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数字多用表电学培训------课程主要内容交直流数字仪器计量基础知识交直流数字仪器技术要求交直流数字仪器的基本原理交直流数字仪器的检定第一章交直流数字仪器计量基础知识交直流数字仪器是指以数字形式显示测量结果，测量或输出交直流电压，交直流电流，交直流电阻的仪器仪表。第一节数字仪器发展与现状•数字仪器准确度高，从21/2到81/2。不仅可以作为测量用工作计量器具，也可以作为量值传递用计量标准甚至计量基准。•数字仪器具有智能化和可程控性，智能化通过自动零位修正、自动线性修正等技术进一步促进了准确度等性能指标的提高，同时还使数字仪器具有了测量结果的自动数据处理、自动操作、自动量程转换、自动检测、自动调整、自动诊断自动化等功能。•可程控性使数字仪器能够与计算机连接，通过计算机等外部控制器实现更强大的自动测试、自动处理数据、自动编辑数据、自动存储、自动显示、自动打印等功能。•用计算机和可程控数字仪器能够方便地组成自动测试系统，使计量测试实现了自动化，使计量测试领域跟上计算机、网络时代的步伐成为可能。•为了使不同国别、不同厂家、不同功能、不同类型的可程控数字仪器的接口具有通用性，使其能够方便地与计算机及其他装置相互连接，组成各种目的的自动测试系统，需要通用的接口总线。•目前数字仪器常用的接口总线是GPIB通用接口总线和RS－232C通讯接口总线。绝大多数台式数字仪器、便携式数字仪器都带有GPIB接口或RS－232C接口。•如果各个不同厂家、不同功能的器件，都配装了包含器件功能和接口功能的GPIB接口，由于各接口是标准化的，那么在组建自动测试系统时，人们在接口硬件方面无需再做任何硬件工作，只需用一条条GPIB母线将它们连接起来，便可方便地组成各种目的的自动测试系统。•RS-232C标准串行接口总线是美国电子工业协会EIA公布的串行通讯标准，目前广泛应用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中。•在由多台独立数字仪器组成的自动测试系统中，每台数字仪器都有显示器、键盘和存储器等部件。这些部件功能重复没有必要，为了降低自动测试系统的成本，电源的体积和重量，将独立仪器中的显示电路、键盘、存储器等去掉，把测量电路部分和接口电路部分制成插卡式模块，用不同的模块与计算机等设备连接组成自动测试系统，1992年制定了适用于模块化仪器的接口总线标准VXIbusReV.1.4。不同国别、不同厂家、不同功能的带VXIbus接口总线仪器模块，即VXIbus模块都可插入同一机箱。VXI仪器系统是标准总线式模块化仪器系统，一般由微机、VXIbus模块和VXIbus机箱组成。•VXIbus仪器模块是数字仪器的发展方向，VXIbus仪器自动测试系统是自动测试系统的发展方向。PCI、VXI、PXIVXIPCIPXI•图形语言的发展使我们能够用图形语言编写GPIB仪器自动测试系统的程序，与windows视窗操作系统类似，能够通过点击图标和图形来编写和运行程序，实现仪器程控，完成自动测试系统的测试目的。这些图标和图形可以做成与独立测量仪器面板上的控制件和显示件相似，这样便在自动测试系统主计算机屏幕上形成仪器软面板，即所谓虚拟仪器。虚拟仪器的实现主要依靠计算机图形语言，美国惠普公司（HP）、美国国家仪器公司NI、美国吉时利公司Keithly和美国艾欧泰克公司Iotech研制开发出了许多适合于自动测试系统的图形语言，尤其是美国NI公司的labview得到了广泛的认同和应用。•数字仪器的发展使测试仪器跟上了计算机发展的步伐，计算机技术的发展产生了全新概念的测量仪器，数字仪器是测量仪器的发展方向，VXI硬件模块和计算机软件形成的虚拟仪器是数字仪器的发展方向，数字仪器将进一步软件化、集成化、系统化。自动测试系统的硬件组建将更加方便灵活，软件编程将更加简单，巧妙的测试方法，精湛的测试技术，丰富的测试经验将被固化到测试程序中，形成软件形式的专家测试系统。目前交直流数字仪器的用途和性能水平为：•一、直流数字电压表•直流数字电压表的基本用途是测量直流电压，低电压表可作为电压指零仪，即作为测量用工作计量器具，由于直流数字电压表准确度不断提高，已经可以做到81/2位，10-6数量级，所以直流数字电压表已进入校准实验室，作为量值传递用的计量标准，承担保存和复现直流电压量值的任务，检定直流电压表，直流电压源等直流电压计量器具。智能型直流数字电压表还可以测量一段时间内被测量的最大值、最小值，测量误差，比例，平均值，方差等。•目前先进的直流数字电压表性能为：•1.显示位数达到81/2•2.分辨力达到0.01μV•3.输入电阻达到1010Ω•4.测量误差达到10-6数量级•5.测量速度达到每秒几万次•6.测量范围100nV～100kV•按工作原理分•1.比较型比较型又分为逐次比较型、剩余电压再循环型•2.积分型积分型又分为双积分型、三积分型、脉冲调宽型、V-F变换型•3.斜波型斜波型又分为斜波式、阶梯斜波式•4.复合型复合型又分为积分内插式、积分电位差式。•二、直流数字电流表•直流数字电流表用于测量直流电流，小电流表可用作电流指零仪，还可用作计量标准，保持和复现直流电流量值对直流电流进行量值传递，检定直流电流表，直流电流源等直流电流计量器具。目前先进的直流电流表性能为：•1.显示位数61/2•2.分辨力0.1aA•3.测量误差10－5数量级•4.测量范围1pA～20A•直流数字电流表的类型按原理分有电阻式、放大器式、斩波放大器式。按显示位数分有三位、三位半……六位、六位半。按体积形状分有台式、便携式、手持式、面板式。•三、直流数字欧姆表•直流数字欧姆表用于测量直流电阻，精密低阻值的直流数字欧姆表一般可以测量四线接法的直流电阻以便消除引线电阻引入的测量误差。直流数字欧姆表还可用作计量标准，保持和复现直流电阻量值，对直流电阻进行量值传递，检定直流电阻表，直流电阻源，直流电阻箱，直流电桥等直流电阻计量器具。目前先进的直流数字欧姆表的性能为：•1.显示位数81/2•2.分辨力1µΩ•3.测量误差10－6数量级•4.测量范围1Ω～108Ω•直流数字欧姆表的类型按原理分有恒流源式运算放大器法、四线测量法、电压法、比率法、逐位平衡法。按显示位数分有三位、三位半……八位、八位半。按体积形状分有台式、便携式、手持式、面板式。•四、交流数字电压表•交流数字电压表用于测量交流电压，还可用作计量标准，保存和复现交流电压量值，对交流电压进行量值传递，检定交流电压表，交流电压源等交流电压计量器具。目前先进的交流数字电压表的性能为：•1.显示位数61/2•2.分辨力1nV•3.测量误差10－5数量级•4.测量范围1mV～10kV10Hz～10MHz•交流数字电压表的类型很多。•按被测量的参数分，有平均值表、有效值表、峰值表。最适用的是真有效值表，不仅可以测量正弦电压的有效值，也可测量非正弦电压的有效值，但原理复杂，成本较高。平均值表原理结构简单，成本低，只是不适用于非正弦，应用也比较多。峰值表只适用于某些特殊测量，应用较少。•按工作原理分，有检波式、热电式、电子式。•按显示位数分有三位、三位半……七位半。•五、交流数字电流表•交流数字电流表用于测量交流电流，还可用作计量标准，保持和复现交流电流量值，对交流电流进行量值传递，检定交流电流表，交流电流源等交流电流计量器具。目前先进的交流数字电流表的性能为：•1.显示位数51/2•2.分辨力1nA•3.测量误差10－4•4.测量范围10nA～20A10Hz～100kHz•交流数字电流表的原理多为分流器式。•有国家检定规程时，检定必须执行国家检定规程，没有国家的，可执行部门或地方检定规程，部门或地方也没有时，应作为校准或测试项目。•交直流数字仪器现有如下一些检定规程：•国家检定规程JJG315-1983直流数字电压表检定规程•国家检定规程JJG598-1989直流数字电流表检定规程•国家检定规程JJG724-1991直流数字欧姆表检定规程•航天部检定规程JJG（航天）34－1999交流数字电压表检定规程•航天部检定规程JJG（航天）35－1999交流数字电流表检定规程检定和校准•检定是指为评定计量器具的计量性能，确定其是否合格所进行的全部工作，包括检验和加封盖印等。它是进行量值传递的重要形式，是保证量值准确一致的重要措施。•“在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量具或参考物质所代表的量值，与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作”。即校准就是确定被校的量值。将被校所指示的量与标准所复现的量进行比较，来确定被校所指示的量的量值。第二章交直流数字仪器技术要求第一节数字表•一、示值误差•测量器具的示值Xt与对应输入量的真值Xr之差值为测量器具的示值误差。•由于真值不能确定，故使用约定真值（即标准值）Xr代替真值。•标准值是满足规定的准确度的用来代替真值的值，它一般是计量标准的示值。•从计量角度来说，测量器具的示值Xt与它所指示的输入量的标准值Xr之差值为测量器具的示值误差，标准值是计量标准测量这个输入量时所指示的值。•示值误差按绝对形式表示为：•绝对示值误差的单位与输入量相同。rtXX•示值误差按相对形式表示为：•相对示值误差为无量纲数，以百分数表示或10的幂次方表示。rtXXrX•示值误差按工作条件的不同分为固有误差和工作误差。•固有误差是在标准条件下确定的示值误差，又称为基本误差。规定基本误差的意义在于：•（1）便于评定考核计量器具的内部质量缺陷。控制影响量使其影响减小并且固定，在这种情况下，计量器具表现出来的计量性能反映了计量器具的内部质量缺陷，一般在标准条件下，计量器具的计量性能是最佳计量性能。在这种条件下使用，测量误差最小。•（2）便于同类仪器性能比较。若某台直流数字电压表25℃温度下的年允许误差极限为0.5%,另一台直流数字电压表20℃温度下的24h允许误差极限为0.1%，很难看出准确度的优劣，若都用基本误差来比较，便可一目了然。•（3）便于量值传递。较高一级计量标准校准本级计量标准，确定本级计量标准的量值是在标准条件下确定的，本级计量标准校准下级计量标准，确定下级计量标准的量值也应在标准条件下确定。这样量值传递的准确度高。•工作误差是在规定的工作条件下确定的示值误差。•较高准确度的交直流数字仪器的示值误差都带有时间概念为24h误差、30d误差、90天误差、0.5a误差、1a误差。从上述数列中选取，1a误差就是一年的示值误差，其他类似。在这段时间内不进行调整，连续或不连续工作，任何时刻实测误差均应符合这段时间的允许误差极限。如实测24h误差应符合24h允许误差极限。•测量器具示值误差的技术要求为测量器具的允许误差极限，允许误差极限是技术规范、规程中规定的测量器具的允许示值误差极限值。•允许误差极限按绝对形式表示为：式中：△lim——允许误差极限•Xt——测量器具的示值•Xm——所测量程的满度值•a——测量误差的相对项系数•b——测量误差的固定项系数)%%(mtLimXbXa•允许误差极限按相对形式表示为：•允许误差极限的图形表示如图9-2-1，图9-2-2所示。•从允许误差极限的相对误差曲线可见，被测量越接近满量程相对误差越小，因此在使用数字仪器时要尽量使用靠近满量程的区域，在检定数字仪器时，选择的标准仪器，其准确度不仅在满度点要小于被检的1/3，在远离满量程的那些检定点也要小于被检的1/3。)%%(tmLimXXbatgα=a%XmXm-XmXmb%XmXta%b%XtγlimXm•二、线性误差•测量仪器输入输出特性实际曲线与理想直线的偏差为线性误差，该直线为量程始末的连线，即为清除零点误差，调整满量程误差为零后，量程始末的连线。•测量仪器输入输出特性曲线即为被测量与示值的关系曲线。测量仪器一般都尽量设计为线性的输入输出特性曲线，但由于设计制造的不完善，又总存在一定程度的非线性。线性误差即表征这一计量特性。•测量仪器输入输出特性曲线图如图9-2-3所示。理想直线实际曲线Xm-XmXtXo•用一个量程内各检定点中的最大误差的引