本書共8章,第1章主要介紹測量系統的構成和特性;第2章介紹誤差理論;第3章介紹常用的傳感器和差動電橋;第4章介紹集成運放和調理電路;第5章介紹了互感器、指針式電工儀表原理以及常見的絕緣預防性試驗;第6章則介紹了現代數字化電氣測量系統及其常用的算法;第7章介紹了Labview在電氣測量中應用;第8章介紹了電氣測量中典型的干擾源及其抗干擾對策。
電氣測量貫穿于電力生產和消費的每一個環節,如發電廠的有功調節、無功調節,電力系統的繼電保護,電力設備的狀態監測,用戶端電費計量和電能質量的監測等,所有這些都離不開準確可靠的電氣測量技術。電氣測量技術是電氣工程與自動化專業的一門專業核心課程。隨著電子技術的發展和數字化技術的廣泛應用,電氣測量儀器已日益電子化和數字化。
在工程實踐中,電氣測量技術與電子技術日益交叉和融合,所以上海交通大學將電氣與電子測量技術列入電氣工程與自動化本科專業的專業基礎課,2015年該課程被列入上海市重點課程,2017年被評為上海市精品課程。該課程的配套教材《電氣與電子測量技術》(第1版)于2011年由電子工業出版社出版發行。2011年以來,電力工業的發展和智能電網的建設取得了重要進展,很多舊的標準和規程被廢止,誕生了一批新的標準和規程。例如,《通用計量術語及定義》JJF 10011998版被JJF
10012011版取代,《測量不確定度的評定與表示》JJ
10591999版被JJ 1059.12012版取代,《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》已經更新到DL/T 8662015版。為了適應新的國家標準和行業規程,第1版教材中的相關內容迫切需要進行調整。
在本書的編寫過程中,我們參閱了相關文獻,對書中的內容做了科學合理的規劃,在內容安排上有以下特點:
(1)本書以現代數字化電氣測量系統的構成為主線,內容上涵蓋了傳感器、調理電路、數據采集系統和電氣測量常用算法。同時,也詳細介紹了反映測量系統的靜態特性和動態特性的技術指標。
(2)第4章的編寫中,摒棄簡單重復模電課程的普遍現象,從實際的集成運算放大產品出發,用輸入失調、CMRR、差模輸入電阻、開環放大倍數、帶寬、電壓擺率、輸入輸出電壓范圍、共模阻塞電壓等重要技術指標,來引導讀者正確理解實際的集成運放產品究竟有多么不理想,讓讀者真正掌握從測量的實際出發,正確合理地選擇和使用集成運放。
(3)第8章詳細闡述了電氣測量中的抗干擾技術,并從干擾源、耦合途徑、受擾對象、干擾的性質等諸多方面歸納總結了電氣測量中的兩種最典型的干擾模型,并提出了極富針對性的抗干擾對策。
(4)在本次修訂中,按照《測量不確定度的評定與表示》(JJ 1059.12012)推薦的方法來評估測量結果的不確定度。測量結果不確定度不僅包括多次測量所引入的A類不確定度分量,還包含由儀表誤差所引入的B類不確定度分量,兩者形成了合成不確定度。
(5)在本次修訂中,增加了保護用互感器方面的內容。電網在暫態過程中產生的過電壓和短路電流,它們分別會給電磁式電壓互感器和電磁式電流互感器帶來過高的勵磁;本書還介紹了非正弦穩態的暫態過勵問題。所有這些過勵磁疊加電磁式互感器的非線性勵磁特性,會導致電流互感器二次電流的畸變和電壓互感器的鐵磁諧振等問題。
本書由上海交通大學電氣與電子測量課程組教師共同完成。在再版編寫過程中,獲得了美國Analog Device公司大學計劃的大力支持,本教材配套的實驗也已被列入教育部產學協同協作共建項目。
羅利文,男,博士,上海交通大學電氣工程系副教授,研究領域包括電氣測量技術、光伏發電及并網技術、智能電網。
第1章 測量和測量系統基礎
1.1 測量及測量方法
1.1.1 直接測量法
1.1.2 間接測量法
1.1.3 組合測量法
1.2 現代數字化測量系統的基本構成
1.3 測量系統的靜態特性
1.3.1 零位
1.3.2 靈敏度
1.3.3 線性度
1.3.4 回程誤差
1.3.5 分辨力與分辨率
1.3.6 量程、測量范圍和動態范圍
1.4 測量系統的動態特性
1.4.1 一階系統
1.4.2 二階系統
1.4.3 動態性能指標
習題
第2章 誤差的基本理論
2.1 測量誤差的基本概念
2.1.1 測量誤差的幾個名詞術語
2.1.2 測量誤差的主要來源
2.2 表達誤差的幾種形式
2.2.1 絕對誤差
2.2.2 相對誤差
2.2.3 最大允許誤差和最大引用誤差
2.3 誤差的性質及分類
2.3.1 系統誤差
2.3.2 隨機誤差
2.3.3 粗大誤差
2.3.4 三類誤差的關系及其對測得值的影響
2.4 有效數字
2.4.1 有效數字的定義
2.4.2 四舍五入與偶數法則
2.4.3 數字的運算規則
2.5 系統誤差的校正
2.5.1 系統誤差產生的原因
2.5.2 系統誤差的減小和消除
2.6 隨機誤差的統計學處理
2.6.1 隨機誤差的產生原因
2.6.2 隨機誤差的特性
2.6.3 隨機誤差的標準差和實驗標準差
2.6.4 典型分布的置信度
2.7 粗大誤差的剔出
2.7.1 判別粗大誤差的準則
2.7.2 防止與消除粗大誤差的方法
2.8 測量不確定度及其評定方法
2.8.1 測量不確定度
2.8.2 測量不確定度的評定方法
2.8.3 GUM法評定測量不確定度的一般步驟
2.8.4 輸入量標準不確定度的評定
2.8.5 不確定度的合成
2.8.6 有效自由度的計算
習題
第3章 傳感器
3.1 傳感器概述
3.1.1 傳感器的定義
3.1.2 傳感器的一般結構
3.1.3 變送器
3.1.4 傳感器的分類
3.2 金屬溫度傳感器
3.2.1 工作原理
3.2.2 金屬熱電阻
3.2.3 熱電阻技術參數
3.2.4 測量電路舉例
3.3 熱電偶
3.3.1 熱電效應
3.3.2 熱電偶定理
3.3.3 熱電偶技術參數
3.3.4 熱電偶的冷端補償
3.3.5 補償導線
3.3.6 熱電偶測溫儀表的接線
3.4 熱敏電阻
3.4.1 工作原理
3.4.2 熱敏電阻的伏安特性
3.4.3 熱敏電阻的特點
3.5 霍爾傳感器
3.5.1 霍爾效應
3.5.2 霍爾效應傳感器
3.5.3 霍爾電流傳感器
3.6 磁敏式傳感器
3.6.1 工作原理
3.6.2 磁阻元器件的主要特性
3.6.3 磁敏電阻的應用
3.7 電場測量探頭
3.7.1 懸浮體型探頭
3.7.2 地參考場強儀
3.7.3 光電場強儀
3.8 電渦流傳感器
3.8.1 工作原理
3.8.2 電渦流傳感器的基本特性
3.8.3 電渦流傳感器的調理電路
3.8.4 電渦流傳感器的應用
3.9 壓電傳感器
3.9.1 壓電效應
3.9.2 壓電傳感器的等效電路
3.9.3 壓電傳感器的調理電路
3.9.4 壓電傳感器的應用舉例
3.10 光電傳感器
3.10.1 光電效應及其元器件
3.10.2 光電傳感器的應用
3.10.3 光電傳感器測量轉速
3.11 電容式傳感器
3.11.1 工作原理及其分類
3.11.2 調理電路舉例
3.11.3 電容傳感器的應用
3.12 電感式傳感器
3.12.1 變間隙型自感傳感器
3.12.2 變面積型自感傳感器
3.12.3 螺管型電感傳感器
3.13 差動傳感器與測量電橋
3.13.1 差動測量系統
3.13.2 差動傳感器
3.13.3 測量電橋
習題
第4章 測量系統中的調理電路
4.1 集成運算放大器
4.1.1 集成運算放大器概述
4.1.2 集成運算放大器的基本電路
4.2 集成運放的結構特點與主要技術參數
4.2.1 結構特點
4.2.2 集成運算放大器的主要技術參數
4.3 儀表放大器
4.3.1 儀表放大器的基本電路結構
4.3.2 集成儀表放大器
4.4 電氣測量中的共模信號
4.4.1 電氣測量中常見的共模信號
4.4.2 共模輸入的危害
4.5 集成差分放大器
4.6 隔離放大器
4.7 集成乘法器的應用
4.7.1 集成乘法器的介紹
4.7.2 集成乘法器能完成的運算
4.7.3 集成乘法器用于調制和解調
習題
第5章 電氣測量技術
5.1 高電壓的測量
5.1.1 電磁式電壓互感器
5.1.2 電容式互感器
5.1.3 光學電壓傳感器
5.2 大電流的測量
5.2.1 電磁式電流互感器
5.2.2 低功率電流互感器
5.2.3 羅哥夫斯基電流互感器
5.2.4 光學電流傳感器
5.3 交流電的頻率、周期、相位的測量
5.3.1 頻率和周期的測量
5.3.2 相位的測量
5.4 交流電電壓、電流、功率的測量
5.4.1 電壓、電流的測量
5.4.2 功率的測量
5.5 電力設備絕緣參數的測量
5.5.1 絕緣電阻和吸收比的測量
5.5.2 介質損耗因數 的測量
5.6 接地電阻的測量
5.6.1 測量接地阻抗的基本原理
5.6.2 接地阻抗的測量試驗
5.6.3 接地阻抗測量注意事項
5.6.4 電力設備接地引下線導通試驗
5.7 局部放電的測試
5.7.1 局部放電的機理分析
5.7.2 局部放電的主要參數
5.7.3 局部放電測量的基本回路及檢測阻抗的選擇
習題
第6章 數字化電氣測量技術
6.1 數字化電氣測量系統概述
6.1.1 數字化電氣測量系統中的測量信號分類
6.1.2 數字化電氣測量系統的結構
6.1.3 電氣測量中常用的微處理器片上外設簡介
6.2 A/D 轉換器
6.2.1 名詞術語
6.2.2 A/D 轉換原理
6.2.3 常用ADC集成芯片及其與微處理器的接口設計
6.3 采樣保持器AD781
6.3.1 動態性能
6.3.2 AD781與AD674的接口電路
6.4 并行數字I/O接口
6.4.1 MCU和DSP的并行數字I/O接口
6.4.2 5V和 3.3V數字I/O接口的互連
6.5 數字電表
6.5.1 數字電表的基本功能
6.5.2 數字化電能計量基礎
6.5.3 集成三相多功能數字電能計量芯片ADE7878
6.6 數字化測量常用算法
6.6.1 有效值的計算與數字積分
6.6.2 諧波分析和DFT變換
6.6.3 噪聲抑制與數字濾波
習題
第7章 虛擬儀器及其開發語言
7.1 虛擬儀器
7.1.1 虛擬儀器的基本概念
7.1.2 虛擬儀器的特點
7.1.3 虛擬儀器的結構
7.2 虛擬儀器的開發語言LabVIEW
7.2.1 LabVIEW的優勢
7.2.2 LabVIEW的編輯界面
7.2.3 LabVIEW的應用實例
7.3 虛擬儀器的開發語言LabWindows/CVI
7.3.1 LabWindows/CVI簡介
7.3.2 LabWindows/CVI特點
習題
第8章 電氣測量中的抗干擾技術
8.1 電氣測量干擾的三要素
8.1.1 干擾源
8.1.2 干擾耦合途徑
8.1.3 受擾對象
8.2 電容耦合及其抗干擾對策
8.2.1 電容耦合
8.2.2 電容耦合的抗干擾措施
8.3 磁場耦合及其抗干擾對策
8.3.1 磁場耦合或互感耦合
8.3.2 防磁場(互感)耦合的措施
8.4 共阻抗耦合及其抗干擾對策
8.4.1 沖擊負載電流通過電源內阻抗影響測量儀器的供電質量
8.4.2 測量儀器內部不同電路環節間通過直流穩壓電源內阻抗的耦合
8.5 共模干擾及其抑制
8.5.1 共模信號及其對測量系統的干擾
8.5.2 共模干擾的抑制
8.6 測量系統輸入級的接地與浮置
習題
參考文獻