电气与电子测量技术

罗利文，上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系副教授，教育部国家品质课程评审组专家，教育部“产学合作协同育人”教改项目负责人。主讲《电气与电子测量技术》、《嵌入式系统与接口技术》、《计算机组成》课程。曾在全国高等学校电气类专业教学改革研讨会、《电气与电子教学学报》上发表多篇教学研究论文。

第1章测量和测量系统基础1

 1.1测量及测量方法1

 1.1.1直接测量法3

 1.1.2间接测量法4

 1.1.3组合测量法4

 1.2现代数字化测量系统的基本构成5

 1.3测量系统的静态特性7

 1.3.1零位8

 1.3.2灵敏度8

 1.3.3线性度8

 1.3.4回程误差9

 1.3.5分辨力与分辨率9

 1.3.6量程、测量范围和动态范围9

 1.4测量系统的动态特性10

 1.4.1一阶系统10

 1.4.2二阶系统11

 1.4.3动态性能指标13

 习题15

 第2章误差和测量不确定度17

 2.1测量误差的基本概念17

 2.1.1测量误差的几个名词术语18

 2.1.2测量误差的主要来源19

 2.2表达误差的几种形式20

 2.2.1保证误差20

 2.2.2相对误差20

 2.2.3优选允许误差和优选引用误差20

 2.3测量误差的性质及分类22

 2.3.1系统误差22

 2.3.2随机误差22

 2.3.3粗大误差23

 2.3.4三类误差的关系及其对测得值的影响23

 2.4有效数字24

 2.4.1有效数字的定义24

 2.4.2四舍五入与偶数法则24

 2.4.3数字的运算规则24

 2.5系统误差的校正25

 2.5.1系统误差产生的原因25

 2.5.2系统误差的减小和消除26

 2.6随机误差的统计学处理27

 2.6.1随机误差的产生原因27

 2.6.2随机误差的特性27

 2.6.3随机误差的标准差和实验标准差28

 2.6.4典型分布的置信度28

 2.7粗大误差的剔除32

 2.7.1判别粗大误差的准则32

 2.7.2防止与消除粗大误差的方法37

 2.8测量不确定度及其评定方法37

 2.8.1测量不确定度37

 2.8.2测量不确定度的评定方法38

 2.8.3GUM法评定测量不确定度的一般步骤39

 2.8.4输入量标准不确定度的评定40

 2.8.5不确定度的合成41

 2.8.6有效自由度的计算42

 习题46

 第3章传感器48

 3.1传感器概述48

 3.1.1传感器的定义48

 3.1.2传感器的一般结构49

 3.1.3变送器49

 3.1.4传感器的分类49

 3.2金属温度传感器51

 3.2.1工作原理51

 3.2.2金属热电阻51

 3.2.3热电阻技术参数52

 3.2.5PT100数字式测温应用56

 3.3热电偶57

 3.3.1热电效应57

 3.3.2热电偶定理58

 3.3.3热电偶技术参数59

 3.3.4热电偶的冷端补偿60

 3.3.5补偿导线64

 3.3.6热电偶测温仪表的接线64

 3.4热敏电阻65

 3.4.1工作原理65

 3.4.2热敏电阻的伏安特性66

 3.4.3热敏电阻的特点67

 3.5霍尔传感器67

 3.5.1霍尔效应67

 3.5.2霍尔效应传感器69

 3.5.3霍尔电流传感器70

 3.6磁敏式传感器73

 3.6.1磁敏电阻的工作原理73

 3.6.2磁阻元器件的主要特性73

 3.6.3磁敏电阻的应用74

 3.7电场强度测量探头75

 3.7.1悬浮体场强仪探头75

 3.7.2地参考场强仪探头76

 3.7.3光电场强仪探头77

 3.8电涡流传感器77

 3.8.1工作原理77

 3.8.2电涡流传感器的基本特性79

 3.8.3电涡流传感器的调理电路80

 3.8.4电涡流传感器的应用81

 3.9压电传感器82

 3.9.1压电效应82

 3.9.2压电传感器的等效电路85

 3.9.3压电传感器的调理电路86

 3.9.4压电传感器的应用举例87

 3.10光电传感器88

 3.10.1光电效应及其元器件88

 3.10.2光电传感器的应用89

 3.10.3光电编码器90

 3.11电容式传感器92

 3.11.1工作原理及其分类93

 3.11.2电容式传感器的调理电路举例95

 3.11.3电容式传感器的应用98

 3.12电感式传感器98

 3.12.1变间隙型自感传感器99

 3.12.2变面积型自感传感器101

 3.12.3螺管型自感传感器101

 3.13差动传感器与测量电桥102

 3.13.1差动测量系统102

 3.13.2差动传感器102

 3.13.3测量电桥104

 习题110

 第4章测量系统中的调理电路112

 4.1集成运算放大器112

 4.1.1集成运算放大器概述112

 4.1.2集成运算放大器的基本电路114

 4.2集成运算放大器的结构特点与主要技术参数115

 4.2.1集成运算放大器的结构特点115

 4.2.2集成运算放大器的主要技术参数116

 4.3仪表放大器121

 4.3.1仪表放大器的基本电路结构121

 4.3.2集成仪表放大器123

 4.4电气测量中的共模信号125

 4.4.1电气测量中常见的共模信号125

 4.4.2共模输入的危害127

 4.5集成差分放大器129

 4.6隔离放大器130

 4.7集成乘法器的应用131

 4.7.1集成乘法器的介绍131

 4.7.2集成乘法器能完成的运算132

 4.7.3集成乘法器用于调制和解调132

 习题134

 第5章电气测量技术136

 5.1电压互感器136

 5.1.1电磁式电压互感器136

 5.1.2电容式电压互感器143

 5.1.3光学电压传感器145

 5.2电流互感器146

 5.2.1电磁式电流互感器146

 5.2.2低功率电流互感器157

 5.2.3罗哥夫斯基电流互感器158

 5.2.4光学电流传感器160

 5.3交流电的频率、周期、相位的测量161

 5.3.1频率和周期的测量161

 5.3.2相位的测量164

 5.4指针式电工仪表166

 5.4.1电压、电流的测量166

 5.4.2功率的测量168

 5.5电力设备绝缘参数的测量172

 5.5.1绝缘电阻和吸收比的测量172

 5.5.2介质损耗因数的测量176

 5.6接地电阻的测量178

 5.6.1测量接地阻抗的基本原理178

 5.6.2接地阻抗的测量试验179

 5.6.3接地阻抗测量注意事项180

 5.6.4电力设备接地引下线导通试验181

 5.7局部放电的测试181

 5.7.1局部放电的机理分析182

 5.7.2局部放电的主要参数183

 5.7.3局部放电测量的基本回路及检测阻抗的选择184

 习题185

 第6章数字化电气测量技术186

 6.1数字化电气测量系统概述186

 6.1.1数字化电气测量系统中的测量信号分类186

 6.1.2数字化电气测量系统的结构187

 6.1.3电气测量中常用的微处理器片上外设简介188

 6.2模数转换器191

 6.2.1模数转换器的基础知识191

 6.2.2模数转换器的静态特性192

 6.2.3模数转换器的动态特性194

 6.2.4模数转换器的种类及其原理197

 6.2.5常用的模数转换器203

 6.3采样保持放大器AD781213

 6.3.1动态性能214

 6.3.2AD781与AD674的接口电路214

 6.4电网电压频率和相位的锁相215

 6.4.1锁相环的基本原理215

 6.4.2同步参考坐标系中的电网电压矢量216

 6.4.3Clark反变换和Park变换216

 6.4.4同步参考坐标系锁相环217

 6.5数字电表219

 6.5.1数字电表的基本功能219

 6.5.2数字化电能计量基础219

 6.5.3集成三相多功能数字电能计量芯片ADE7878220

 6.6数字化测量常用算法223

 6.6.1有效值的计算与数字积分224

 6.6.2谐波分析和DFT变换225

 6.6.3噪声抑制与数字滤波233

 习题243

 第7章虚拟仪器及其开发语言244

 7.1虚拟仪器244

 7.1.1虚拟仪器的基本概念244

 7.1.2虚拟仪器的特点244

 7.1.3虚拟仪器的结构246

 7.2虚拟仪器的开发语言——LabVIEW247

 7.2.1LabVIEW的优势247

 7.2.2LabVIEW的编辑界面248

 7.2.3LabVIEW的应用实例249

 7.3虚拟仪器的开发语言——LabWindows/CVI253

 7.3.1LabWindows/CVI简介253

 7.3.2LabWindows/CVI特点253

 习题254

 第8章电气测量中的抗干扰技术255

 8.1电气测量干扰的三要素255

 8.1.1干扰源255

 8.1.2干扰耦合途径256

 8.1.3受扰对象256

 8.2电容耦合及其抗干扰对策256

 8.2.1电容耦合256

 8.2.2电容耦合的抗干扰措施258

 8.3磁场耦合及其抗干扰对策259

 8.3.1磁场耦合或互感耦合259

 8.3.2防磁场（互感）耦合的措施260

 8.4共阻抗耦合及其抗干扰对策262

 8.4.1冲击负载电流通过电源内阻抗影响测量仪器的供电质量262

 8.4.2测量仪器内部不同电路环节间通过直流稳压电源内阻抗的耦合262

 8.5共模干扰及其抑制263

 8.5.1共模信号及其对测量系统的干扰263

 8.5.2共模干扰的抑制265

 习题266

 参考文献268

本书共8章。第1章主要介绍测量系统的构成及其静态、动态特性；第2章主要介绍误差的基本理论和测量不确定度的评定；第3章介绍多种常用传感器的原理和特点，包括温度传感器、霍尔传感器、磁敏式传感器、电涡流传感器、压电传感器、光电传感器、电容式传感器和电感式传感器等；第4章主要介绍测量系统中的调理电路，重点阐述了调理电路最常使用的集成运算放大器的特点、种类和应用场景；第5章重点介绍高电压测量、大电流测量、电力设备绝缘参数测量、接地电阻测量等内容；第6章介绍现代数字化电气测量系统及其常用的算法，重点介绍模数转换器的种类及其原理，并量化分析噪声对信纳比和实际有效转换位数的影响；第7章介绍虚拟仪器及其开发语言LabVIEW；第8章介绍电气测量中典型的干扰源及其抗干扰对策，着重分析电容耦合和磁场耦合型干扰的机理和干扰性质，并给出了抑制干扰的常用方法。
 本书内容丰富、理论推导严谨，可作为高等学校电气工程及自动化或相关专业的教材，也可作为从事相关工作的科技人员的参考书。