电气测量

电气测量魏新劳新主楼：E1709房间电话：0451-8639001113936249893Email:[e-mail]绪论第二章测量的误差课程内容第一章测量的基本知识第三章直接作用模拟指示电测量仪表与比较式仪表第四章数字化测量技术第五章非电量电测技术1.测量的重要性3.电磁测量的发展过程绪论2.电磁测量的特点4.本课程的任务1.测量的重要性不论是基础科学的研究还是应用科学的研究都要进行大量的实验。在实验研究中，测量是基本的、大量的工作之一；没有测量就没有科学——门捷列夫；世界上科学技术和工业生产高度发达的国家都在测量技术的研究，仪器、仪表的制造，保证计量单位的统一和可靠等方面做了大量工作，并且以法律的形式给予必要的保证。2.电磁测量的特点①应用范围广：不但所有的电量、磁量和电路、磁路参数能用电磁测量技术测量，而且很多非电量，也都可以先变成与其成函数关系的电磁量或电路参数后，再用电磁测量的方法测量；②准确度高：目前电磁测量的误差可以小到l0-6—10-7；③测量速度快：很容易达到102—103次／秒；④测量数值范围宽：例如，电阻的数值从l0-7—l010Ω，甚致更广的范围均可用电磁测量的方法进行测量；⑤电磁测量的灵敏度高：例如，数值小到10-15A的电流也可以用电磁测量的方法检测；⑥能比较方便地实现自动测量、自动控制和自动处理实验数据，易于与计算机配合。3.电磁测量的发展历史电磁测量的发展可以分成三个主要阶段:古典电工仪器仪表发展阶段，数字式仪表发展阶段和自动测试系统发展阶段。古典式电工仪器、仪表的发展历史：1743年俄国学者黎赫曼制造出第一台有刻度的验电器；1836年出现了可动线圈式检流计；1837年出现了可动磁针式检流计；1841年出现了电位差计原理；1843年制成了惠斯登电桥；1861年制成了第一台直流电位差计；1895年设计制造成功了世界上第一台感应式电度表；20世纪40年代以后，由于新材料的出现，使电工仪器、仪表在准确度方面有所突破。1936年出现了高性能的磁性材料——铝镍合金，在1960年前后生产出了0.1级的电磁系、电动系和磁电系仪表系列，直到现在，这类电磁机械式仪表的准确度还停留在这一水平。数字式电工仪器、仪表的发展历史：1952年，美国制造出了世界上第一台比较式数字电压表，标志着数字化仪表和数字化测试技术的开始；在随后的十几年中，世界各国争相研究和生产数字式仪表，使电工仪器、仪表的发展进入了新的阶段，数字式仪表在原理和结构方面都达到了较完善的程度；近年来，由于大规模、超大规模集成电路的发展和新型A/D转换器的出现，以及微型计算机和单片计算机的广泛应用，已经制造出分辨率为0.01μV的数字万用表，准确度可达10-6，并有求算术平均值、方差、标准差、自校准和数据存储等功能自动测试系统的出现及发展方向：从20世纪70年代开始，由于微处理器、微型计算机、电子技术和信息处理技术综合应用的结果，使电磁测量技术向自动化、智能化、系统化方向发展。可以预料，测试技术与计算机技术的深层次结合将产生全新的仪器概念，即所谓集成仪器。集成仪器将基于“信息的数据采集（A/D转换）—信息的分析与处理(DSP)—输出及显示（数字化人机界面）”的结构模式。利用这种集成仪器的通用硬件平台调用不同的测试软件，就可以构成不同功能的仪器。4.本课程的任务及课时安排课程安排：总学时：32实验：3次，学时6讲课学时：26授课周数：13周周授课次数：单周1次（周四）双周2次（周二、周四）介绍基本测量原理、基本测量方法；误差分析；常见的电工仪表与仪器的基本原理。使同学们对在电气系统与设备及其他相关领域中的实际测量、数据处理、误差分析等方面打下必要的基础。课程任务：实验一:交流电桥实验实验二:直流电桥及电阻的数字化测量实验三:三相交流电路功率因数测量实验安排：1.蒋焕文，电子测量技术，中国计量出版社2.杨吉祥等．电子测量技术基础．东南大学出版社参考书：第一章测量的基本知识测量和测量单位电学量具测量方法的分类1.测量的定义第1节测量与测量单位测量就是用实验的方法把被测量与同性质的标准量进行比较以确定被测量大小的过程。[‘单位。也就是说：单位是一个选定的标准量；1.要想确定被测量的大小，必须要用这个标准量和被测量进行比较。比较的结果是把被测量表征成标准量的倍数（就是一个数）；2.被测量的测量结果表示成这个倍数和单位的组合X=AxX0式中：X—被测量；Ax—通过比较得到的表征被测量与标准量倍数关系的数，也就是单位的倍数；X0—测量单位。4.对于同一个被测量，选择的标准量（单位）不同，测量结果的表示也不同，可见测量单位的重要性。2.单位和单位制单位的定义：用于对被测量进行比较(测量)的标准量称为单位举例：•用于对某个电压进行测量的单位是伏特（简称伏，符号：V）；•用于对某个电流进行测量的单位是安培（简称安，符号：A）。这里的伏特、安培就是单位。一般把测量结果表征为单位的倍数。比如，某个电压为5伏，表示这个电压是电压单位“伏”的5倍。单位的分类：基本单位、导出单位基本单位：可以人为独立定义的单位称基本单位。基本单位是可以随意选择的导出单位：由于不同物理量之间是由物理关系相联系的，所以一旦几个基本单位确定后，其它物理量的单位就可以根据这些物理关系式推导出来。这些由基本单位和一定物理关系推导出来的单位称“导出单位”单位制：由人为选定的一组基本单位和根据这些基本单位所推导出来的所有导出单位的总和称为单位制注意：由于基本单位是可以任意选定的，所以建立在基本单位基础上的单位制也就各不相同；历史上，不同的国家，甚至于地区，都有自己的单位制。即便是现在，仍然有各种不同的单位制：比如：市制、英制、公制等等；多种单位制的并存不仅对国际贸易有阻碍作用，而且不利于各国之间的科学文化交流。因此统一单位制已成为各国的共同要求；国际计量委员会(CIPM)在1956年将经过21个国家同意的计量单位制草案命名为国际单位制，以国际通用符号SI来表示；1960年第11届国际计量大会(CGPM)正式通过了SI，随后一些国际组织，如国际法制计量组织(OIML)、国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)等也采用了国际单位制。1960年通过的国际单位制SI七个基本单位：米；千克；秒；安培；开尔文；摩尔；坎德拉两个辅助单位：弧度，球面度SI单位制构成原则：1.先选基本单位，再选导出单位；2.一贯性原则(换算系数总是1)；3.一种物理量只有一种单位；4.倍数一律按十进或千进关系构成.长度单位米(m)：1米等于光在真空中于1／299792458s时间所经过的距离(1983年第17届国际计量大会通过)。质量单位千克(kg)：一千克等于国际千克原器的质量这是国际单位制基本单位中唯一保留的实物基准。（18世纪末法国规定在4℃时1立方分米纯水的质量为1千克。后来用铂铱合金制成一个高度和直径都是39毫米的圆柱体,在1819年国际计量大会上批准为国际千克原器。它现今保存在巴黎的国际计量局总部，所有质量的测量都应溯源到该千克原器）时间单位——秒(s)：一秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间。电流单位——安培(A)：如果在处于真空中相距1m的两根无限长而截面可以忽略的平行直导线内通过一个恒定电流，当两导线间每米长度上产生的力等于2×l0-7N时，两导线中所通过的电流被定义为1安培。热力学温度单位——开[尔文](K)水的三相点温度的1／273.16定义为1个开尔文物质的量的单位——摩[尔](mol)在某物质中所包含的基本粒子数与0.012kg碳-12的原子数目相等，就定义这个物质的量为1摩尔基本粒子。在使用摩时，应指明基本粒子的类型。发光强度单位——坎[德拉](cd)频率为540×l012Hzd的单色辐射光源，在给定方向上的幅射强度为(1／683)瓦／球面度，则其发光强度定义为1个坎德拉。注意：在电学中，只有米、千克、秒、安培四个基本单位，其它电学单位均为导出单位。电磁学单位的部分SI导出单位物理量定义方程式单位名称单位代号电量库仑C电势伏特V电容法拉F电阻欧姆Ω电导西门子S电场强度伏/米V/m磁通韦伯Wb磁感强度特斯拉T磁场强度安/米A/m…qWUItqqUCIURRC1dUEtEmSBmrIH2量具的分类：基准器、标准量具、工作量具量具的概念：复制（现）测量单位(或其整数/分数倍)的实体称为量具。第2节电学基准与电学量具测量单位是理论定义，在进行实际测量时，只有通过实验的方法将其复现出来并逐级传递到被测对象上去才能实现测量。基准器：用现代科学技术所能达到的最高准确度来复现和保存测量单位的量具叫做基准器。标准量具：标准量具的准确度低于基准器，供计量中心对工作量具进行检定或标定时使用。工作量具：准确度低于标准量具，是供日常测量时使用的量具。基准：在现有技术条件下，最精确地复现或保存单位的物理现象或实物称为基准。自然基准：通过物理现象建立的基准实物基准：建立在实物上的基准1990年以前，电学基准是标准电池复现电动势或电压的单位“伏特”，标准电阻组复现电阻的单位“欧姆”（实物基准）。1990年国际上正式启用电学计量的自然基准—约瑟夫森效应、冯·克里青效应。一、电学基准基准分类：自然基准、实物基准。自然基准——约瑟夫森效应约瑟夫森结：两块弱连接的超导体之间的结称为约瑟夫森结。约瑟夫森效应：用频率为f的微波照射约瑟夫森结时，在约瑟夫森结上会出现如下图所示的阶梯式伏安特性，其中第n个阶梯电压Vn与微波辐射频率之间的关系为式中：Vn—第n个阶梯处的电压；n—阶梯序数；h—普朗克常数；e—电子电荷;f—微波频率fenhVn2这就是约瑟夫森效应，如果能精确地测量微波辐射频率，则可以计算出VnIiUiRHH)()(在电流流动方向损耗为零的极限条件下，量子化霍尔电阻与平台序数i的关系如下在高迁移率半导体元件中，符合一定的尺寸要求时，当外加磁感应强度为10特斯拉左右，温度为几开尔文，可产生二维电子气。该电子气被完全量子化。当通过元件的电流I固定时，在霍尔电压—磁感应强度曲线上会出现磁感应强度变化而霍尔电压不变的区域，称为霍尔平台。在霍尔平台上有如下的关系：自然基准——冯·克里青效应iRiRH/)(式中：RH—冯·克里青常数理论上预言2ehRH式中：h—普朗克常数；e—电子电荷一旦确定i,冯·克里青效应就可以用于复现、保存电阻单位“欧姆”电池参数：电池电势：1.0186V左右电池内阻：500-1000欧姆稳定度：可达2ppm两种形式：饱和式、不饱和式不饱和式：稳定性差；温度系数较小饱和式：稳定性好；温度系数较大实物基准——标准电池实物基准——标准电阻器制作方法：电阻元件由双股锰铜丝绕制电阻器的特点:电阻率大温度系数小热电势很小(1.5uV/C)阻值范围:10nΩ，（n=-3—5）引线形式:四端钮、三端钮四端钮：当电阻的阻值低于10Ω时，通常是四端钮结构，以减小端钮接触电阻对标准电阻阻值的影响。三端钮：当电阻的阻值高于1MΩ时，漏电的影响增加。为了减小漏电流的影响，要加屏蔽端钮。接线式：示值稳定，结构简单；阻值变换窄，接线麻烦可变电阻箱开关式：接触电阻大，示值不稳定；阻值变换宽，操作方便形式：接线式、开关式1直接测量与间接测量第3节测量方法的分类直接测量：测量结果可以直接从实验数据获得的方法。间接测量：通过对与被测量有已知关系的另一个或几个量的直接测量数据经过计算得到量值的方法。——根据测量方式分类2直读测量与比较测量直读法:从测量用仪表中直接读取测量结果。直读测量中，标准量不参与测量过程。比较法:被测量与同种类的标准值或已知值相比较为基础的测量方法。——根据测量标准是否直接参与测量过程分类比较法又分为替代法、零值法、差值法等。2.1误差的概念2.3函数误差的基本问题和基本关系第2章测量的误差2.2测量误差的分类2.4测量误差的综合和分配2.5有效数字及数据舍入规则2.6被测信号与测量仪器