第1章 電工電子測量基礎(chǔ)知識

1.1 概述

通常所說的電子信息技術(shù)包括3個支柱：信息的獲取——電子測量技術(shù)，信息的傳輸——電子通信技術(shù)，信息的處理——電子計算機(jī)技術(shù)。顯然，如果沒有對原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠的測量，則對任何信息的轉(zhuǎn)換、處理和傳輸都將失去實際意義。因此，電子測量技術(shù)是電子信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。

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(rèn)的同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定其數(shù)量的認(rèn)識過程。通過測量，人們可以揭示事物內(nèi)部的奧秘，可以定量、定性地認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)事物的普遍性和特殊性的規(guī)律，進(jìn)而推動和完善科學(xué)技術(shù)理論的進(jìn)一步發(fā)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(shù)與同類標(biāo)準(zhǔn)量（真值）進(jìn)行比較，從而確定被測量大小的過程。大多數(shù)物理量都能借助轉(zhuǎn)換器改變?yōu)殡娏浚蟊憧梢允褂秒娮觾x器、儀表加以測量。在測量中，除了應(yīng)根據(jù)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(tǒng)的推廣，對整個電子技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域都起到了巨大的推動作用，它不僅能應(yīng)用于科學(xué)研究，而且也能應(yīng)用于所有的工程學(xué)及醫(yī)學(xué)等多方面。

1.2 單位

為了表示某物理量的數(shù)量，必須有與該物理量相同種類的比較基準(zhǔn)，這個基準(zhǔn)量稱為單位。求取某物理量是基準(zhǔn)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(jìn)行了統(tǒng)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(dǎo)出的，如表1.1所示。表1.2列出了國際單位制的十進(jìn)制倍數(shù)和分?jǐn)?shù)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(shù)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(xiàn)，每種方法既有優(yōu)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(jié)果的可信度和準(zhǔn)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(jié)果須經(jīng)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(guān)的電量，然后通過計算求得被測量數(shù)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(guān)內(nèi)容。

用萬用表的歐姆擋測量電阻值時，其數(shù)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(shù)據(jù)處理

1.4.1 數(shù)據(jù)的顯示

使用常見儀器、儀表測量時，數(shù)據(jù)的顯示方式有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖形顯示3種。

測量數(shù)據(jù)用指針的運(yùn)動或偏轉(zhuǎn)角度來顯示的稱為模擬顯示，如圖1.2（a）所示；測量數(shù)據(jù)直接用數(shù)字來顯示的稱為數(shù)字顯示，如圖1.2（b）所示；測量數(shù)據(jù)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(yōu)缺點如表1.4所示。

1.4.2 數(shù)據(jù)的表示

數(shù)據(jù)通常用數(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行描點作圖而得出。用數(shù)字表示的測量結(jié)果包含兩個部分：數(shù)值和單位，如2.5V、10mA和4.7kΩ等。沒有注明單位的測量結(jié)果是毫無意義的。

數(shù)據(jù)處理，就是從測量所得到的數(shù)據(jù)中獲得最佳估計數(shù)字，并計算出其準(zhǔn)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(huán)境下的數(shù)值，通常是指按照定義在規(guī)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(xué)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(shù)值和客觀真值并不一致，這樣就會產(chǎn)生誤差。誤差自始至終存在于一切科學(xué)實驗和測量過程之中，這就是誤差公理。為了獲得準(zhǔn)確度高的測量結(jié)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(jù)的理論不嚴(yán)密或計算公式過于簡化等原因，導(dǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(yùn)動部分的摩擦阻力、儀表測量前未調(diào)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(shè)計測量步驟、定期調(diào)整和適當(dāng)?shù)匦Ｕb置校驗后，獲得校正因數(shù)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(xí)慣及對儀器的安裝、調(diào)節(jié)、使用不當(dāng)?shù)仍颍蓽y量者錯誤讀取讀數(shù)或錯誤記載數(shù)據(jù)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(xì)心地讀取和記錄讀數(shù)，并對待測的量再做兩三次或更多次的測量，求取平均數(shù)，以消除誤差。同時，在測量中，應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)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(shù)的高速發(fā)展，使得電工電子測量儀器儀表也得到迅速發(fā)展，其品種和功能越來越多，應(yīng)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(tài)，正確使用、維護(hù)、保管儀器，定期校準(zhǔn)，使其性能保持或接近出廠時的技術(shù)指標(biāo)，是充分發(fā)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(fā)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(xiàn)故障，從而導(dǎo)致整機(jī)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(zhǔn)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(hù)。

1.6.1 儀器使用常識

電工電子測量儀器使用不當(dāng)，輕者影響測量工作或?qū)е聰?shù)據(jù)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(jī)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(yīng)電壓值的部位。

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

② 開機(jī)通電前，應(yīng)檢查儀器面板上的各種開關(guān)、按鍵、旋鈕、度盤等是否完好，對面板上的重要調(diào)節(jié)旋鈕，如“輝度”、“增益”、“音量”及“調(diào)制”等，應(yīng)置于最小位置，防止儀器通電后可能出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)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(yīng)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(jìn)行聯(lián)用時，應(yīng)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(xiàn)象的發(fā)生。

2. 開機(jī)時注意事項

① 儀器接通電源，開機(jī)后發(fā)現(xiàn)有異常情況應(yīng)立即關(guān)機(jī)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(kuò)大。

② 部分儀器通電后，需要預(yù)熱5～10分鐘，等待電路工作穩(wěn)定后再進(jìn)行繼續(xù)操作和使用。

3. 測試時注意事項

① 各量程選擇開關(guān)（旋鈕）應(yīng)置于合適的位置，部分選擇開關(guān)不能在帶電的情況下轉(zhuǎn)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(lián)）要正確。

③ 在進(jìn)行測試探針與測試點臨時接觸性測量時，應(yīng)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(yīng)在手穩(wěn)和顯示穩(wěn)定后，再讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。

4. 關(guān)機(jī)時注意事項

① 儀器使用完畢后，應(yīng)先切斷儀器的電源開關(guān)，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(yīng)將使用過程中取出的附件，如表筆、測試探頭、插件等恢復(fù)原位，以免散失或錯配。

1.6.2 儀器日常維護(hù)

電工電子測量儀器日常維護(hù)的內(nèi)容主要有以下幾個方面。

1. 技術(shù)文件及資料的保管

技術(shù)文件及資料包括儀器的技術(shù)說明書、技術(shù)參數(shù)、測試條件和數(shù)據(jù)等，它可以幫助人們了解儀器的基本情況、技術(shù)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(dāng)儀器內(nèi)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(yīng)配備防塵罩且平時注意保持清潔。

3. 防腐、防潮

應(yīng)避免酸、堿等有腐蝕性的物質(zhì)靠近儀器，更不能用它們來清洗儀器。潮氣會使儀器內(nèi)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(yīng)放在通風(fēng)良好、陽光充足、遠(yuǎn)離化學(xué)物品、干燥的房間內(nèi)保管或使用。對于電池供電的儀器、儀表，長期不用時，應(yīng)取出電池另放，防止電解液泄漏。

4. 防振動

搬動儀器時，應(yīng)輕拿輕放，避免劇烈振動或碰撞。在儀器工作臺上，嚴(yán)禁安裝電動工具或有劇烈振動的工具及設(shè)備。

5. 防漏電

由于大多數(shù)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(guān)系到人機(jī)安全的重要維護(hù)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(tǒng)。一般規(guī)定，其最小允許絕緣電阻不得小于500kΩ，否則應(yīng)禁止使用，并應(yīng)予以檢修。

6. 定期檢查

保管的儀器應(yīng)定期檢查，內(nèi)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(guān)、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(fā)現(xiàn)問題。

1.7 怎樣做好實訓(xùn)

眾所周知，要學(xué)好電工電子技術(shù)，就必須進(jìn)行大量的實訓(xùn)，并且從直接的實訓(xùn)結(jié)果去總結(jié)知識，進(jìn)而掌握知識。通過實訓(xùn)，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(xué)習(xí)電工電子常用工具與儀器儀表的原理和使用，學(xué)習(xí)物理量的測量方法。這對于提高技術(shù)能力和動手能力是十分重要的。

認(rèn)真做好實訓(xùn)，可以培養(yǎng)嚴(yán)肅、認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度，養(yǎng)成良好的工作作風(fēng)。因此，應(yīng)當(dāng)做好以下幾點。

（1）實訓(xùn)前做好充分準(zhǔn)備

① 實訓(xùn)前要做好預(yù)習(xí)，應(yīng)該認(rèn)真、仔細(xì)地閱讀實訓(xùn)內(nèi)容。

② 明確實訓(xùn)目的，弄懂實訓(xùn)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(xùn)報告需要填寫的內(nèi)容。

（2）實訓(xùn)中應(yīng)正確地操作、觀察和記錄數(shù)據(jù)

① 實訓(xùn)過程中，在人機(jī)安全的前提下，要手腦并用，不能機(jī)械地按規(guī)定實訓(xùn)步驟操作，更不能看一步做一步，而應(yīng)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(guī)格、使用方法；要仔細(xì)安裝和調(diào)試實訓(xùn)裝置，使之符合實訓(xùn)條件。

③ 操作中要正確地使用儀器儀表或工具。

④ 要仔細(xì)觀察和記錄原始數(shù)據(jù)或描圖，并注意標(biāo)明單位。

（3）實訓(xùn)后要正確分析和處理數(shù)據(jù)，填好實訓(xùn)報告

① 實訓(xùn)后首先要對實訓(xùn)器材仔細(xì)整理，并妥善保管。

② 要對得到的實訓(xùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)的分析、計算和處理，得出合理的結(jié)論，并填寫在實訓(xùn)報告中。

③ 還要根據(jù)實際情況，簡述實訓(xùn)原理和實訓(xùn)步驟，并進(jìn)行誤差分析。

實訓(xùn)1 體驗訓(xùn)練

參觀學(xué)習(xí)電工電子實驗室

1.實訓(xùn)目的

（1）了解電工電子實驗室的各種設(shè)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(nèi)布局。

（4）了解實驗室各種設(shè)備或儀器、儀表的存放和保管。

2.實訓(xùn)器材

電工、電子實驗室內(nèi)的各種設(shè)備、儀器、儀表和工具等。

3.實訓(xùn)內(nèi)容與步驟

（1）指導(dǎo)老師向?qū)W生講解進(jìn)入實驗室的規(guī)章制度、座次方法、登記方案和注意事項等。

（2）參觀實驗室內(nèi)的各種設(shè)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(xùn)報告

（1）談?wù)剠⒂^電工電子實驗室后的收獲與體會。

（2）寫出看到的設(shè)備、儀器、儀表和工具的名稱。

本章小結(jié)

1. 電工電子測量是以電工基礎(chǔ)知識和電子技術(shù)為依據(jù)，借助于電工電子儀器和設(shè)備，掌握對電量和非電量進(jìn)行測量的方法。

2. 測量數(shù)據(jù)應(yīng)注明單位，沒有注明單位的測量結(jié)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(dǎo)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(shù)據(jù)的處理主要包括數(shù)據(jù)的顯示和數(shù)據(jù)的表示。數(shù)據(jù)的顯示有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖形顯示等；數(shù)據(jù)的表示通常用數(shù)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(yīng)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(guī)范操作；在日常維護(hù)時，一定要懂得各項注意事項。

思考與練習(xí)

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(shù)據(jù)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(xùn)。