第1章 电工电子测量基础知识
1.1 概述
通常所说的电子信息技术包括3个支柱：信息的获取——电子测量技术，信息的传输——电子通信技术，信息的处理——电子计算机技术。显然，如果没有对原始数据准确、可靠的测量，则对任何信息的转换、处理和传输都将失去实际意义。因此，电子测量技术是电子信息产业基础中的基础。
测量是人们通过实验的方法，使用各种仪表测量不同的物理量，将未知量与公认的同类标准量进行比较，从而确定其数量的认识过程。通过测量，人们可以揭示事物内部的奥秘，可以定量、定性地认识和发现事物的普遍性和特殊性的规律，进而推动和完善科学技术理论的进一步发展。
电工电子测量是测量的一个重要分支。电工电子测量就是将被测的电量、磁量或电路参数与同类标准量（真值）进行比较，从而确定被测量大小的过程。大多数物理量都能借助转换器改变为电量，之后便可以使用电子仪器、仪表加以测量。在测量中，除了应根据测量对象正确选择和使用电子仪器、仪表外，还必须采取合理的测量方法和步骤，掌握正确的操作技能，才能尽可能地减少误差。
电工电子测量系统的推广，对整个电子技术及其相关领域都起到了巨大的推动作用，它不仅能应用于科学研究，而且也能应用于所有的工程学及医学等多方面。
1.2 单位
为了表示某物理量的数量，必须有与该物理量相同种类的比较基准，这个基准量称为单位。求取某物理量是基准单位的多少倍的操作称为测量，完成这种操作的装置就是测量器具，也就是通常所说的仪器、仪表或工具。
同一物理量通常有许多单位，如长度的单位有公里、千米、米、分米、厘米、毫米等，国际上为便于研究各物理量，国际计量委员会对各物理量进行了统一的制定，即国际单位制（SI制）。
国际单位制有7个基本单位和两个辅助单位，其余各物理量都是由基本单位导出的，如表1.1所示。表1.2列出了国际单位制的十进制倍数和分数的词头。电工电子常用的测量单位符号如表1.3所示。
表1.1 国际单位制（SI制）
表1.2 国际单位制的十进制倍数和分数的词头
例如，电阻的单位为欧姆，简称欧，用Ω表示，计算公式为电阻（Ω）=电压（V）/电流（A），常用其他倍数为：1MΩ= 103 kΩ= 106 Ω。
表1.3 常用的测量单位符号
1.3 测量的基本方法
对一个电量的测量可通过不同的方法来实现，每种方法既有优点又有缺点，因此测量时须采取适合测量目的的方法，使得测量结果的可信度和准确度提高。电工电子测量常用的测量方法有以下3种。
① 直接测量法。由测量仪表直接获得被测量值的方法，称为直接测量法。例如，用万用表测电压值、电流值、电阻值等。
② 间接测量法。测量结果须经过计算求取被测量的方法，称为间接测量法。
③ 比较测量法。测量时先测出与被测量有关的电量，然后通过计算求得被测量数值的方法，称为比较测量法。
下面以电阻测量为例，对前两种测量方法加以具体说明，比较测量法参见第7章电桥测量电阻的有关内容。
用万用表的欧姆挡测量电阻值时，其数值可在万用表的刻度盘上直接显示出来，如图1.1（a）所示。间接测量法如图1.1（b）所示，同样还是测某个电阻的阻值，通过测量电阻两端的电压V和流过电阻中的电流I，由公式R=V/I计算出电阻值。
图1.1 电阻的直接测量法和间接测量法
在实际测量中，选择何种测量方法，主要取决于测量方法的使用便利程度和对误差的要求等因素。
1.4 数据处理
1.4.1 数据的显示
使用常见仪器、仪表测量时，数据的显示方式有模拟显示、数字显示和图形显示3种。
测量数据用指针的运动或偏转角度来显示的称为模拟显示，如图1.2（a）所示；测量数据直接用数字来显示的称为数字显示，如图1.2（b）所示；测量数据用扫描波形图来显示的称为图形显示，如图1.2（c）所示。这3种显示方式的优缺点如表1.4所示。
表1.4 3种显示方式的优缺点
图1.2 数据的显示
1.4.2 数据的表示
数据通常用数字或图形来表示。图形可以在图形显示屏上直接显示出来，也可通过对实验数据进行描点作图而得出。用数字表示的测量结果包含两个部分：数值和单位，如2.5V、10mA和4.7kΩ等。没有注明单位的测量结果是毫无意义的。
数据处理，就是从测量所得到的数据中获得最佳估计数字，并计算出其准确程度。
1.5 误差分析与消除
真值是被测量在特定时间和环境下的数值，通常是指按照定义在规定条件下得到的测量值。测量时即使釆用精度最高的测量器具，并且没有人为错误，要测得真值也是不可能的。这是由于科学水平的限制，如测量器具本身在制作时就不可能与真值完全一致，更何况人们在测量时还可能引起其他的差错。因此，实验中测得的数值和客观真值并不一致，这样就会产生误差。误差自始至终存在于一切科学实验和测量过程之中，这就是误差公理。为了获得准确度高的测量结果，尽量排除或减小各种误差是非常重要的。误差常有以下几种类型。
1. 理论误差
由于依据的理论不严密或计算公式过于简化等原因，导致测量值与真值有差别，这种误差称为理论误差。
2. 仪器误差
仪器误差是指由于仪器本身因电气或机械结构不完善而引起的特有误差。它包含了仪表制造厂商所保证的误差及使用年限所附加的偏差，如磁电系仪表运动部分的摩擦阻力、仪表测量前未调零、指针式仪表的非线性刻度引起的误差等，如图1.3所示。这种误差可通过合理的设计测量步骤、定期调整和适当地校正装置校验后，获得校正因数或校正表来加以校正，即可以最大程度地消除该误差。
图1.3 仪器误差
3. 人为误差
由于测量者的分辨力、疲劳程度、固有习惯及对仪器的安装、调节、使用不当等原因，由测量者错误读取读数或错误记载数据等人为疏忽所引起误差，称为人为误差，如图1.4所示。
图1.4 人为误差
为了避免人为误差，必须由测试人员细心地读取和记录读数，并对待测的量再做两三次或更多次的测量，求取平均数，以消除误差。同时，在测量中，应严格按照技术规范使用仪器，并且不断提高实验技巧，以尽量减少或消除人为误差。
1.6 电工电子仪器仪表使用常识
近代电工电子技术的高速发展，使得电工电子测量仪器仪表也得到迅速发展，其品种和功能越来越多，应用面越来越广，更新速度越来越快。因此，为了提高其可靠性，降低故障率，确保其正常工作，并使其处于良好的备用状态，正确使用、维护、保管仪器，定期校准，使其性能保持或接近出厂时的技术指标，是充分发挥电工电子测量仪器效益的前提和保证。
电工电子测量仪器发生故障往往是由于电、热、氧化、腐蚀及潮湿等，使个别元器件、接点、接线等出现故障，从而导致整机不能工作。为了减少故障，确保仪器的正常使用和使用者的人身安全，保证测量的准确度，延长仪器的使用寿命，必须做好电工电子仪器的正确使用和日常维护。
1.6.1 仪器使用常识
电工电子测量仪器使用不当，轻者影响测量工作或导致数据的误测，重者将造成仪器的损坏。各种仪器的用途不同，使用方法也各异，即使同类仪器，型号不一，其使用方法也不尽相同。为此，必须掌握以下使用常识。
1. 开机前注意事项
① 检查供电电压与仪器的工作电压是否相符，检查仪器的电源电压变换装置是否放置在相应电压值的部位。
目前国产电工电子仪器电源大多采用交流220V电压，而进口仪器使用的电源常有交流110V、交流127V和交流220V 3种。当供电电源与仪器的输入电压不相符时，应通过电源变换装置（大部分仪器本身带有）进行转换。
② 开机通电前，应检查仪器面板上的各种开关、按键、旋钮、度盘等是否完好，对面板上的重要调节旋钮，如“辉度”、“增益”、“音量”及“调制”等，应置于最小位置，防止仪器通电后可能出现的冲击现象，造成仪器损坏或失常。
③ 在被测量值未能估计的情况下，应将仪器的“量程”、“衰减”等放在较大挡位，以免仪器过载而受损。
④ 注意仪器的接地是否良好。若被测电路采用“热地板”，仪器必须要通过隔离变压器来连接；而多台仪器进行联用时，应使用金属编织线作为各台仪器的接地连线，以避免杂散电磁场的干扰和漏电现象的发生。
2. 开机时注意事项
① 仪器接通电源，开机后发现有异常情况应立即关机检查。例如，打火、冒烟、有糊味、有较大的“嗡嗡”声等，在未查明故障原因前，不要再通电使用，以免故障扩大。
② 部分仪器通电后，需要预热5～10分钟，等待电路工作稳定后再进行继续操作和使用。
3. 测试时注意事项
① 各量程选择开关（旋钮）应置于合适的位置，部分选择开关不能在带电的情况下转换。
② 输入（或输出）端子的接线极性（高、低电位）要正确，接线方式（串、并联）要正确。
③ 在进行测试探针与测试点临时接触性测量时，应注意控制探针的滑动，并注意不要使附近的其他电路短路，应在手稳和显示稳定后，再读取有关数据。
4. 关机时注意事项
① 仪器使用完毕后，应先切断仪器的电源开关，然后再拔下仪器的电源线插头。
② 仪器使用完毕后，将“量程”、“衰减”等功能旋钮放置在最大位置，“辉度”、“增益”、“对比度”、“输出幅度”等控制旋钮放置在最小位置。
③ 仪器使用完毕后，应将使用过程中取出的附件，如表笔、测试探头、插件等恢复原位，以免散失或错配。
1.6.2 仪器日常维护
电工电子测量仪器日常维护的内容主要有以下几个方面。
1. 技术文件及资料的保管
技术文件及资料包括仪器的技术说明书、技术参数、测试条件和数据等，它可以帮助人们了解仪器的基本情况、技术性能和正确的使用方法等。做好这项保管工作，将有助于保证仪器的正常使用。
2. 注意防尘
由于灰尘具有吸湿性，当仪器内积满灰尘时，仪器的工作性能会受到破坏，甚至可造成仪器损坏。应配备防尘罩且平时注意保持清洁。
3. 防腐、防潮
应避免酸、碱等有腐蚀性的物质靠近仪器，更不能用它们来清洗仪器。潮气会使仪器内部的元器件或电路绝缘性能下降，还会使金属部件生锈。因此，仪器应放在通风良好、阳光充足、远离化学物品、干燥的房间内保管或使用。对于电池供电的仪器、仪表，长期不用时，应取出电池另放，防止电解液泄漏。
4. 防振动
搬动仪器时，应轻拿轻放，避免剧烈振动或碰撞。在仪器工作台上，严禁安装电动工具或有剧烈振动的工具及设备。
5. 防漏电
由于大多数的电工电子仪器都使用交流电源供电，因此，防漏电是一项关系到人机安全的重要维护措施。
防漏电的具体措施是采用三芯插头及插座，且必须有良好的接地系统。一般规定，其最小允许绝缘电阻不得小于500kΩ，否则应禁止使用，并应予以检修。
6. 定期检查
保管的仪器应定期检查，内容包括外观检查和检查附件是否齐全；检查仪器面板上的按键、旋钮、开关、接线柱等是否有松动、损坏等；检查表头是否卡针等；通电检查，并观察仪器的基本功能是否正常。通过定期检查，以便及时发现问题。
1.7 怎样做好实训
众所周知，要学好电工电子技术，就必须进行大量的实训，并且从直接的实训结果去总结知识，进而掌握知识。通过实训，可以体会如何探究问题，熟练掌握基本知识、基本方法和基本技能，学习电工电子常用工具与仪器仪表的原理和使用，学习物理量的测量方法。这对于提高技术能力和动手能力是十分重要的。
认真做好实训，可以培养严肃、认真、实事求是的科学态度，养成良好的工作作风。因此，应当做好以下几点。
（1）实训前做好充分准备
① 实训前要做好预习，应该认真、仔细地阅读实训内容。
② 明确实训目的，弄懂实训原理。
③ 明确所用仪器仪表装置，弄清操作步骤及注意事项。
④ 明确实训报告需要填写的内容。
（2）实训中应正确地操作、观察和记录数据
① 实训过程中，在人机安全的前提下，要手脑并用，不能机械地按规定实训步骤操作，更不能看一步做一步，而应该做到手到、眼到及心到。
② 要了解仪器仪表及工具的性能、规格、使用方法；要仔细安装和调试实训装置，使之符合实训条件。
③ 操作中要正确地使用仪器仪表或工具。
④ 要仔细观察和记录原始数据或描图，并注意标明单位。
（3）实训后要正确分析和处理数据，填好实训报告
① 实训后首先要对实训器材仔细整理，并妥善保管。
② 要对得到的实训数据进行仔细的分析、计算和处理，得出合理的结论，并填写在实训报告中。
③ 还要根据实际情况，简述实训原理和实训步骤，并进行误差分析。
实训1 体验训练
参观学习电工电子实验室
1.实训目的
（1）了解电工电子实验室的各种设备或仪器、仪表。
（2）了解电工电子实验室的各种工具。
（3）了解实验室的要求及室内布局。
（4）了解实验室各种设备或仪器、仪表的存放和保管。
2.实训器材
电工、电子实验室内的各种设备、仪器、仪表和工具等。
3.实训内容与步骤
（1）指导老师向学生讲解进入实验室的规章制度、座次方法、登记方案和注意事项等。
（2）参观实验室内的各种设备、仪器、仪表和工具。
（3）观察各仪器、仪表和工具的保管方法和堆放方式。
4.填写实训报告
（1）谈谈参观电工电子实验室后的收获与体会。
（2）写出看到的设备、仪器、仪表和工具的名称。
本章小结
1. 电工电子测量是以电工基础知识和电子技术为依据，借助于电工电子仪器和设备，掌握对电量和非电量进行测量的方法。
2. 测量数据应注明单位，没有注明单位的测量结果都是毫无意义的。同一物理量有许多单位，通常采用国际单位制（SI）。国际单位制有7个基本单位和两个辅助单位，其余各物理量都是由基本单位导出的。
3. 电工电子测量的基本方法分为直接测量法、间接测量法和比较测量法3种。
4. 数据的处理主要包括数据的显示和数据的表示。数据的显示有模拟显示、数字显示和图形显示等；数据的表示通常用数字或图形来记录。
5. 误差是指被测量值与真值之间的差异。误差常有理论误差、仪器误差和人为误差等几种。虽然各种误差会客观存在，但应尽量减少或避免。
6. 电工电子的测量仪器、仪表，在使用前一定要掌握其使用常识；在使用时一定要规范操作；在日常维护时，一定要懂得各项注意事项。
思考与练习
1. 简述电工电子测量的重要性。
2. 国际单位制中有哪几个基本单位和辅助单位？并写出它的量符号和单位符号。
3. 电工电子常采用哪几种测量方法？并简述之。
4. 数据的显示及表示常有哪几种方法？
5. 误差常有哪几种类型？举例说明怎样减少或消除误差。
6. 简述仪器的基本使用常识。
7. 简述怎样做好实训。