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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章介绍误差的基本理论；第3章重点介绍常用的传感器；第4章介绍测量系统中的调理电路；第5章重点介绍高电压测量、大电流测量、交流电各电气参数测量、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；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。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。

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  绝对误差	20
2.2.2  相对误差	20
2.2.3  最大允许误差和最大引用误差	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
2.8.3  GUM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
3.2.5  PT100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AD781	213
6.3.1  动态性能	214
6.3.2  AD781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
6.4.3  Clark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ADE7878	220
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——LabVIEW	247
7.2.1  LabVIEW的优势	247
7.2.2  LabVIEW的编辑界面	248
7.2.3  LabVIEW的应用实例	249
7.3  虚拟仪器的开发语言——LabWindows/CVI	253
7.3.1  LabWindows/CVI简介	253
7.3.2  LabWindows/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

前言

前    言
电气测量贯穿于电力生产和消费的每个环节，如发电厂的有功和无功调节、电力系统的继电保护、电力设备的状态监测、用户端电费计量和电能质量的监测等，所有这些都离不开快速、准确、可靠的电气测量技术。在电网技术日益智能化的推动下，电气测量技术与电子信息技术日益交叉和融合，基于此上海交通大学将“电气与电子测量技术”列入电气工程与自动化本科专业的专业基础课，该课程于2017年被评为上海市精品课程。2018年11月，上海交通大学“电气与电子测量技术”MOOC在中国大学MOOC平台面向全国高等学校在校生和社会公众开展线上教学，2020年11月“电气与电子测量技术”MOOC被评为国家级线上一流课程。该课程的配套教材——《电气与电子测量技术（第2版）》从2017年8月出版发行至今已4年有余，在此期间，电力工业在实现“双碳目标”的道路上不断进取，截至2020年年底，光伏、风力发电量已占总发电量的9.7%，光伏发电、风力发电、储能装置已成为新型电力系统不可或缺的组成部分。为了适应构建以新能源为主体的新型电力系统的目标，《电气与电子测量技术（第3版）》在教材内容上力求引入反映行业进步的高阶性内容，在课程考核上提升挑战度，在教学模式和教学方法上不断创新，希望能为提高电气专业人才质量尽一份力。
《电气与电子测量技术（第3版）》在第2版的基础上，对各章节在不同程度上都进行了修订，修订思路主要如下。
（1）专业课教学坚持“价值铸魂、质量立本”的育人目标。在第1章中，遵循第26届国际计量大会修订的国际单位制（SI）的决议，用基本物理常数定义了七种基本单位，并以我国科学家在万有引力常数G方面的突出贡献来增强学生的民族自豪感，激励学生投身科技创新和中华民族伟大复兴。第5章介绍了中国特高压技术从跟随到领先的历史性跨越，为我国科技自立自强树立了信心，鼓励电气专业大学生继续为实现“碳达峰”和“碳中和”的宏伟目标做出实质性的贡献。
（2）力求在专业课教材内容上体现高阶性。针对新型电力系统中新能源发电占比的快速提升和新能源车的普及，功率开关器件在光伏发电、风力发电、储能电站、新能源车中被大量使用，而电力电子斩波电路中的斩波信号本质上是一种高频直流脉动信号，这类信号与传统的工频电压、工频电流相比，对传感器、模数转换器件的要求有显著差异，所以本书新增了高速宽频霍尔电流传感器、模数转换器动态特性等内容，并以抖动噪声为例介绍了信纳比SINAD与模数转换器件实际有效转换位数ENOB的关系；光伏、风电并网逆变器为实现与电网电压同步普遍采用了电网电压锁相环技术，相关内容也是首次出现在同类教材中。
（3）探索“以学生为中心”的新教学模式和教学方法。作者带领教学团队在中国大学MOOC平台建成了“电气与电子测量技术”国家一流线上课程，通过线上线下融合式教学，开展“课前自学—课堂重点教学—课后作业+互动”的教学新模式，教学质量得到显著提升。
（4）教材内容以实际需求为导向，把传统偏重“基本原理”的教学设计向后递进“最后一千米”，强化了专业技术课程的工程属性，学生的专业知识结构拼图得到完善。这种内容设计在PT100测温、霍尔电流传感器、光电传感器、模数转换器等章节都有体现。
本次教材修订是由主要编著者罗利文在第2版的基础上完成的。本书在修订过程中，获得了亚德诺半导体（中国）有限公司大学计划的大力支持，在此表示衷心感谢。
由于作者水平所限，书中不足之处敬请批评指正。

编著者

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