电工测量的基本知识

福建工程学院电工基础教研室《电工技术实验》-1-第一篇电工测量的基本知识第一章概述1.1测量的概念测量是以确定被测对象量值为目的的全部操作。通常测量结果的量值由两部分组成：数值（大小及符号）和相应的单位名称。1.2测量的分类测量可从不同的角度出发进行分类。1.2.1从获得测量结果的不同方式分类，可分为直接测量法、间接测量法和组合测量法。1.2.1.1直接测量法——从测量仪器上直接得到被测量量值的测量方法，直接测量的特点是简便。此时，测量目的与测量对象是一致。例如用电压表测量电压、用电桥测量电阻值等。1.2.1.2间接测量法——通过测量与被测量有函数关系的其它量，才能得到被测量量值的测量方法。例如用伏安法测量电阻。当被测量不能直接测量，或测量很复杂，或采用间接测量比采用直接测量能获得更准确的结果时，采用间接测量。间接测量时，测量目的和测量对象是不一致的。1.2.1.3组合测量法——在测量中，若被测量有多个，而且它们和可直接（或间接）测量的物理量有一定的函数关系，通过联立求解各函数关系来确定被测量的数值，这种测量方式称为组合测量法。例如，图1-1所示电路中测定线性有源一端口网络等效参数Req、UOC。调RL为R1时得到I1，U1调RL为R2时得到I2，U2得oceqoceqUIRUUIRU2211解联立方程组可求得测量Req、Uoc的数值。1.2.2根据获得测量结果的数值的方法不同，分为直读测量法和比较测量法。1.2.2.1直读测量法（直读法）——直接根据仪表（仪器）的读数来确定测量结果的方法。测量过程中，度量器不直接参与作用。例如用电流表测量电流、用功率表测量功率等。直读测量法的特点是设备简单，操作简便，缺点是测量准确度不高。1.2.2.2比较测量法——测量过程中被测量与标准量（又称度量器）直接进行比较而获得测量结果的方法。例如用电桥测电阻，测量中作为标准量的标准电阻参与比较。比较测量法的特点是测量准确，灵敏度高，适用于精密测量。但测量操作过程比较麻烦，相应的测量仪器较贵。综上所述，直读法与直接测量法，比较法与间接测量法，彼此并不相同，但又互有交叉。实际测量中采用哪种方法，应根据对被测量测量的准确度要求以及实验条件是否具备等多种因素具体确图1-1求等效参数Req，Uoc福建工程学院电工基础教研室《电工技术实验》-2-定。如测量电阻，当对测量准确度要求不高时，可以用万用表直接测量或伏安法间接测量，它们都属于直读法。当要求测量准确度较高时，则用电桥法进行直接测量，它属于比较测量法。1.3测量误差1.3.1测量误差的定义不论用什么测量方法，也不论怎样进行测量，测量的结果与被测量的实际数值总存在差别，我们把这种差别，也就是测量结果与被测量真值之差称为测量误差。从不同角度出发，测量误差有多种分类方法。1.3.2测量误差的分类1.3.2.1根据误差的表示方法可分为绝对误差、相对误差、引用误差三类。（1）绝对误差——是指测得值与被测量实际值之差，用△x表示，即△x=x-x0（1.1）式中，x——测得值；x0——实际值。绝对误差是具有大小、正负和量纲的数值。在实际测量中，除了绝对误差外，还经常用到修正值的概念，它的定义是与绝对误差等值反号，即c=x0-x（1.2）知道了测量值和修正值c，由式（1.2）就可求出被测量的实际值xo。绝对误差的表示方法只能表示测量的近似程度，但不能确切地反映测量的准确程度。为了便于比较测量的准确程度，提出了相对误差的概念。（2）相对误差——是指测量的绝对误差与被测量（约定）真值之比（用百分数表示），用γ表示，即%1000xx（1.3）式（1.3）中，分子为绝对误差，当分母所采用量值不同（真值A0、实际值x0、示值x等）时相对误差又可分为：相对真误差、实际相对误差和示值相对误差。相对误差是一个比值，其数值与被测量所取的单位无关；能反映误差大小和方向；能确切地反映了测量准确程度。因此，在测量过程中，欲衡量测量结果的误差或评价测量结果准确程度时，一般都用相对误差表示。相对误差虽然可以较准确地反映量的准确，但用来表示仪表的准确度时，不甚方便。因为同一仪表的绝对误差在刻度范围内变化不大，这样就使得在仪表标度尺的各个不同部位的相对误差不是一个常数。如果采用仪表的量程xm作为分母就解决了上述问题。（3）引用误差——是指测量指示仪表的绝对误差与其量程之比，（用百分数表示），用γn表示，即%100mnxx（1.4）福建工程学院电工基础教研室《电工技术实验》-3-实际测量中，由于仪表各标度尺位置指示值的绝对误差的大小、符号不完全相等，若取仪表标度尺工作部分所出现的最大绝对误差作为（1.4）中的分子，则得到最大引用误差，用γnm表示。%100mmnmxx（1.5）最大引用误差常用来表示电测量指示仪表的准确度等级，它们之间的关系是%%100mmnmxx式中，α——仪表准确度等级指数。根据GB7676.2-87《直接作用模拟指示电测量仪表及其附件》的规定，电流表和电压表的准确度等级α如表1-1所示。仪表的基本误差在标度尺工作部分的所有分度线上不应超过表1-1中的规定。表1-1准确度等级α0.050.10.20.30.51.01.52.02.55.0基本误差%±0.05±0.1±0.2±0.3±0.5±1.0±1.5±2.0±2.5±5.0由表可见，准确度等级的数值越小，允许的基本误差越小，表示仪表的准确度越高。式（1.5）说明，在应用指示仪表进行测量时，产生的最大绝对误差为mmxx%（1.6）当用仪表测量被测量的示值为x时，可能产生的最大示值相对误差为%100%%100xxxxmmm（1.7）因此，根据仪表准确度等级和测量示值，可计算直接测量中最大示值相对误差。当被测量量值愈接近仪表的量程，测量的误差愈小。因此，测量时应使被测量量值尽可能在仪表量程的2/3以上。例用一个量程为30mA、准确度等级为0.5级的直流电流表测得某电路中电流为25.0mA，求测量结果的示值相对误差。解根据式（1.6）可得其测量结果可能出现的示值最大相对误差为%6.0%1000.2515.0%100xxmm1.3.2.2根据误差的性质可分为：系统误差、随机误差和粗大误差三类。（1）系统误差系统误差是指在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的大小和符号均保持不变，或者当条件改变时，按某一确定的已知规律（确定函数）变化的误差。系统误差包括己定系统误差和未定系统误差，已定系统误差是指符号和绝对值已经确定的系统误差。例如，用电流表测量某电流，其示值为5A，若该示值的修正值为+0.01A，而在测量过程中由于某种原因对测量结果未加修正，从而产福建工程学院电工基础教研室《电工技术实验》-4-生-0.01A的已定系统误差。未定系统误差是指符号或绝对值未经确定的系统误差。例如，用一只已知其准确度为α及量程为Um的电压表去测量某一电压Ux，则可按式（1.5）估计测量结果的最大相对误差γnm，因为这时只估计了误差的上限和下限，并不知道测量电压误差确切大小及符号。因此，这种误差称为未定系统误差。系统误差产生的原因有测量仪器、仪表不准确，环境因素的影响，测量方法或依据的理论不完善及测量人员的不良习惯或感官不完善等。系统误差的特点是：1）系统误差是一个非随机变量，是固定不变的，或是一个确定的时间函数。也就是说，系统误差的出现不服从统计规律，而服从确定的函数规律。2）重复测量时，系统误差具有重现性。对于固定不变的系统误差，重复测量时误差也是重复出现的。系统函数为时间函数时，它的重现性体现在当测量条件实际相同时，误差可以重现。3）可修正性。由于系统误差的重现性，就决定了它是可以修正的。（2）随机误差随机误差是指在同一量的多次测量中，以不可预知方式变化的测量误差的分量。随机误差就个体而言是不确定的，但其总体服从统计规律。随机误差一般服从正态分布规律，如图1-2所示：图中：δ——表示随机误差f——表示误差出现的次数这条曲线称为随机误差正态分布曲线。随机误差的特点是：1）有界性：有一定的测量条件下，误差的绝对值不会超过一定的界限。2）单峰性：绝对值小的误差出现的概率大，而绝对值大的误差出现的概率小。3）对称性：绝对值相等的±误差出现的概率一致。4）抵偿性：将全部误差相加时，具有相互抵消的特性。特性4）可由特性3）推导出来，因为绝对值相等的正负误差之和可以互相抵销对于有限次测量，随机误差的算术平均值是一个很小的量，而当测量次数n无限增大时，随机误差趋近于零。在精密测量中，一般采用取多次测量值的算术平均值的方法消除随机误差。（3）粗大误差粗大误差是指明显超出了规定条件下预期的误差。f-δ0+δδ图1-2正态分布函数福建工程学院电工基础教研室《电工技术实验》-5-这种误差是由于实验者的粗心，错误读取数据；或使用了有缺陷的计量器具；或计量器具使用不正确；或环境的干扰等引起的。例如，用了有问题的仪器、读错、记错或算错测量数据等等。含有粗差的测量值称为坏值，应该去掉。1.3.3测量结果的评定前面讲述的误差是描述测量结果偏离真值的程度，我们也可以从另一个角度用正确度、精密度和准确度这三个“度”来描述测量结果与真值的一致程度。从本质上讲三者是一致的。在使用中常见到因对这几个“度”之间含义的混淆，而影响了对测量结果的正确评述。1.3.3.1正确度由系统误差引起的测得值与真值的偏离程度，偏离越小，正确度越高，系统误差越小，测量结果越正确。因此，正确度反映了系统误差对测量结果影响的程度。当系统误差远大于随机误差时，相对地说，随机误差可以忽略不计，则有：△x=ε=x-x0这时可按系统误差来处理，并估计测量结果的正确度。上式中：ε——系统误差x——测量值x0——真值1.3.3.2精密度它指测量值重复一致的程度。测量过程中，在相同条件下用同一方法对某一量进行重复测量时，所测得的数值相互之间接近的程度。数值愈接近，精密度愈高。换包话说，精密度用以表示测量的重现性，反映随机误差对测量结果的影响。同样，当系统误差小到可以忽略不计或业已消除时，可得△x=δ=x-x0上式中δ——随机误差x——测量值x0——真值这时可按随机误差来处理，并估计测得结果的精密度。1.3.3.3准确度由系统误差和随机误差共同引起的测量值与真值的偏离程度，偏离越小，准确度越高，综合误差越小，测量结果越准确。所以，准确度同时反映了系统误差和随机误差对测量结果影响的程度。当系统误差和随机误差两者差不多，而不能忽略其中任何一个时，可将系统误差与随机误差进行分别处理，然后再考虑其综合影响，并估计测量结果的准确度。正确度和精密度是互相独立的，对于一个具体的测量，正确度高，精密度不一定高；反之，精密度高，正确度也不一定高。但正确度和精密度都高，却完成有可能的。只有正确度高或精密度高，就不能说准确度高。只有正确度和精密度都高，才能说准确度高。以打靶为例综合说明上述关系。福建工程学院电工基础教研室《电工技术实验》-6-(a)(b)(c)图1-3打靶图图1-3(a)表明系统误差小，随机误差大，即正确度高，精密度低；图(b)说明射击的系统误差大，而随机误差小，即正确度低而精密度高；图(c)则表明系统误差和随机误差都小，即正确度和精密度都高，也就是准确度高，而在靶心外的散弹点可视为粗大误差，应剔除。1.3.4间接测量中的误差估算间接测量是由多次直接测量组成，其测量的最大相对误差可按以下几种形式进行计算。1.3.4.1被测量为几个测量量的和（或差）y=x1+x2+x3（1.8）取微分，得dy=dx1+dx2+dx3近似地以改变量代替微分量，即Δy=Δx1+Δx2+Δx3（1.9）若将改变量看成绝对误差，则相对误差为%%321yxxxyyy（1.10）或写成332211yxyxyxy式中，%100%100%,100333222111xxxxxx，分别为直接测量x1,x2，x3的相对误差。被测量的最大相对误差为%10032