电压，再经A/D变换转换为数字量，然后进行处理和显示；,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式直流电压表基本原理： A/D变换（积分式、比较式） 双积分式A/

11、D变换原理,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式直流电压表基本原理： A/D变换（积分式、比较式） 双积分式A/D变换原理 采样阶段（积分），T1固定，Vom正比于被测电压； 比较阶段（积分），Vr固定，计数值正比于Vom； 运放的使用，虚地，保证了线性充放电； 电路简单，造价低，测量速度较低。,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式交流电压表基本原理： AC/DC变换（均值、峰值、真有效值） 均值检波AC/DC变换原理,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式交流电压表基本原理： AC/DC变换（均值、峰值、真有效值） 均值检波AC/DC

12、变换原理 采样运放，可以检出幅度很小的信号： 在vx的负半周，若略去极性只看数值，则有： vxiA RA ，vo IB RB ，且iAiBi，最后可得： 灵敏度可以做到0.1mV，频率上限约为1KHz10MHz,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式交流电压表基本原理： AC/DC变换（均值、峰值、真有效值） 峰值检波AC/DC变换原理,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式电压、电流表基本原理： AC/DC变换（均值、峰值、真有效值） 真有效值变换原理 模拟运算变换：乘法器、积分器和开方器； 数字采样变换（AD637专用芯片，优于0.1%） 热电转换变换,

13、四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式电压、电流表基本原理： I/V变换,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式电压、电流表基本原理： R/V变换,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,数字式仪表特点： 精确度高； 输入阻抗高：可达G ，输入电容10pF量级； 读数方便，自动判断极性； 交流表有其频率范围，一般在工频 1KHz，最高可达10MHz； 交流电压、电流表一般以有效值标度，对于正弦波有效，对于非正弦波要考虑修正； 对于交流电压和电流，过高的幅值，通过互感器来转换。 误差表示：Vx(VxVm） (Vx/Vx) = (%+ Vm/Vx) V

14、x(Vxn个字）,四、数字万用表原理和使用,电子测量及仪器基础知识,交流测量注意非正弦量引入误差,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,功率的定义： 直流电路的功率：P=UI ； 正弦电路的功率：uUm sin t，I = I m sin (t） pu i Um sin t I m sin ( t） UI cos UI cos（2 t ）（U I为有效值） UI cos （1-cos2t) UI sin sin（2 t ） （1) pRpx 分别为电阻和电抗上消耗的瞬时功率,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,功率的定义： 有功功率（平均功率，W ， kW） 电路、器件实际消

15、耗的平均功率（在一周期内对（1)式求平均）， 无功功率（容性、感性，var，kvar）； 无功功率由储能元件造成，本身不消耗能量，在一个周期内均值为零。工程上将其幅值定义为无功功率，（1）式第二项的幅值： Q = U I sin ,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,功率的定义： 视在功率（设备、电路可吸收的最大功率，VA）： SUI ； S= sqrt（P2Q2）； PS cos ，QSsin ； 功率因数： cos,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,功率的测量： 模拟式仪表，常用电动式功率表 单相测量有功功率： 电流线圈与负载串联，电压线圈经限流电阻与负载并联； *为

16、同名端，必须接在一起； 可测交流、直流功率。 二表法测量三相有功功率： 可以证明， 总有功功率 pp1p2,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,功率的测量： 模拟式仪表，常用电动式功率表 二表法测量三相无功功率 可以证明 QQ1Q2 3UI sin,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,功率的测量： 交流采样原理 单相有功对电压电流的 乘积求平均； 三相有功采样二表法对 二个电压、二个电流的乘 积的和求平均； 将连续量离散化后得右式： 自动跟踪频率，进行等间隔采样，保证精度； 无功移相90度进行计算，通常每周期采36点，多采1/4周期，需采45点； 计算功能利用FPGA、DS

17、P实现。,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,电能量测量 模拟仪表电能量测量（略） 电子式电能量测量 积分式电能量测量 在交流采样的基础上，对有功和无功功率积分，可得积分电量（不能用于结算，积分周期一般取一分钟）； 计量芯片电能量测量（可作为计量器具）,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,电能量测量 电子式电能量测量 计量芯片电能量测量（可作为计量器具） 要点：输入交流电压、电流； A/D变换； 离散数字运算得到单相或多相有功、无功功率； P/F变换，得到频率与功率成正比的脉冲信号（FH瞬时功率，FL平均功率）； 对脉冲信号进行计数得到电量值； 以上功能已可以封装在一颗芯片

18、内完成（单相、三相）。,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,电能量测量 电子式电能量测量 ATT7022B多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四线应用； 集成了6路二阶A/D变换器、以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理电路； 可测量各相及合相总有功、无功、视在功率；有功、无功电量；各相电流、电压有效值，功率因数、相角、频率等参数； 充分满足三相复费率多功能电能表的要求； 精度：在1000:1的动态范围内，非线性误差小于0.1%； 有功测量满足0.2S 和 0.5S；无功测量满足2级和3级； 电压、电流有效值精度优于0.5%。,五、功率和电能量测量,电子测量及仪器基础知识,电子式电能量测量 ATT7022B多功能芯片结构,六