《電氣測量技術(shù)》CAI-教材全套課件教學(xué)教程整本書電子教案全書教案

電氣測量技術(shù)

（56/48學(xué)時）

第一篇電氣測量技術(shù)概論

電氣測量技術(shù)是人們掌握電氣知識、發(fā)展電磁理論和電磁技術(shù)的重要手段。由于電氣測量具有測量方便、易于實現(xiàn)自動化和遙測等固有優(yōu)點，它不僅可以直接對電磁參量進行測量，而且由于傳感器技術(shù)的發(fā)展，幾乎所有的“非電量”都可以通過傳感器轉(zhuǎn)換成電量進行測量，所以，它在各種測量技術(shù)中占有很重要的地位。本篇主要介紹有關(guān)電氣測量技術(shù)的基本概念、基本方法和電學(xué)量具。

第1章電氣測量基本知識1.1電氣測量概述1.1.1測量的概念

測量是人類對自然界的客觀事物取得數(shù)量概念的一種認(rèn)識過程。當(dāng)被測量是通過對一個或數(shù)個基本量的直接測量或利用物理常數(shù)值進行測量時，則稱為絕對測量

通過物理實驗方法，將被測量與作為單位的量進行比較的過程，稱為相對測量

測量結(jié)果，通常是用數(shù)字標(biāo)出的，這個數(shù)字就表明了被測量為測量單位的多少倍。

1.1電氣測量概述

測量是將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進行比較的過程。測量過程一般包括三個階段：（1）準(zhǔn)備階段。首先要明確“被測量”的性質(zhì)及測量所要達(dá)到的目的，然后選定測量方式，選擇合適的測量方法及相應(yīng)的測量儀器。（2）測量階段。建立測量儀器所必須的測量條件，慎重地進行操作，認(rèn)真記錄測量數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)處理階段。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，考慮測量條件的實際情況，進行數(shù)據(jù)處理，以求得測量結(jié)果和測量誤差。研究一個完整的測量過程，主要考慮：（1）測量對象；（2）測量方式和方法；（3）測量設(shè)備，真中包括度量器與測量儀器儀表。1.1電氣測量概述

測量常用的名詞術(shù)語：

（1）準(zhǔn)確度—是指測量結(jié)果與被測量真實值間相接近的程度，測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的量度；（2）精密度—是指在測量中所測數(shù)值重復(fù)一致的程度，它表明在同一條件下進行重復(fù)測量時，所得到的一組測量結(jié)果彼此之間相符合的程度，測量重復(fù)性的量度；（3）靈敏度—是儀器儀表讀數(shù)的變化量（響應(yīng)）與相應(yīng)的被測量的變化的比值；（4）分辨率—是指儀器儀表所能反映的被測量的最小變化值。實際上，分辨率是靈敏度的倒數(shù)；（5）誤差—是指測量結(jié)果對被測量真實值的偏離程度；（6）量限（量程）—是指儀器儀表在規(guī)定的準(zhǔn)確度下對應(yīng)于某一測量范圍內(nèi)所能測量的最大值（測量上限－測量下限）

1.1電氣測量概述1.1.2電氣測量的發(fā)展和地位電氣測量就是借助于各種電氣測量器具（測量儀器儀表、量具及附屬設(shè)備），對科學(xué)技術(shù)和工程實際中的各種電磁現(xiàn)象和電磁過程進行定量分析研究的過程。它的成長和發(fā)展是與電磁學(xué)理論及電磁技術(shù)的成長和發(fā)展密切相關(guān)、互相促進的。電氣測量技術(shù)發(fā)展過程：摩擦生電現(xiàn)象

庫侖定律

伏打電池

歐姆定律

電磁感應(yīng)定律

麥克斯韋方程

發(fā)電機、電動機現(xiàn)代電子技術(shù)電磁理論和電磁技術(shù)的發(fā)展推動著電氣測量技術(shù)的提高；而電氣測量技術(shù)的提高又促進了電磁理論和電磁技術(shù)的發(fā)展。

1.1電氣測量概述1.1.3電氣測量的任務(wù)任務(wù)：利用一定的電氣測量器具和電氣測量技術(shù)，測量各種電磁參量。

電參量：電量(電壓、電流、電功率、電能、…)和電路參數(shù)(電阻、電感、電容、互感、…)。

磁參量：磁量(磁通、磁感應(yīng)強度、磁場強度、…)和磁路參數(shù)(磁阻、磁性材料的磁導(dǎo)率、…)。

電氣測量器具是為了測量目的而采用的技術(shù)裝備：

電氣測量儀器（儀表）可將被測電磁參量轉(zhuǎn)換成示值或其等效信息。

電磁量具以固定形式復(fù)現(xiàn)某個量的一個或多個已知量值。

電氣測量技術(shù)是為了進行測量而采用的原理、方法、手段和技術(shù)措施。1.2電氣測量的方法和分類1.2.1根據(jù)獲得測量結(jié)果的過程分類

1．直接測量將被測量與作為標(biāo)準(zhǔn)的量具直接比較，或用事先刻度好的測量儀表進行測量，從而直接獲得被測量的數(shù)值，這種測量方式稱為直接測量。如電流表、電壓表測電流、電壓

2．間接測量測量中，通過對與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的幾個量進行直接測量，然后再按這個函數(shù)關(guān)系通過計算而獲得被測量數(shù)值，這種測量方式稱為間接測量。如用伏安法測電阻，R=U/I。間接測量比直接測量要復(fù)雜一些，一般在不能使用直接測量或直接測量達(dá)不到測量要求時，才采用間接測量。1.2電氣測量的方法和分類

3．組合測量如果被測量有多個，而且能以某些可測量的不同組合形式（函數(shù)關(guān)系）表示時，可先通過直接或間接地測量這些組合的數(shù)值，再通過解聯(lián)立方程組求得未知的被測量數(shù)值，這種測量方式稱為組合測量。例如金屬導(dǎo)體的電阻Rt與溫度t之間的函數(shù)關(guān)系為

測出電阻在溫度t1、t2、t3時的阻值Rt1、Rt2、Rt3

求解以上方程組，即可求得

、

、R20的值，從而確定Rt與t之間的確切函數(shù)關(guān)系。

1.2電氣測量的方法和分類1.2.2根據(jù)所用器具分類

1．直讀測量法用直接指示被測量數(shù)值的指示儀表進行測量，能夠直接在儀表上讀取讀數(shù)的測量方法稱為直讀測量法。度量器具不直接參與作用。

2．比較測量法將被測量與度量器具通過較量儀器進行比較，從而獲得被測量數(shù)值的方法稱為比較測量法。度量器具直接參與作用。（1）平衡法（零值法）這種測量方法是將被測量x與已知的標(biāo)準(zhǔn)量A相比較。在測量過程中，連續(xù)改變標(biāo)準(zhǔn)量，使它產(chǎn)生的效應(yīng)與被測量產(chǎn)生的效應(yīng)相互抵消或平衡，這種測量方法稱為平衡法。平衡時指示器指零，又稱零值法。電橋、電位差計測量。

1.2電氣測量的方法和分類

（2）微差法平衡法過程中，被測量x與標(biāo)準(zhǔn)量A不能平衡或標(biāo)準(zhǔn)量不便于調(diào)節(jié)，則可以通過測量儀器測量二者的差值a＝x–A或正比于差值a的量，進而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值A(chǔ)和差值a確定被測量x的大?。▁＝A+a），這種方法就稱為微差法。（3）替代法將被測量x與標(biāo)準(zhǔn)量A分別接入同一測量裝置，在標(biāo)準(zhǔn)量替代被測量的情況下，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量使測量裝置的工作狀態(tài)保持不變，從而可以用標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值來確定被測量的大小（x=A)），這種方法稱為替代法。（4）重合法重合法是將被測量的一系列均勻交替的信號與某個已知參考量相比較，當(dāng)兩者的信號出現(xiàn)重合的狀態(tài)或現(xiàn)象時，就可以確定被測量的大小。1.2電氣測量的方法和分類

測量方法間的關(guān)系①用功率表測功率；②用電流表、電壓表測電阻；③用電橋測電阻；④用電位差計測量電流。1.3電氣測量儀器儀表的分類1．指示儀表指示儀表是基于直讀法來進行測量的儀表—模擬式儀表或機電式指示儀表。

2．積算儀表積算儀表用以測量與時間有關(guān)的量，在測量時間內(nèi)儀表對被測量進行累計。如電度表。

3．較量儀器較量儀器是基于比較法來進行測量的儀器。如電位差計和電橋

4．記錄儀表和示波器記錄儀表是把被測量與另一變量的函數(shù)變化關(guān)系連續(xù)記錄下來，如X–Y記錄儀等。示波器是用來觀察和記錄變化迅速的被測量的儀器。1.3電氣測量儀器儀表的分類5．?dāng)?shù)字儀表數(shù)字儀表是采用邏輯電路，用數(shù)碼顯示被測量的儀表。近年來數(shù)字儀表的種類越來越多，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率表、數(shù)字相位表、數(shù)字萬用表、數(shù)字電能表等。

6．測磁儀器用于測量基本磁學(xué)量及磁性材料磁特性的儀器。

7．?dāng)U大量限裝置擴大量限裝置是用來擴大電工儀器儀表測量范圍的裝置。如分流器、附加電阻、測量用互感器、放大器等。

8．校驗裝置按一定測量方法和電路，將一些測量儀器、度量器和附屬設(shè)備組合而成的整體稱為校驗裝置，它們有指示儀表校驗裝置、電度表校驗裝置、互感器校驗裝置、電位差計裝置和電橋裝置等。1.4測量誤差及其消除方法1.4.1測量誤差的分類和來源一般可分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和疏失誤差三類。

1．系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是一種在測量過程中或者遵循一定的規(guī)律變化，或者保持不變的誤差。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因：（1）測量器具誤差—基本誤差（2）環(huán)境誤差—附加誤差（3）方法誤差（4）人員誤差

系統(tǒng)誤差決定了測量的正確度。1.4測量誤差及其消除方法2．隨機誤差隨機誤差是一種大小和符號都不固定的具有偶然性的誤差，因此也稱為偶然誤差。產(chǎn)生隨機誤差的原因很多，例如溫度、濕度的起伏，電磁場的微變，電源電壓、頻率的變化，以及操作人員感覺器官的生理變化等。

隨機誤差決定了測量的精密度。系統(tǒng)誤差和隨機誤差反映測量的準(zhǔn)確度。

3．疏失誤差疏失誤差是由于測量過程中操作、讀數(shù)、記錄和計算等方面的疏失錯誤所引起的誤差，這是一種明顯地歪曲測量結(jié)果的誤差。凡是含有疏失誤差的實驗數(shù)據(jù)是不可靠的，應(yīng)當(dāng)剔除。1.4測量誤差及其消除方法1.4.2測量誤差的消除方法

1．系統(tǒng)誤差的消除（1）引入校正值—校正曲線或校正表格

（2）消除產(chǎn)生環(huán)境誤差（附加誤差）的根源（3）采用特殊測量方法①正負(fù)誤差補償法②替代法③等時距對稱觀測法—測電阻時電源不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差1.4測量誤差及其消除方法

消除這種電流線性變化所帶來的系統(tǒng)誤差，可采用等時距對稱觀測法。

t1：Ux(t1)＝I1Rx＝(I＋

I)Rxt2：Un(t2)＝I2Rn＝IRnt3：Ux(t3)＝I3Rx＝(I－

I)Rx

取t1和t3時刻對應(yīng)的電壓Ux的平均值：

1-3電流隨時間變化的曲線1.4測量誤差及其消除方法2．隨機誤差的消除對于隨機誤差，不具有確定的規(guī)律性，不能用試驗的方法加以檢查和消除，但隨機誤差遵從統(tǒng)計規(guī)律，可以采用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的方法加以處理。在足夠多次數(shù)（約10次）的測量中，隨機誤差的算術(shù)平均值必然趨近于零。

3．對于疏失誤差，由于它是顯然的錯誤，并且常常嚴(yán)重地歪曲了測量結(jié)果，因此，包含有疏失誤差的觀測結(jié)果是不可信的，應(yīng)予剔除。

1.4測量誤差及其消除方法1.4.3儀表誤差用任何儀器儀表對某一被測量進行有限次的測量都不能求得被測量的真值（即實際值），儀器儀表的讀數(shù)與真值之間總存在一定的差值，即測量誤差。

1．儀表誤差的分類儀表誤差可分為基本誤差和附加誤差兩類。（1）基本誤差儀表在規(guī)定的正常工作條件下進行測量時，由于僅表本身的結(jié)構(gòu)、制造工藝、材料性能不完善所造成的誤差稱為儀表的基本誤差。這種誤差是無法消除的，故又稱為儀表的固有誤差。1.4測量誤差及其消除方法

儀表正常工作條件：①儀表指針調(diào)整到機械零位；②儀表按規(guī)定的工作位置安放；③除地磁場外，沒有外來的電磁場或鐵磁物質(zhì)的影響；④周圍溫度為20℃或儀表所標(biāo)注的工作溫度；⑤交流儀表的使用頻率和波形符合儀表的規(guī)定。（2）附加誤差由于儀表偏離其規(guī)定的正常工作條件時所引起的誤差稱為附加誤差。使儀表產(chǎn)生附加誤差的那些工作條件的變化常稱為影響量的變化，這些影響量中任何一個超出儀表使用的正常規(guī)定值，都會使儀表產(chǎn)生附加誤差。

2．測量誤差的幾種表達(dá)形式

（1）絕對誤差：

＝測量值A(chǔ)x

真實值A(chǔ)i

＝Ax－A0(Ai用相對真實值A(chǔ)0來代替

)絕對誤差可正可負(fù)，而且還有量綱；一般保留一位有效數(shù)字

（2）相對誤差:

實際相對誤差：示值相對誤差：

相對誤差亦可正可負(fù)，純數(shù)字；保留一位或兩位有效數(shù)字。

測量誤差是對某一次具體測量好壞的評價。1.4測量誤差及其消除方法1.4測量誤差及其消除方法3．儀表誤差（1）引用誤差儀表的準(zhǔn)確性能通常用引用誤差來衡量。引用誤差用儀表的基本誤差與量限之比的百分?jǐn)?shù)來表示，即

雙向標(biāo)度尺的儀表

無零位標(biāo)度尺的儀表

對于標(biāo)度尺為對數(shù)、雙曲線或指數(shù)為3及3以上的儀表，引用誤差是以工作部分的長度的百分比表示的，即1.4測量誤差及其消除方法

（2）儀表的準(zhǔn)確度與準(zhǔn)確度等級儀表的準(zhǔn)確度是用儀表的最大引用誤差

m來表示，儀表的準(zhǔn)確度等級a以

m的大小來劃分，其定義為

a=0.1，0.2；0.5，1.0，1.5，

2.5，5.0；等

標(biāo)準(zhǔn)表實驗室用工程測量

儀表的基本誤差（固有誤差）：

m＝儀表量程

a%（不隨測量值變）

儀表誤差（準(zhǔn)確度）整體上評價儀表在其測量范圍內(nèi)測量的好壞。在使用儀表進行測量時所產(chǎn)生的測量誤差

往往低于儀表的準(zhǔn)確度等級。

如果Ax越小，

越大；Ax越大，

越小；當(dāng)Ax＝Am時，

＝

m，這時測量的準(zhǔn)確度最高。因此，為了提高測量的準(zhǔn)確度，一方面要選擇準(zhǔn)確度等級a合適的儀表，更應(yīng)該注意根據(jù)被測量Ax的大小選擇量限合適的儀表，一般應(yīng)使被測量Ax

Am/2，最好使Ax

2Am/3。否則所選儀表的準(zhǔn)確度等級雖高，但測量的準(zhǔn)確度卻可能較低。

1.4測量誤差及其消除方法

例1-1

有兩只直流毫安表，它們的準(zhǔn)確度等級和量限分別為：0.5級，0～500mA；1.5級，0～100mA現(xiàn)要測50mA的直流電流，選用哪一只表測量的準(zhǔn)確度高？

解用第一只表測量時，測量的絕對誤差可能為：

m1＝

a1%

Am＝

0.5%

500＝

2.5(A)

相對誤差為

用第二只表測量時：

m2＝

a2%

Am＝

1.5%

100＝

1.5(A)

結(jié)論：第二只表測量準(zhǔn)確度高！1.4測量誤差及其消除方法第1章電氣測量基本知識作業(yè)：

1-2，1-3，1-4，1-5，1-6，1-7第2章電學(xué)度量器

2.1度量器

主要內(nèi)容：

1、度量器的基本特點；

2、電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)量具：

標(biāo)準(zhǔn)電池；標(biāo)準(zhǔn)電阻；標(biāo)準(zhǔn)電感；標(biāo)準(zhǔn)電容。

四種電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)量具的單位定義、結(jié)構(gòu)及其基本特性和使用方法。2.1度量器

度量器(或稱為量具)的定義：作為測量單位或測量單位的分?jǐn)?shù)、整數(shù)倍的復(fù)制體，就是度量器(或稱量具)。在進行電氣測量時，實際上就是將被測電學(xué)量直接或間接與作為測量單位的同類量進行比較，以確定被測電學(xué)量的大小。度量器(或稱量具)的分類：

基準(zhǔn)度量器(基準(zhǔn)器)

標(biāo)準(zhǔn)度量器(標(biāo)準(zhǔn)器)

工作度量器(工作量具)

2.1度量器

1.基準(zhǔn)器它是用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所能達(dá)到的最高準(zhǔn)確度來復(fù)現(xiàn)和保存測量單位的度量器，它具有最高的準(zhǔn)確度，由國際及各國的最高計量部門保存。它是國家處理測量事務(wù)的準(zhǔn)繩和基礎(chǔ)。在我國，基準(zhǔn)器被保存在中國計量科學(xué)研究院?；鶞?zhǔn)器又分為國家基準(zhǔn)（主基準(zhǔn)）、副基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)等。

2.1度量器

電學(xué)計量基準(zhǔn)器：

電壓基準(zhǔn)器是用經(jīng)過嚴(yán)格考核挑選，穩(wěn)定性和其它性能好的飽和標(biāo)準(zhǔn)電池組組成，并以它們成組的標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢的平均值來保存電壓單位（伏特，V）的量值。

電阻基準(zhǔn)器是用穩(wěn)定性極好的1

標(biāo)準(zhǔn)電阻組組成，并以它們成組的電阻值的平均值來保存電阻單位（歐姆，

）的量值。

計算電容基準(zhǔn)則是按“湯姆森?藍(lán)帕德定理”制造的交叉電容器，電容量為1微微法(pF)。

2.1度量器

2.標(biāo)準(zhǔn)器它的準(zhǔn)確度低于基準(zhǔn)器，供計量部門對工作度量器進行檢定或標(biāo)定時使用。按其用途不同又分為一等標(biāo)準(zhǔn)器和二等標(biāo)準(zhǔn)器。

3.工作量具它是專供日常測量中使用的度量器。按其準(zhǔn)確度（或年穩(wěn)定度）分為若干級別；其級別通常標(biāo)在銘牌上。在電學(xué)計量中常用的工作量具有標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容、標(biāo)準(zhǔn)電感等。2.1度量器

4.對度量器的共同要求

（1）復(fù)制性好：制造容易，能較方便地用度量器形式實現(xiàn)測量單位。（2）穩(wěn)定：能較長期地保持它所復(fù)制單位的量值不變化或只發(fā)生很小的變化。（3）可靠：外界因素變化(例如溫度)對其影響小，并能進行更正。（4）準(zhǔn)確：有足夠的制造精度，在一定條件下，標(biāo)準(zhǔn)值與實際值應(yīng)盡量接近。（5）可比性好：能很方便地與其它標(biāo)準(zhǔn)度量器進行比較，便于標(biāo)定其量值，從而保證其準(zhǔn)確度，同時要求使用方便。2.2標(biāo)準(zhǔn)電池

標(biāo)準(zhǔn)電池是復(fù)制電壓或電動勢單位—伏特(V)的量具，標(biāo)準(zhǔn)電池利用化學(xué)作用產(chǎn)生的電動勢并不恰好是1伏特，而是稍大于1伏特(1.0185V～1.0195V)，但這個數(shù)值準(zhǔn)確、穩(wěn)定、受外界影響小，也容易校正。標(biāo)準(zhǔn)電池是一種化學(xué)電池，電池所用的化學(xué)物質(zhì)均經(jīng)過嚴(yán)格提純，化學(xué)成分非常穩(wěn)定，用量也十分準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)電池按電解液的濃度分為飽和標(biāo)準(zhǔn)電池及不飽和標(biāo)準(zhǔn)電池兩種。2.2標(biāo)準(zhǔn)電池2.2.1飽和標(biāo)準(zhǔn)電池

結(jié)構(gòu)：

H型和單管型；在任何溫度下，硫酸鎘溶液均呈飽和狀態(tài)。

1-汞Hg(電池正極)；2-10%鎘汞齊CdHg（電池負(fù)極）；3-硫酸亞汞(Hg2SO4)(去極化劑)；4-硫酸鎘結(jié)晶體(3CdSO4.8H2O)；5-硫酸鎘飽和溶液(CdSO4)(電解液)；6-鉑引線；7-玻璃容器；8-孔塞片2.2標(biāo)準(zhǔn)電池2.2.1飽和標(biāo)準(zhǔn)電池

特點：飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢比較穩(wěn)定，電動勢的溫度系數(shù)比較大,但可修正。電動勢經(jīng)驗公式Et

＝f(t)：國際公式(1908年沃爾夫提出)

中國公式（1975，0～+40℃

）2.2標(biāo)準(zhǔn)電池2.2.2不飽和標(biāo)準(zhǔn)電池

結(jié)構(gòu)：H型和單管型；硫酸鎘溶液處于不飽和狀態(tài)。

特點：穩(wěn)定性較差；但電動勢溫度系數(shù)小，基本不修正1-汞Hg（電池正極）；2-12.5%鎘汞齊CdHg（電池負(fù)極）；3-硫酸亞汞(Hg2SO4)（去極化劑）；4-微孔塞片；5-硫酸鎘溶液；6-石英砂2.2標(biāo)準(zhǔn)電池2.2.3標(biāo)準(zhǔn)電池的主要技術(shù)特性（表2?1

）（1）穩(wěn)定性：飽和標(biāo)準(zhǔn)電池在一年中電動勢的允許變化為幾到幾十微伏，級別較高；不飽和標(biāo)準(zhǔn)電池在一年中電動勢的允許變化上百微伏，級別較低。對于標(biāo)準(zhǔn)電池伏特基準(zhǔn)組電動勢平均值的年變化約為千萬分之二以下。（2）內(nèi)阻：飽和標(biāo)準(zhǔn)電池內(nèi)阻較高，一般為500～1000

，允許流過的電流極小，1分鐘內(nèi)允許流過的最大電流僅為0.1～1

A；不飽和標(biāo)準(zhǔn)電池內(nèi)阻稍低，一般不大于500

，1分鐘內(nèi)允許通過的電流為1～10

A。（3）使用溫度范圍：級別高的標(biāo)準(zhǔn)電池，保證準(zhǔn)確度的溫度范圍是比較窄，使用和保存時應(yīng)注意環(huán)境溫度。2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻

標(biāo)準(zhǔn)電阻是復(fù)制電阻單位—歐姆（

）的量具。對標(biāo)準(zhǔn)電阻的要求：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，可靠性好。

結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)電阻通常由錳銅材料（銅占84

，錳占12

，鎳占4

）繞制的，因為錳銅的電阻系數(shù)高（約為0.00045～0.000048

.m），電阻溫度系數(shù)低（約為0.00001/

C），且較為穩(wěn)定，而且與銅接觸熱電勢?。s為1.5

V/

C）。標(biāo)準(zhǔn)電阻可以做成單個的固定電阻，也可以組合成可變電阻箱。標(biāo)準(zhǔn)電阻分為直流標(biāo)準(zhǔn)電阻和交流標(biāo)準(zhǔn)電阻。交流標(biāo)準(zhǔn)電阻要采用特殊的繞法以減小它的分布電感L和分布電容C。通常用時間常數(shù)(L/R

CR)來考慮分布電感和分布電容的影響。

2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻

標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)

圖2-3標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)

1-繞線骨架；2-繞在骨架上的錳銅線；3-固定端鈕的上蓋；4-溫度計插孔；5-電位端鈕；6-電流端鈕；7-鍍鎳黃銅或膠木外殼2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.3.1固定標(biāo)準(zhǔn)電阻

標(biāo)準(zhǔn)電阻的名義值一般為10n

，n通常是-4～+5之間的整數(shù)。一套0.01級的BZ3型標(biāo)準(zhǔn)電阻為10-3

105

，共9只。標(biāo)準(zhǔn)電阻名義值是指溫度為20

C時的電阻值，若在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的其它溫度下使用這個標(biāo)準(zhǔn)電阻時，它的電阻值應(yīng)按下列近似公式計算：

標(biāo)準(zhǔn)電阻不得過載，最大允許工作電流估算值：

2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.3.2電位端鈕和電流端鈕標(biāo)準(zhǔn)電阻一般都制成四端電阻，如圖2?4(b)所示。電流端鈕(C，C)

，對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖上較粗大的那一對端鈕，利用這一對端鈕可以把標(biāo)準(zhǔn)電阻接入電路中，電流I從這對端鈕通入標(biāo)準(zhǔn)電阻；電位端鈕(P，P)

，對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖上較細(xì)小的那一對端鈕，位于電流端鈕之間，從這一對端鈕上接入測量儀器得到的電壓U只是標(biāo)準(zhǔn)電阻R上的電壓。四端標(biāo)準(zhǔn)電阻的電阻值為：R＝U/I

圖2-4電阻的接線端鈕2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.3.2可變直流電阻箱測量中有時需要阻值可以調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，為此，可將若干標(biāo)準(zhǔn)電阻安裝在一個箱子中，利用轉(zhuǎn)換開關(guān)逐級改變電阻數(shù)值，這就是實驗室中廣泛應(yīng)用的可變電阻箱。圖2-5四擋十進位可變電阻箱的線路結(jié)構(gòu)電阻值

R=3152

2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.3.2可變直流電阻箱

5個電阻實現(xiàn)十進位轉(zhuǎn)換的線路結(jié)構(gòu)(電阻值

R=1

)

可變電阻箱分為0.0l，0.02，0.05，0.1，0.2和0.5等六個等級。基本誤差應(yīng)符合以下計算式：

（a

R

b）

式中，b取0.002(0.01～0.05級)；b取0.005(0.1～0.5級)。圖2-6可變電阻箱的另一種線路結(jié)構(gòu)2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.3.4交流標(biāo)準(zhǔn)電阻用于交流測量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，其阻值、允許通過的電流、使用溫度范圍等基本上與直流標(biāo)準(zhǔn)電阻相同，但在繞制方法上有所不同，這時要考慮減小分布電感L和分布電容C，即減小時間常數(shù)

＝L/R－RC。通常采用的繞制方式有雙線并繞方式和交叉繞制方式。使用交流標(biāo)準(zhǔn)電阻時還要注意它的使用頻率范圍。例如國產(chǎn)ZX32型交流電阻箱的時間常數(shù)

＝(15～50)

10

8s，用于0～20000Hz的頻率范圍。2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.3.5標(biāo)準(zhǔn)電阻的使用和維護標(biāo)準(zhǔn)電阻的主要技術(shù)特性、用途及使用條件如表2?2。使用與保存注意事項如下：（1）應(yīng)在規(guī)定的技術(shù)條件下使用和保管。（2）應(yīng)避免碰撞和劇烈震動。（3）不應(yīng)過載使用。（4）0.01級以上的高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻，最好是放在有中性變壓器油的恒溫槽內(nèi)使用。（5）如果標(biāo)準(zhǔn)電阻在偏離+20

C的情況下使用，應(yīng)按式(2?3)計算出使用溫度t

C時的電阻值Rt。（6）標(biāo)準(zhǔn)電阻出廠證明書及歷年檢定數(shù)據(jù)應(yīng)很好地保存2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻

電感的單位是亨利（H）。它的單位值是用標(biāo)準(zhǔn)電感來保存的。標(biāo)準(zhǔn)電感包括標(biāo)準(zhǔn)自感和標(biāo)準(zhǔn)互感。

結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)電感通常是用絕緣銅導(dǎo)線繞在絕緣材料（例如大理石或陶瓷）做成的支架上面制成的平式線圈。其外形和結(jié)構(gòu)，如圖2?7所示。(a)標(biāo)準(zhǔn)自感線圈的外形(b)構(gòu)造圖2?7標(biāo)準(zhǔn)自感線圈的外形與結(jié)構(gòu)2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.4.1對標(biāo)準(zhǔn)電感的技術(shù)要求（1）電感值穩(wěn)定，即電感值隨時間的變化??；（2）電感線圈的品質(zhì)因數(shù)盡可能高，即電阻值要低，渦流損耗要?。唬?）電感值與電流無關(guān)；（4）電感值與頻率的關(guān)系盡可能小。2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.4.2標(biāo)準(zhǔn)電感器的主要技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)電感器的主要技術(shù)性能見表2?3。

電感基準(zhǔn)一般是由幾只10mH的標(biāo)準(zhǔn)電感組成的；也有少數(shù)國家用30rnH或50mH組成。作為工作量具使用的標(biāo)準(zhǔn)電感是由小至

H，大到H名義值不等的一整套組成（即標(biāo)準(zhǔn)電感的名義值為10nH，n在－6～0之間）。準(zhǔn)確度級別最高的為0.001級，最低的為0.5級。

BG8型標(biāo)準(zhǔn)自感線圈的規(guī)格：額定值為1、0.1、0.01、0.001、0.0001H，共五只；基本誤差為

0.01％～

0.05％。

標(biāo)準(zhǔn)互感線圈的結(jié)構(gòu)、要求、技術(shù)性能與標(biāo)準(zhǔn)自感線圈相同，只不過它有兩個互相絕緣的繞組。2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.4.3實際線圈的等效電路

理想電感線圈沒有損耗，電壓和電流相差90

，如圖2-8所示。

實際的自感線圈不可避免地總伴隨有導(dǎo)線電阻R和匝間分布電容C，其等效電路如圖2-9(a)所示。(a)(b)圖2-8理想電感線圈及其相量圖

(a)(b)(c)圖2-8自感線圈及其等效電路2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻

圖2-9(a)電路的等效導(dǎo)納R<<

L

(b)→(c)（(a)→(b)并聯(lián)等效）串聯(lián)等效2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻

電感線圈的品質(zhì)因數(shù)Q定義為一般總是要求Q值盡可能高，而且電感值盡可能不受頻率的影響。2.3標(biāo)準(zhǔn)電阻2.4.4標(biāo)準(zhǔn)電感的使用和維護（1）在使用保管時，應(yīng)放在適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境中(0～+35℃)，以免自感線圈的骨架和導(dǎo)線因溫度過高而引起永久性形變，導(dǎo)致電感值的不穩(wěn)定；（2）不可將標(biāo)準(zhǔn)電感放在濕度大的環(huán)境中，因有的電感線圈受濕度影響大，在相對濕度變化10

時，電感變化可達(dá)(2～3)

10

5H；（3）電感線圈附近（尤其在軸上），不要有導(dǎo)電金屬物，否則會增加渦流而使電感值變小，在擴展頻率使用時，要考慮分布電容及渦流的影響；（4）使用時線圈附近不應(yīng)有鐵磁物質(zhì)和干擾磁場。2.5標(biāo)準(zhǔn)電容

電容的單位是法拉（F），它是利用標(biāo)準(zhǔn)電容來保存的。標(biāo)準(zhǔn)電容器是交流測量電路中電容的標(biāo)準(zhǔn)量具。常用的標(biāo)準(zhǔn)電容器有固定標(biāo)準(zhǔn)電容和可變標(biāo)準(zhǔn)電容兩種。2.5.1對標(biāo)準(zhǔn)電容器的技術(shù)要求（1）電容值穩(wěn)定，即電容值隨時間的變化盡可能??；（2）電容器的損耗因數(shù)D=tan

要盡量??；（3）電容值隨溫度、濕度、頻率和電壓的變化要小。

BR13型標(biāo)準(zhǔn)空氣電容器，其額定值有：1pF、10pF、100pF、1000pF四種，基本誤差為：0.01

，tan

<5

10

5，用在50～10000Hz范圍內(nèi)電容變化小于

0.05

。

RX7型十進位式電容箱中的一套標(biāo)準(zhǔn)電容器(云母介質(zhì))2.5標(biāo)準(zhǔn)電容2.5.2實際電容器的等效電路

理想電容器沒有損耗，電壓和電流相差90

，如圖2-10所示。實際電容器具有介質(zhì)損耗，這時電壓和電流的相差小于90

，等于90

－

，如圖2-11所示。

稱為損耗角。tan

稱為損耗因數(shù)，又常用D表示，即D＝tan

（

很小）。損耗因數(shù)表示介質(zhì)損耗的相對大小。圖2-10理想電容器及相量圖圖2-11實際電容器及相量圖2.5標(biāo)準(zhǔn)電容

有損耗的實際電容器，可以用一個無損耗的理想電容器Cs和一個電阻Rs的串聯(lián)電路等效；或用一個Cp和Rp的并聯(lián)電路等效。這兩種等效電路及其相應(yīng)的相量圖如圖2-12和圖2-13所示。

(a)等效電路(b)相量圖(a)等效電路(b)相量圖圖2-12實際電容器的圖2-13實際電容器的串聯(lián)等效電路及相量圖并聯(lián)等效電路及相量圖2.5標(biāo)準(zhǔn)電容

同一個電容器的兩種等效電路，其阻抗值應(yīng)該是相等的，但構(gòu)成等效電路的參數(shù)是互不相等的，根據(jù)Y＝1/Z，可得它們之間的關(guān)系為：由相量圖得

通常Cs

CP；Rs

Rp，而且它們隨著頻率的改變而改變。只有當(dāng)tan

很小，即Rs很小以及Rp很大時，才有Cs≈CP

。對于標(biāo)準(zhǔn)電容器，這個條件通常是滿足的2.5標(biāo)準(zhǔn)電容2.5.3標(biāo)準(zhǔn)電容器的屏蔽圖2?14(a)是兩個端鈕的電容器。由于電容器的兩個極板對地有雜散電容C10和C20，其值一般很大，而且不穩(wěn)定，兩端電容器的等效電路如圖2?14(b)所示。如果將這兩端電容器的1、2端接入電路中，則1、2兩端的等效電容是：(a)(b)圖2-14兩端電容器及其對地雜散電容的等效電路2.5標(biāo)準(zhǔn)電容2.5.3標(biāo)準(zhǔn)電容器的屏蔽

兩端鈕電容器，由于雜散電容C10和C20不穩(wěn)定，則C12不穩(wěn)定。金屬屏蔽三端鈕（A、B、P

）電容，如圖2?15(a)所示，C1P和C2P穩(wěn)定，則CP0穩(wěn)定。

(a)(b)圖2-15三端電容器及其等效電路2.5標(biāo)準(zhǔn)電容2.5.4標(biāo)準(zhǔn)電容器的主要技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)電容器的主要技術(shù)性能見表2?4。2.5.5標(biāo)準(zhǔn)電容器的使用及維護（1）標(biāo)準(zhǔn)電容器的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表2?4的規(guī)定；（2）精密測量時，應(yīng)注意屏蔽端鈕的正確接法，以設(shè)法消除對地電容的影響；（3）保存的環(huán)境溫度應(yīng)穩(wěn)定；（4）精密測量，應(yīng)確保電容內(nèi)部溫度與測試溫度一致；（5）防潮、防外電場影響；（6）大容量的電容器(大于0.1

F)，在使用時應(yīng)注意由引線電感和頻率所引起的附加誤差，以及引線電阻所產(chǎn)生的附加損耗。

第2章電學(xué)度量器作業(yè)：

2-2，2-3，2-4，2-5，2-6，2-7第3章電氣測量指示儀表

的一般知識

第二篇電氣測量指示儀表

及直讀測量

電氣測量指示儀表是電工測量中使用方法最簡便儀表，可以用來測量各種電參量(如電壓、電流、功率、電阻、電感、電容、相位等)，并能夠直接指示出被測量的大小和單位（直讀測量），應(yīng)用最廣泛。電氣測量指示儀表：磁電系（含整流系）儀表，電磁系儀表，電動系儀表，感應(yīng)系儀表等。主要內(nèi)容：電氣測量指示儀表的結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)特性；利用電氣測量指示儀表對電參量進行直讀測量的方法—合理選用儀表，正確進行測量。

3.1電氣測量指示儀表的分類

（1）按儀表的工作原理分主要有：磁電系、電磁系、電動系、感應(yīng)系、整流系、靜電系、熱電系、電子系。著重介紹前面四種，另外附帶介紹整流系的電流表和電壓表。（2）按被測量的名稱(或單位)分有：電流表(安培表、毫安表、微安表)，電壓表(伏特表、毫伏表)，功率表（瓦特表)，高阻表(兆歐表)，歐姆表，電度表(瓦時表)，相位表(功率因數(shù)表)，頻率表以及多種用途的萬用表、伏安表等。（3）按被測量的變化規(guī)律分有：直流表、交流表、交直流兩用表。（4）按使用方式分有：安裝式儀表和可攜式儀表。

……3.2電氣測量指示儀表的組成

3.2.1儀表的組成3.2.2儀表測量機構(gòu)的組成原理

測量機構(gòu)是電氣測量指示儀表的核心，它的任務(wù)是將它所接受的中間量按一定比例轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樀钠D(zhuǎn)或位移，并能準(zhǔn)確而迅速地指示出被測量的數(shù)值大小。任何測量機構(gòu)都必須包括四個基本部分，即：驅(qū)動裝置、控制裝置、阻尼裝置及指示裝置。圖3-1電氣測量指示儀表的組成方框圖3.2電氣測量指示儀表的組成

1．驅(qū)動裝置測量機構(gòu)中接受中間量y以后，對活動部分產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩的裝置稱為驅(qū)動裝置。

結(jié)構(gòu)：驅(qū)動裝置一般由固定的磁路系統(tǒng)（永久磁鐵或固定線圈）及可動的線圈或鐵磁元件組成。

原理：當(dāng)線圈中通以電流時，電流與磁場之間相互作用產(chǎn)生電磁力矩，該力矩驅(qū)動與指針相連的活動部分，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。故稱該力矩為轉(zhuǎn)動力矩，用M表示。M＝

(y)[＝

(y，

)](3?1)式中，M—作用于活動部分的轉(zhuǎn)動力矩；y—測量機構(gòu)所接受的量。若被測量x與中間量y間關(guān)系y＝f(x)，則

M＝

(y)＝

[f(x)]＝F(x)

(3?3)3.2電氣測量指示儀表的組成

2．控制裝置測量機構(gòu)中，對活動部分產(chǎn)生反作用力矩Mf的裝置稱為控制裝置。控制裝置一般由彈性元件—游絲或張絲組成，如圖3-2（或圖4-34）所示。

Mf＝D

(3-4)圖3-2用盤形彈簧游絲產(chǎn)生反作用力矩1-指針；2-游絲；3-軸；4-平衡錘；5-調(diào)零器

3.2電氣測量指示儀表的組成

由式(3?4)可見，若測量機構(gòu)沒有偏轉(zhuǎn)(

=0)，則Mf＝0；若活動部分在轉(zhuǎn)動力矩M驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動，則隨著偏轉(zhuǎn)角

的增大，反作用力矩也成比例地增大，直到它等于轉(zhuǎn)動力矩時，指針才能平衡在一定的偏轉(zhuǎn)角

上。M、Mf和

之間的關(guān)系如圖3?3示。當(dāng)M＝Mf時

(3?5)

由上式可知，偏轉(zhuǎn)角的大小就可以反映測量機構(gòu)所接受的中間量y以及被測量x的大小，達(dá)到測量目的。圖3-3M、Mf與

間關(guān)系

3.2電氣測量指示儀表的組成

3．阻尼裝置測量機構(gòu)中，對活動部分產(chǎn)生阻尼力矩的裝置稱為阻尼裝置。

阻尼力矩的特點：其大小要與活動部分的偏轉(zhuǎn)速度成正比，其方向與該速度的方向相反，即

(3?6)式中，p—阻尼力矩系數(shù)；(＝d

/dt)—活動部分偏轉(zhuǎn)角速度；負(fù)號表示Mp與的方向相反。阻尼力矩只對活動部分的擺動起阻礙作用，并不改變由轉(zhuǎn)動力矩和反作用力矩所確定的平衡位置，也就是對測量結(jié)果沒有影響。它只影響活動部分的動態(tài)特性，是一種動態(tài)力矩。3.2電氣測量指示儀表的組成

阻尼狀態(tài)適當(dāng)選擇阻尼力矩系數(shù)p，活動部分就能較快地穩(wěn)定到平衡位置上，這種阻尼狀態(tài)稱為臨界阻尼狀態(tài)。臨界阻尼狀態(tài)時的阻尼力矩稱為臨界阻尼力矩，用Mc表示。當(dāng)阻尼力矩Mp較大（即Mp

Mc

）時，活動部分緩慢地偏轉(zhuǎn)到平衡位置，這種阻尼狀態(tài)稱為過阻尼狀態(tài)。當(dāng)阻尼力矩Mp較小(即Mp

Mc)時，活動部分偏轉(zhuǎn)到平衡位置時，不能馬上穩(wěn)定下來，需要作一系列衰減的周期性擺動，才能穩(wěn)定下來。這種阻尼狀態(tài)稱為欠阻尼狀態(tài)。一般儀表應(yīng)工作在稍欠阻尼狀態(tài)。3.2電氣測量指示儀表的組成

4．指示裝置指示裝置包括指示器和標(biāo)度盤。指示器與測量機構(gòu)的活動部分相連，一般為指針式或光標(biāo)式。標(biāo)度盤又稱表盤，在它上面有一條或幾條標(biāo)度尺(簡稱標(biāo)尺)，在每一條標(biāo)度尺上又有若干分度線，將標(biāo)尺分為若干小分格。根據(jù)儀表的不同，標(biāo)尺可分為單向標(biāo)尺和雙向標(biāo)尺（零標(biāo)在中央）；標(biāo)尺上的分度分為均勻分度和不均勻分度等。3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

1．儀表靈敏度和儀表常數(shù)儀表指示器偏轉(zhuǎn)的變化量

L(或

)與被測量的變化量

x之比，稱為儀表的靈敏度，用S表示，即：S＝

L/

x當(dāng)

x→0時，如果儀表的標(biāo)尺分度是均勻的，則式中，x—被測量數(shù)值；L—儀表指示器的偏轉(zhuǎn)量；m—儀表指示器偏轉(zhuǎn)的分格數(shù)。儀表靈敏度的倒數(shù)稱為儀表常數(shù)或分度常數(shù)，用C表示。C＝1/S

(3?16)3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

2．儀表的誤差和準(zhǔn)確度電氣測量指示儀表的誤差（或準(zhǔn)確度）用準(zhǔn)確度等級a表示，從整體上反映儀表的誤差性能，在使用儀表進行具體測量時所產(chǎn)生的測量誤差往往低于儀表的準(zhǔn)確度等級。在規(guī)定的正常使用條件下，一只儀表在整個標(biāo)尺分度線上的實際誤差小于或等于該儀表準(zhǔn)確度等級所允許的誤差范圍。否則儀表為不合格或降級使用。在選用儀表的準(zhǔn)確度等級時要與進行測量所要求的準(zhǔn)確度相適應(yīng)，一味追求用高準(zhǔn)確度的儀表既不經(jīng)濟也沒有必要。通常0.1級和0.2級儀表多用作標(biāo)準(zhǔn)表以校準(zhǔn)其它的工作儀表，0.5級～1.5級通常在實驗室使用，配電盤使用的儀表一般準(zhǔn)確度較低。3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

3．儀表的功耗

儀表在工作時都要消耗一部分功率——功耗，這部分功率來自被測電路。如果儀表功耗太大，一方面會引起儀表內(nèi)部元件的溫升，同時會改變被測電路的工作狀態(tài)，它們都將引起測量誤差。儀表的功耗愈低愈好。不同類型及不同量限的儀表內(nèi)部功耗不同。儀表的內(nèi)部功耗可根據(jù)儀表的參數(shù)（例如儀表的內(nèi)阻）及工作電流或電壓進行計算。

4．儀表的阻尼時間阻尼時間是指被測量開始變動到儀表的指示在平衡位置左右的擺幅不大于標(biāo)尺全長的1

時所需要的時間。為了讀數(shù)迅速，阻尼時間越短越好。一般儀表的阻尼時間不應(yīng)超過4s，最多不得超過6s。

3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

5．表的過載能力儀表在使用中，有時由于量限選擇不當(dāng)或電路發(fā)生意外而使施加到儀表上的被測量超過儀表正常工作所能接受的量，這時儀表工作在過載狀態(tài)。過載情況嚴(yán)重時，可能燒壞儀表內(nèi)部的線圈或者由于瞬時轉(zhuǎn)矩過大造成機械損壞，例如軸尖、軸承、游絲損壞或打彎指針等。為了適應(yīng)使用中的一些意外情況，各種儀表應(yīng)具有一定的耐過載能力。不同類型的儀表過載能力不同。

6．外界干擾能力儀表在工作時，要受到環(huán)境溫度、濕度及外部磁場、電場的影響。

《電氣測量指示儀表通用技術(shù)條件》中規(guī)定了各組儀表對溫度和濕度的要求如表3?1所示。3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

7．其它為了保證儀表使用安全，應(yīng)有足夠高的絕緣電阻和耐壓能力；為了讀數(shù)方便，應(yīng)有良好的讀數(shù)裝置（例如分度清晰并盡可能均勻）等；另外還希望儀表的結(jié)構(gòu)簡單、堅固，價格低廉。3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

（1）電工儀表的標(biāo)志不同種類的電工儀表具有不同的技術(shù)特性。為了便于選擇和使用儀表，通常把這些技術(shù)特性用不同的符號標(biāo)示在儀表的刻度盤或面板上，叫做儀表的標(biāo)志。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，每個儀表應(yīng)有測量對象的單位、準(zhǔn)確度等級、電流種類和相數(shù)、工作原理的系別、使用條件組別、工作位置、絕緣強度試驗電壓的大小、儀表型號以及各種額定值的標(biāo)志。（2）電工儀表的型號電工儀表的產(chǎn)品型號是按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)編制的，對于安裝式和可攜式指示儀表的型號各有不同的編制規(guī)則。安裝式儀表型號的基本組成形式如圖3?4所示。3.3電氣測量指示儀表

的主要技術(shù)特性

安裝式儀表型號的基本組成形式如圖3?4所示。常用電工儀表的型號和類組代號，如表3-3所示。例如：T24?V型交流電壓表，T—表示電磁系，24—為設(shè)計序號，V—表示用來測量電壓；

QJ23型直流電橋Q—電橋，J—直流，23—表示設(shè)計序號。

用途號(國際通用符號)設(shè)計序號(數(shù)字)系列代號(漢語拼音字母)形狀第二位代號(數(shù)字“0”可省略)形狀第一位代號(數(shù)字)第3章電氣測量指示儀表

的一般知識作業(yè)：

3-1第4章磁電系儀表

4.1磁電系測量機構(gòu)

利用永久磁鐵的磁場對載流線圈中的電流作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的測量機構(gòu)叫做磁電系測量機構(gòu)。由磁電系測量機構(gòu)組成的儀表稱為磁電系儀表。4.1.1磁電系測量機構(gòu)的結(jié)構(gòu)儀表的測量機構(gòu)由固定部分和活動部分組成，如圖4?1所示。固定部分是測量機構(gòu)的磁路系統(tǒng)，活動部分包括鋁框及繞在鋁框上的線圈、轉(zhuǎn)軸（或張絲、懸絲）、游絲、指示器（指針或光指示器中的反射鏡等）。圖4?1磁電系測量機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

4.1磁電系測量機構(gòu)

驅(qū)動裝置（磁路系統(tǒng)＋可動線圈）磁路系統(tǒng)包括：產(chǎn)生磁場的永久磁鐵，連接在永久磁鐵兩極的半圓筒形的極掌，兩個極掌空腔中固定連結(jié)于支架上的圓柱形鐵芯，極掌與圓柱形鐵芯間有一定的空氣隙?？諝庀吨行纬纱笮∠嗟?、方向為輻射狀(均勻輻射形)磁場?；顒硬糠值目蓜泳€圈就處在這個磁場中。如圖4?2所示。

圖4?2磁電系測量機構(gòu)的磁場

4.1磁電系測量機構(gòu)

磁電系測量機構(gòu)的磁路系統(tǒng)根據(jù)永久磁鐵和可動線圈的相對位置可分為：外磁式、內(nèi)磁式和內(nèi)外磁三種，如圖4?3所示?？蓜泳€圈：由很細(xì)的漆包線繞制的矩形線框。

(a)外磁式(b)內(nèi)磁式(c)內(nèi)外磁式圖4?3磁電系測量機構(gòu)的磁路4.1磁電系測量機構(gòu)

控制裝置（游絲、張絲或懸絲）磁電系測量機構(gòu)中的游絲有兩個(見圖4?1)，它們的螺旋方向相反，游絲的內(nèi)端固定在轉(zhuǎn)軸上，并分別與動圈導(dǎo)線的兩個端頭相連，外端固定在支架上，電流通過游絲引入動圈。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，游絲變形而產(chǎn)生反作用力矩。高靈敏度磁電系測量機構(gòu)中廣泛采用張絲，其結(jié)構(gòu)如圖4?4所示。張絲分上、下兩根，一端與動圈相接，另一端固定在彈片上。彈片具有彈力，可以用來調(diào)整張絲的張力，從而調(diào)整動圈轉(zhuǎn)動時張絲反作用力矩的大小。

圖4-4磁電系張絲結(jié)構(gòu)示意圖

4.1磁電系測量機構(gòu)

懸絲用在檢流計中，其結(jié)構(gòu)如圖4?5所示。懸絲2將動圈1懸掛起來，為了引入電流，還必須有導(dǎo)絲3，導(dǎo)絲用很窄的銅皮做成，不產(chǎn)生反作用力矩。圖中4是作指示用的反射鏡，它固定在懸絲上，隨懸絲的扭轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動。圖4?5磁電系檢流計結(jié)構(gòu)示意圖

4.1磁電系測量機構(gòu)

阻尼裝置磁電系測量機構(gòu)中，都是利用電磁感應(yīng)阻尼器產(chǎn)生阻尼力矩，構(gòu)成阻尼裝置的部件是圖4?1中的鋁框及動圈本身。

讀數(shù)裝置一端固定在轉(zhuǎn)軸上的指針和表盤上的標(biāo)度尺構(gòu)成。4.1磁電系測量機構(gòu)4.1.2磁電系測量機構(gòu)的工作原理磁電系測量機構(gòu)中的驅(qū)動裝置主要是由磁路系統(tǒng)和可動載流線圈組成。由于磁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點，使空氣隙中磁場呈均勻輻射狀，如圖4?2所示。轉(zhuǎn)軸和圓柱形鐵芯軸線重合的矩形動圈的長邊l和磁場方向垂直，并且在它的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，磁感強度B的大小是相等的。當(dāng)動圈中通入電流I時，動圈與磁場方向垂直的每邊導(dǎo)線受到電磁力的作用F＝WBlI

式中，W—動圈的匝數(shù)；B—空氣隙中磁場的磁感應(yīng)強度；l—與磁場方向垂直的動圈長邊的長度；I—動圈中通入的電流。4.1磁電系測量機構(gòu)

電磁力使動圈轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動力矩式中，b—動圈的寬度；S＝lb—動圈所包圍的面積。線圈轉(zhuǎn)動使游絲變形而產(chǎn)生反作用力矩，且隨活動部分偏轉(zhuǎn)角

的增加而增加，即Mf＝D

(4-3)

當(dāng)反作用力矩增加到與轉(zhuǎn)動力矩相等時，活動部分最終將停留在某平衡位置

Mf＝M

D

＝WBSI

式中，—磁電系測量機構(gòu)對電流的靈敏度。

4.1磁電系測量機構(gòu)

磁電系測量機構(gòu)的阻尼力矩MP是由繞有線圈的鋁框架產(chǎn)生的。其原理：當(dāng)線圈在磁場中運動時，閉合的鋁框架切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在鋁框中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流與空氣隙中的磁場又互相作用，產(chǎn)生一個力矩，這一力矩的方向總是與線圈轉(zhuǎn)動的方向相反，從而阻止線圈來回擺動，促使線圈很快地靜止下來。線圈轉(zhuǎn)動越快，即轉(zhuǎn)動角速度越大，感應(yīng)電流也越大，阻止線圈運動的力矩也越大；線圈停止轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)電流消失，此力矩也不存在，所以，這個力矩是阻尼力矩MP

。當(dāng)動圈與外電路構(gòu)成閉合回路時，動圈本身的偏轉(zhuǎn)也要產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而產(chǎn)生阻尼力矩。動圈本身產(chǎn)生的阻尼力矩一般遠(yuǎn)小于鋁框中產(chǎn)生的阻尼力矩。

4.2磁電系電流表

磁電系測量機構(gòu)可直接用來測量電流，做成電流表，圖4?6為測量電流的簡單電路。磁電系電流表按其量限可分為微安表(

A)，毫安表(mA)，安培表(A)，千安表（kA)。磁電系測量機構(gòu)只能直接測量微小的電流。為了測量較大的電流，則必須配上一定的測量線路擴大量限。電流表的測量線路就是與測量機構(gòu)(俗稱表頭)相并聯(lián)的分流器。構(gòu)成分流器的電阻稱為分流電阻。利用分流器可以構(gòu)成多種單量限電流表和多量限電流表。圖4-6用電流表測電流的簡單電路圖4-7單量限電流表的分流器

4.2磁電系電流表4.2.1單量限電流表單量限電流表的分流器是由一個分流電阻構(gòu)成的，如圖4-7所示。圖中I

g為通過表頭的電流(滿偏電流為Ig)；Rg為表頭的內(nèi)阻，它是游絲和動圈導(dǎo)線的總電阻；RP為分流電阻。由于RP與測量機構(gòu)并聯(lián)，測量時，被測電流只有一部分通過表頭，而其余部分則通過RP

，因此可以擴大電流量限。其關(guān)系為：而則當(dāng)I

g＝Ig時電流量限擴大K倍時，所需分流電阻

4.2磁電系電流表4.2.2分流器構(gòu)成單量限電流表的分流器稱為單量限分流器。測量較小電流的電流表分流器一般都放在儀表內(nèi)部，稱為“內(nèi)附分流器”；測量較大電流的分流器作成單獨的裝置，放在儀表外殼之外，稱為“外附分流器”；“外附分流器”的結(jié)構(gòu)型式如圖4?8(a)所示。具有兩對接線端鈕，粗的一對叫“電流端鈕”，串接于被測的大電流電路中；細(xì)的一對叫“電位端鈕”，與測量機構(gòu)(表頭)并聯(lián)，如圖4?8(b)所示。圖4-8“外附分流器”結(jié)構(gòu)形式及接法

4.2磁電系電流表“外附分流器”又分為專用分流器和定值分流器兩種。專用分流器只能用于與它一起校準(zhǔn)過的電流表；定值分流器上一般標(biāo)明額定電流值和額定電壓值，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB776?76規(guī)定，定值分流器電位端鈕間的額定電壓在額定電流下統(tǒng)一規(guī)定為30mV、45mV、75mV、100mV、150mV和300mV。只要表頭的額定電壓(等于表頭的內(nèi)阻Rg與表頭滿偏電流Ig的乘積)與分流器銘牌上標(biāo)明的額定電壓相同時，即可配合使用，這時電流表的量限就等于分流器的額定電流值。當(dāng)利用分流器擴大量限時，只有在分流器的電阻值RP和測量機構(gòu)的電阻值Rg都保持不變的條件下才能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

4.2磁電系電流表1.串聯(lián)溫度補償在測量機構(gòu)支路中串聯(lián)一個溫度補償電阻Rt

，即構(gòu)成溫度補償電路，如圖4?9所示。圖中電阻Rt也是用錳銅制成的，而且其電阻值要比測量機構(gòu)的電阻Rg大得多。這樣，當(dāng)溫度變化時，雖然Rg有所改變，但由于Rt基本上不變，所以測量機構(gòu)支路的總電阻(Rt＋Rg)的相對變化很小，電流分配的比例幾乎不變，這就有效地補償了溫度誤差。這種溫度誤差補償?shù)姆绞奖容^簡單，但補償精度較差，通常只在安裝式儀表中采用。例如：國產(chǎn)1C2?A型直流電流表就是采用這樣的補償電路。

圖4-9串聯(lián)溫度補償電路

4.2磁電系電流表

2．串并聯(lián)溫度補償電路這種補償電路是由電阻的串并聯(lián)構(gòu)成的，如圖4?10所示。圖中R1和R3為錳銅電阻，R2是銅電阻，Rg是測量機構(gòu)線圈的銅電阻，而Rp為錳銅的分流電阻。圖中被測電流I進入儀表電路后要經(jīng)兩次分流：首先經(jīng)過Rp的分流(I＝Ip+I3)，然后又有R2的分流(I3＝I1+I2)，最后得到的I1才是真正通過測量機構(gòu)的電流。

圖4-10串并聯(lián)溫度補償電路

4.2磁電系電流表

當(dāng)溫度變化時，由于電阻隨溫度的變化造成電流I3和Ip、I1和I2的分配比例發(fā)生變化。當(dāng)溫度上升時，前面的分流中，I3隨溫度的上升而減??；在后面的分流中，I1將隨溫度的上升而有增大的趨勢。適當(dāng)?shù)剡x擇各電阻的數(shù)值，可以做到當(dāng)溫度上升時，I1的較大分配正好被I3的較小分配所補償。這樣，流進測量機構(gòu)的電流I1就只取決于被測電流I的大小，而不再隨溫度變化，達(dá)到溫度補償。溫度下降亦然（讀者自己分析）4.2磁電系電流表

當(dāng)溫度變化時，由于銅的電阻溫度系數(shù)較大，所以支路R2的阻值有較大的變化；而在測量機構(gòu)支路中，Rg雖然也是銅電阻，但是因為串聯(lián)了錳銅電阻R1的結(jié)果，使這個支路的總電阻(R1+Rg)隨溫度的相對變化較小。由此造成電流I1和I2的分配比例就發(fā)生了變化。當(dāng)溫度上升時，如果電流I3不變，則電流I1就會增大。但是在另一方面，從電流I3和Ip的分配比例來看，Ip支路的電阻Rp不隨溫度變化，而I3支路中由于銅電阻R2和Rg存在，使得其總電阻將隨溫度的上升而增加，因此電流I3將隨溫度的上升而減小。總之，如果被測電流I一定，則在后面的分流中，I1將隨溫度的上升而有增大的趨勢，但是在前面的分流中，I3卻因溫度的上升而減小。適當(dāng)?shù)剡x擇各電阻的數(shù)值，可以做到當(dāng)溫度上升時，I1的較大分配正好被I3的較小分配所補償。這樣，流進測量機構(gòu)的電流I1就只取決于被測電流I的大小，而不再隨溫度變化，達(dá)到溫度補償。4.2磁電系電流表4.2.3多量限電流表在一個儀表中采用不同阻值的分流電阻，便可以制成多量限的電流表。

1.獨立分流線路多量限電流表如圖4?11所示。

優(yōu)點：各量限具有獨立分流電阻，互不干擾，調(diào)整方便

缺點：溫度誤差隨量限的變化而變化；換接開關(guān)的接觸電阻將引起很大的誤；如果接觸不良會造成分流電路斷開，則被測電流將全部通過測量機構(gòu)使表頭過載甚至燒壞。少用。

分流電阻：Ki＝Ii/Ig—分流系數(shù)。圖4-11用獨立分流電阻擴大量限

4.2磁電系電流表2.環(huán)形分流線路多量限電流表如圖4?12所示。

優(yōu)點：無論量限如何改變，表頭總是與同一電阻相閉合，所以儀表的阻尼時間和溫度誤差不隨量限而變；開關(guān)的接觸電阻與被測電路相串聯(lián)，而不包括在分流電阻內(nèi)，因此對儀表的準(zhǔn)確度沒有影響；轉(zhuǎn)換開關(guān)接觸不良也不會造成表頭過載。

缺點：各分流電阻計算較為復(fù)雜；調(diào)整阻值時，相互牽連，較為麻煩。

圖4-12用環(huán)形分流電阻擴大量限

4.2磁電系電流表

分流電阻：電阻r1、r2、r3

、…、rn與表頭串聯(lián)接成環(huán)形，最大量限為Il，最低量限為In，用R1、R2

、R3

、…、Rn分別表示各量限的分流電阻，則最低量限的總分流電阻為Kn＝In/Ig—最低量限的分流系數(shù)。任一量限時（Ri和Ii）

Ig(Rg＋Rn－Ri)＝(Ii－Ig)Ri∑R＝Rg＋Rn—表頭回路總電阻。

Ri＝KU/Ii

4.2磁電系電流表

例4?2

一只毫安表的接線如圖4?13所示。己知表頭內(nèi)阻Rg＝900

，滿偏電流Ig＝1mA，各量限電流分別為10、50、250和1000mA，求電阻r1、r2、r3和r4的阻值。解

4.3磁電系電壓表

磁電系測量機構(gòu)（即表頭，Ig、Rg

）不僅能直接測量直流電流，也能直接測量直流電壓。直接測量的最大電壓Ug＝IgRg（表頭的額定電壓）。由于Ig很小，Rg也不大，一般Ug只有毫伏級。同樣，只要配上一定的測量線路，就可以構(gòu)成單量限和多量限的磁電系電壓表。磁電系電壓表的測量線路就是在磁電系表頭上串聯(lián)一附加電阻器，如圖4-14所示。被測電壓的大部分可分配在附加電阻Rf上，而測量機構(gòu)的電壓可以限制在允許的數(shù)值內(nèi)，這樣就擴大了測量電壓的量限。附加電阻起分壓的作用。

圖4-14電壓表的附加電阻

4.3磁電系電壓表

原理：如果被測電壓為U，則通過測量機構(gòu)的電流為只要附加電阻Rf恒定不變，則I

g便與被測兩點間電壓U成正比，儀表的偏轉(zhuǎn)可以直接指示被測電壓，并按擴大量限后的電壓值刻度。

附加電阻：因為串聯(lián)的附加電阻為—電壓量限的擴大倍數(shù)

4.3磁電系電壓表

例4-3

一個滿偏電流Ig＝500

A，內(nèi)阻Rg＝200

的磁電系測量機構(gòu)，要制成30V量限的電壓表，應(yīng)串聯(lián)多大的附加電阻?

解測量機構(gòu)的額定電壓為其電壓擴大倍數(shù)m為故附加電阻為

4.3磁電系電壓表

多量限電壓表：按量限串聯(lián)不同的附加電阻。多量限電壓表的測量線路如圖4-15所示。有各量限單獨使用附加電阻和各量限共用附加電阻兩類。（1）各量限單獨使用附加電阻的多量限電壓表電壓量限擴大倍數(shù)為則(a)各量限單獨使用附加電阻(b)各量限共用附加電阻圖4-15多量限電壓表的測量線路4.3磁電系電壓表

（2）各量限共用附加電阻的多量限電壓表

令m0＝U0/Ug＝1，即U0＝Ug

或更簡單的計算方法（自證?。?/p>

4.3磁電系電壓表

例4?4

已知表頭滿偏電流Ig＝3mA，內(nèi)阻Rg＝25

，要制成量限為1.5V、3V、15V、30V的四量限電壓表，試求所需串聯(lián)的電阻rf1、rf2、rf3、rf4。

解表頭的額定電壓為各量限的擴大倍數(shù)

也可直接利用式（4?16）求串聯(lián)電阻rfi

。4.3磁電系電壓表

附加電阻器也是用錳銅絲繞制的。與分流器一樣，附加電阻器也有“內(nèi)附附加電阻器”和“外附附加電阻器”兩種?！巴飧礁郊与娮杵鳌庇钟袑Ｓ煤投ㄖ祪煞N之分?！皩Ｓ猛飧礁郊与娮杵鳌敝荒苡糜诤退黄鹦?zhǔn)過的儀表；“定值外附附加電阻器”則應(yīng)標(biāo)明其額定電壓值和額定電流值。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其額定電流值在額定電壓下規(guī)定為0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、5.0、7.5、15、30和60mA。只要表頭的滿偏電流Ig與附加電阻器上標(biāo)明的額定電流相同，即可配合使用，這時電壓表的量限就是“外附附加電阻器”上所標(biāo)明的額定電壓值。

4.3磁電系電壓表

電壓表的內(nèi)阻：RV＝Rg+Rf，RV愈大，對被測電路影響愈小。（電壓表并聯(lián)在被測電路上使用）電壓表內(nèi)阻參數(shù)（或電壓靈敏度）SU

：電壓表各量限的內(nèi)阻與相應(yīng)的電壓量限的比值（實際是電壓表表頭額定電流的倒數(shù)）為一常數(shù)，其單位為“

/V”。電壓表并聯(lián)在被測電路上，它消耗的功率為PV＝U2/RV，RV愈大，PV愈小，對被測電路的影響也愈小。

4.4磁電系歐姆表4.4.1歐姆表的基本原理磁電系測量機構(gòu)配上適當(dāng)?shù)臏y量線路還可以構(gòu)成測量電阻用的歐姆表。歐姆表測電阻的原理電路如圖4?16，增設(shè)輔助電源U。

測量電阻原理歐姆刻度尺為反向刻度；刻度尺分度不均勻。圖4?17。圖4-16歐姆表測量電阻原理電路圖

圖4-17歐姆表標(biāo)尺

4.4磁電系歐姆表

固定電阻R起限流作用，R的值應(yīng)滿足當(dāng)a、b端短接(即Rx＝0)時，表頭的指針滿偏，即此時表頭中的電流應(yīng)正好等于滿偏電流Ig，故有

R0＝Rg＋R—歐姆表的等效內(nèi)阻。式(4?17)可以改寫為當(dāng)Rx＝0時，I＝Ig，指針滿偏；當(dāng)Rx＝

時，I＝0，指針不偏轉(zhuǎn)；當(dāng)Rx＝R0時，I＝U/(2R0)＝Ig/2，指針偏轉(zhuǎn)到標(biāo)尺的中心位置。因此歐姆表標(biāo)尺中心位置的電阻值為R0

，故R0也稱為歐姆表的中值電阻或歐姆表中心。

4.4磁電系歐姆表4.4.2歐姆表的倍率歐