第1章 電工電子測量基礎知識

1.1 概述

通常所說的電子信息技術包括3個支柱：信息的獲取——電子測量技術，信息的傳輸——電子通信技術，信息的處理——電子計算機技術。顯然，如果沒有對原始數據準確、可靠的測量，則對任何信息的轉換、處理和傳輸都將失去實際意義。因此，電子測量技術是電子信息產業基礎中的基礎。

測量是人們通過實驗的方法，使用各種儀表測量不同的物理量，將未知量與公認的同類標準量進行比較，從而確定其數量的認識過程。通過測量，人們可以揭示事物內部的奧秘，可以定量、定性地認識和發現事物的普遍性和特殊性的規律，進而推動和完善科學技術理論的進一步發展。

電工電子測量是測量的一個重要分支。電工電子測量就是將被測的電量、磁量或電路參數與同類標準量（真值）進行比較，從而確定被測量大小的過程。大多數物理量都能借助轉換器改變為電量，之后便可以使用電子儀器、儀表加以測量。在測量中，除了應根據測量對象正確選擇和使用電子儀器、儀表外，還必須采取合理的測量方法和步驟，掌握正確的操作技能，才能盡可能地減少誤差。

電工電子測量系統的推廣，對整個電子技術及其相關領域都起到了巨大的推動作用，它不僅能應用于科學研究，而且也能應用于所有的工程學及醫學等多方面。

1.2 單位

為了表示某物理量的數量，必須有與該物理量相同種類的比較基準，這個基準量稱為單位。求取某物理量是基準單位的多少倍的操作稱為測量，完成這種操作的裝置就是測量器具，也就是通常所說的儀器、儀表或工具。

同一物理量通常有許多單位，如長度的單位有公里、千米、米、分米、厘米、毫米等，國際上為便于研究各物理量，國際計量委員會對各物理量進行了統一的制定，即國際單位制（SI制）。

國際單位制有7個基本單位和兩個輔助單位，其余各物理量都是由基本單位導出的，如表1.1所示。表1.2列出了國際單位制的十進制倍數和分數的詞頭。電工電子常用的測量單位符號如表1.3所示。

例如，電阻的單位為歐姆，簡稱歐，用Ω表示，計算公式為電阻（Ω）=電壓（V）/電流（A），常用其他倍數為：1MΩ= 103 kΩ= 106 Ω。

1.3 測量的基本方法

對一個電量的測量可通過不同的方法來實現，每種方法既有優點又有缺點，因此測量時須采取適合測量目的的方法，使得測量結果的可信度和準確度提高。電工電子測量常用的測量方法有以下3種。

① 直接測量法。由測量儀表直接獲得被測量值的方法，稱為直接測量法。例如，用萬用表測電壓值、電流值、電阻值等。

② 間接測量法。測量結果須經過計算求取被測量的方法，稱為間接測量法。

③ 比較測量法。測量時先測出與被測量有關的電量，然后通過計算求得被測量數值的方法，稱為比較測量法。

下面以電阻測量為例，對前兩種測量方法加以具體說明，比較測量法參見第7章電橋測量電阻的有關內容。

用萬用表的歐姆擋測量電阻值時，其數值可在萬用表的刻度盤上直接顯示出來，如圖1.1（a）所示。間接測量法如圖1.1（b）所示，同樣還是測某個電阻的阻值，通過測量電阻兩端的電壓V和流過電阻中的電流I，由公式R=V/I計算出電阻值。

在實際測量中，選擇何種測量方法，主要取決于測量方法的使用便利程度和對誤差的要求等因素。

1.4 數據處理

1.4.1 數據的顯示

使用常見儀器、儀表測量時，數據的顯示方式有模擬顯示、數字顯示和圖形顯示3種。

測量數據用指針的運動或偏轉角度來顯示的稱為模擬顯示，如圖1.2（a）所示；測量數據直接用數字來顯示的稱為數字顯示，如圖1.2（b）所示；測量數據用掃描波形圖來顯示的稱為圖形顯示，如圖1.2（c）所示。這3種顯示方式的優缺點如表1.4所示。

1.4.2 數據的表示

數據通常用數字或圖形來表示。圖形可以在圖形顯示屏上直接顯示出來，也可通過對實驗數據進行描點作圖而得出。用數字表示的測量結果包含兩個部分：數值和單位，如2.5V、10mA和4.7kΩ等。沒有注明單位的測量結果是毫無意義的。

數據處理，就是從測量所得到的數據中獲得最佳估計數字，并計算出其準確程度。

1.5 誤差分析與消除

真值是被測量在特定時間和環境下的數值，通常是指按照定義在規定條件下得到的測量值。測量時即使釆用精度最高的測量器具，并且沒有人為錯誤，要測得真值也是不可能的。這是由于科學水平的限制，如測量器具本身在制作時就不可能與真值完全一致，更何況人們在測量時還可能引起其他的差錯。因此，實驗中測得的數值和客觀真值并不一致，這樣就會產生誤差。誤差自始至終存在于一切科學實驗和測量過程之中，這就是誤差公理。為了獲得準確度高的測量結果，盡量排除或減小各種誤差是非常重要的。誤差常有以下幾種類型。

1. 理論誤差

由于依據的理論不嚴密或計算公式過于簡化等原因，導致測量值與真值有差別，這種誤差稱為理論誤差。

2. 儀器誤差

儀器誤差是指由于儀器本身因電氣或機械結構不完善而引起的特有誤差。它包含了儀表制造廠商所保證的誤差及使用年限所附加的偏差，如磁電系儀表運動部分的摩擦阻力、儀表測量前未調零、指針式儀表的非線性刻度引起的誤差等，如圖1.3所示。這種誤差可通過合理的設計測量步驟、定期調整和適當地校正裝置校驗后，獲得校正因數或校正表來加以校正，即可以最大程度地消除該誤差。

3. 人為誤差

由于測量者的分辨力、疲勞程度、固有習慣及對儀器的安裝、調節、使用不當等原因，由測量者錯誤讀取讀數或錯誤記載數據等人為疏忽所引起誤差，稱為人為誤差，如圖1.4所示。

為了避免人為誤差，必須由測試人員細心地讀取和記錄讀數，并對待測的量再做兩三次或更多次的測量，求取平均數，以消除誤差。同時，在測量中，應嚴格按照技術規范使用儀器，并且不斷提高實驗技巧，以盡量減少或消除人為誤差。

1.6 電工電子儀器儀表使用常識

近代電工電子技術的高速發展，使得電工電子測量儀器儀表也得到迅速發展，其品種和功能越來越多，應用面越來越廣，更新速度越來越快。因此，為了提高其可靠性，降低故障率，確保其正常工作，并使其處于良好的備用狀態，正確使用、維護、保管儀器，定期校準，使其性能保持或接近出廠時的技術指標，是充分發揮電工電子測量儀器效益的前提和保證。

電工電子測量儀器發生故障往往是由于電、熱、氧化、腐蝕及潮濕等，使個別元器件、接點、接線等出現故障，從而導致整機不能工作。為了減少故障，確保儀器的正常使用和使用者的人身安全，保證測量的準確度，延長儀器的使用壽命，必須做好電工電子儀器的正確使用和日常維護。

1.6.1 儀器使用常識

電工電子測量儀器使用不當，輕者影響測量工作或導致數據的誤測，重者將造成儀器的損壞。各種儀器的用途不同，使用方法也各異，即使同類儀器，型號不一，其使用方法也不盡相同。為此，必須掌握以下使用常識。

1. 開機前注意事項

① 檢查供電電壓與儀器的工作電壓是否相符，檢查儀器的電源電壓變換裝置是否放置在相應電壓值的部位。

目前國產電工電子儀器電源大多采用交流220V電壓，而進口儀器使用的電源常有交流110V、交流127V和交流220V 3種。當供電電源與儀器的輸入電壓不相符時，應通過電源變換裝置（大部分儀器本身帶有）進行轉換。

② 開機通電前，應檢查儀器面板上的各種開關、按鍵、旋鈕、度盤等是否完好，對面板上的重要調節旋鈕，如“輝度”、“增益”、“音量”及“調制”等，應置于最小位置，防止儀器通電后可能出現的沖擊現象，造成儀器損壞或失常。

③ 在被測量值未能估計的情況下，應將儀器的“量程”、“衰減”等放在較大擋位，以免儀器過載而受損。

④ 注意儀器的接地是否良好。若被測電路采用“熱地板”，儀器必須要通過隔離變壓器來連接；而多臺儀器進行聯用時，應使用金屬編織線作為各臺儀器的接地連線，以避免雜散電磁場的干擾和漏電現象的發生。

2. 開機時注意事項

① 儀器接通電源，開機后發現有異常情況應立即關機檢查。例如，打火、冒煙、有糊味、有較大的“嗡嗡”聲等，在未查明故障原因前，不要再通電使用，以免故障擴大。

② 部分儀器通電后，需要預熱5～10分鐘，等待電路工作穩定后再進行繼續操作和使用。

3. 測試時注意事項

① 各量程選擇開關（旋鈕）應置于合適的位置，部分選擇開關不能在帶電的情況下轉換。

② 輸入（或輸出）端子的接線極性（高、低電位）要正確，接線方式（串、并聯）要正確。

③ 在進行測試探針與測試點臨時接觸性測量時，應注意控制探針的滑動，并注意不要使附近的其他電路短路，應在手穩和顯示穩定后，再讀取有關數據。

4. 關機時注意事項

① 儀器使用完畢后，應先切斷儀器的電源開關，然后再拔下儀器的電源線插頭。

② 儀器使用完畢后，將“量程”、“衰減”等功能旋鈕放置在最大位置，“輝度”、“增益”、“對比度”、“輸出幅度”等控制旋鈕放置在最小位置。

③ 儀器使用完畢后，應將使用過程中取出的附件，如表筆、測試探頭、插件等恢復原位，以免散失或錯配。

1.6.2 儀器日常維護

電工電子測量儀器日常維護的內容主要有以下幾個方面。

1. 技術文件及資料的保管

技術文件及資料包括儀器的技術說明書、技術參數、測試條件和數據等，它可以幫助人們了解儀器的基本情況、技術性能和正確的使用方法等。做好這項保管工作，將有助于保證儀器的正常使用。

2. 注意防塵

由于灰塵具有吸濕性，當儀器內積滿灰塵時，儀器的工作性能會受到破壞，甚至可造成儀器損壞。應配備防塵罩且平時注意保持清潔。

3. 防腐、防潮

應避免酸、堿等有腐蝕性的物質靠近儀器，更不能用它們來清洗儀器。潮氣會使儀器內部的元器件或電路絕緣性能下降，還會使金屬部件生銹。因此，儀器應放在通風良好、陽光充足、遠離化學物品、干燥的房間內保管或使用。對于電池供電的儀器、儀表，長期不用時，應取出電池另放，防止電解液泄漏。

4. 防振動

搬動儀器時，應輕拿輕放，避免劇烈振動或碰撞。在儀器工作臺上，嚴禁安裝電動工具或有劇烈振動的工具及設備。

5. 防漏電

由于大多數的電工電子儀器都使用交流電源供電，因此，防漏電是一項關系到人機安全的重要維護措施。

防漏電的具體措施是采用三芯插頭及插座，且必須有良好的接地系統。一般規定，其最小允許絕緣電阻不得小于500kΩ，否則應禁止使用，并應予以檢修。

6. 定期檢查

保管的儀器應定期檢查，內容包括外觀檢查和檢查附件是否齊全；檢查儀器面板上的按鍵、旋鈕、開關、接線柱等是否有松動、損壞等；檢查表頭是否卡針等；通電檢查，并觀察儀器的基本功能是否正常。通過定期檢查，以便及時發現問題。

1.7 怎樣做好實訓

眾所周知，要學好電工電子技術，就必須進行大量的實訓，并且從直接的實訓結果去總結知識，進而掌握知識。通過實訓，可以體會如何探究問題，熟練掌握基本知識、基本方法和基本技能，學習電工電子常用工具與儀器儀表的原理和使用，學習物理量的測量方法。這對于提高技術能力和動手能力是十分重要的。

認真做好實訓，可以培養嚴肅、認真、實事求是的科學態度，養成良好的工作作風。因此，應當做好以下幾點。

（1）實訓前做好充分準備

① 實訓前要做好預習，應該認真、仔細地閱讀實訓內容。

② 明確實訓目的，弄懂實訓原理。

③ 明確所用儀器儀表裝置，弄清操作步驟及注意事項。

④ 明確實訓報告需要填寫的內容。

（2）實訓中應正確地操作、觀察和記錄數據

① 實訓過程中，在人機安全的前提下，要手腦并用，不能機械地按規定實訓步驟操作，更不能看一步做一步，而應該做到手到、眼到及心到。

② 要了解儀器儀表及工具的性能、規格、使用方法；要仔細安裝和調試實訓裝置，使之符合實訓條件。

③ 操作中要正確地使用儀器儀表或工具。

④ 要仔細觀察和記錄原始數據或描圖，并注意標明單位。

（3）實訓后要正確分析和處理數據，填好實訓報告

① 實訓后首先要對實訓器材仔細整理，并妥善保管。

② 要對得到的實訓數據進行仔細的分析、計算和處理，得出合理的結論，并填寫在實訓報告中。

③ 還要根據實際情況，簡述實訓原理和實訓步驟，并進行誤差分析。

實訓1 體驗訓練

參觀學習電工電子實驗室

1.實訓目的

（1）了解電工電子實驗室的各種設備或儀器、儀表。

（2）了解電工電子實驗室的各種工具。

（3）了解實驗室的要求及室內布局。

（4）了解實驗室各種設備或儀器、儀表的存放和保管。

2.實訓器材

電工、電子實驗室內的各種設備、儀器、儀表和工具等。

3.實訓內容與步驟

（1）指導老師向學生講解進入實驗室的規章制度、座次方法、登記方案和注意事項等。

（2）參觀實驗室內的各種設備、儀器、儀表和工具。

（3）觀察各儀器、儀表和工具的保管方法和堆放方式。

4.填寫實訓報告

（1）談談參觀電工電子實驗室后的收獲與體會。

（2）寫出看到的設備、儀器、儀表和工具的名稱。

本章小結

1. 電工電子測量是以電工基礎知識和電子技術為依據，借助于電工電子儀器和設備，掌握對電量和非電量進行測量的方法。

2. 測量數據應注明單位，沒有注明單位的測量結果都是毫無意義的。同一物理量有許多單位，通常采用國際單位制（SI）。國際單位制有7個基本單位和兩個輔助單位，其余各物理量都是由基本單位導出的。

3. 電工電子測量的基本方法分為直接測量法、間接測量法和比較測量法3種。

4. 數據的處理主要包括數據的顯示和數據的表示。數據的顯示有模擬顯示、數字顯示和圖形顯示等；數據的表示通常用數字或圖形來記錄。

5. 誤差是指被測量值與真值之間的差異。誤差常有理論誤差、儀器誤差和人為誤差等幾種。雖然各種誤差會客觀存在，但應盡量減少或避免。

6. 電工電子的測量儀器、儀表，在使用前一定要掌握其使用常識；在使用時一定要規范操作；在日常維護時，一定要懂得各項注意事項。

思考與練習

1. 簡述電工電子測量的重要性。

2. 國際單位制中有哪幾個基本單位和輔助單位？并寫出它的量符號和單位符號。

3. 電工電子常采用哪幾種測量方法？并簡述之。

4. 數據的顯示及表示常有哪幾種方法？

5. 誤差常有哪幾種類型？舉例說明怎樣減少或消除誤差。

6. 簡述儀器的基本使用常識。

7. 簡述怎樣做好實訓。