电动系仪表测量原理与特点

1.常用电工测量仪器仪表

（1）磁电系仪表

1）工作原理：磁电系仪表主要由固定磁路系统和可动线圈组成。固定磁路主要是永久磁铁，其可分为外磁式、内磁式和内外磁式三种。如图1-6所示，当可动线圈通电时，线圈电流和永久磁铁的磁场相互作用产生电磁力，形成一定转矩，使可动线圈发生偏转，转矩的方向取决于流进线圈的电流方向，线圈的转动引起游丝的变形而产生反作用力。可动线圈的偏转角与电流的大小成正比。用偏转角来衡量被测电流的大小，由指针在标度尺上直接示出电流的数值。

2）基本应用：磁电系仪表适用于直流仪表，广泛应用于直流标准表、便携式和安装式仪表。

图1-6 磁电系测量机构

1—永久磁铁 2—极掌 3—可动线圈 4—圆柱形铁心 5—游丝 6—指针

（2）电磁系仪表

1）工作原理：电磁系仪表的磁路系统不是永久磁铁，而是扁线圈或圆线圈。如图1-7所示，对于扁线圈吸引型仪表，当线圈通电后，产生的磁场将可动铁片吸入，使可动部分发生偏转，其磁场将可动铁片磁化，铁片磁化后的极性，即铁片靠近线圈侧是N极还是S极，由线圈中电流的方向决定。铁片的极性使铁片和线圈互相吸引。当线圈电流改变方向时，铁片被磁化后的极性也同时改变。但不管电流方向如何改变，铁片所受转矩的方向都不会改变。对于圆线圈排斥型仪表，当电流通过线圈时，两个铁片顺同一磁场的方向同时被磁化，使两个铁片的同一侧有相同的极性，产生了互相排斥的力，从而产生一定转矩，推动可动铁片旋转。当线圈电流方向改变时，两个铁片的极性同时改变，仍然互相排斥，可动铁片的受力和转动方向不变。

图1-7 电磁系测量机构

a）扁线圈吸引型 b）圆线圈排斥型

1、8—固定线圈 2、14—阻尼片 3—永久磁铁 4—磁屏 5、15—可动铁片 6、12—游丝 7、13—指针 9—磁屏蔽 10—转轴 11—平衡锤 16—定铁片

图1-8 电动系仪表测量机构

1—固定线圈 2—可动线圈 3—阻尼片 4—阻尼盒 5—指针 6—游丝

2）基本应用：电磁系仪表的结构简单牢固、过载能力强、稳定性好、成本较低，广泛应用于交流电压和电流的测量。

（3）电动系仪表

1）工作原理：与磁电系和电磁系仪表的测量机构不同，它不是利用通电线圈和磁铁之间的电磁力，而是利用两个通电线圈之间的作用力来产生转矩的。如图1-8所示，当固定线圈和可动线圈中分别通过直流电流I₁和I₂时，可动线圈将因受到转矩作用而发生偏转。转矩不仅与电流I₁和I₂的乘积有关，还与偏转角α有关。反作用转矩由游丝产生。而当电流I₁和I₂的方向同时改变时，转矩的方向也不会改变。

2）基本应用：电动系仪表除做成交直流两用的准确度等级较高的电流表、电压表外，还可以做成功率表、相位表和频率表。

（4）惠斯顿电桥

1）工作原理：如图1-9所示，图中ac、cb、bd、da四条支路为电桥的4条臂，其中R_x臂连接被测电阻，其余3个臂连接标准电阻或可调标准电阻R₂、R₃、R₄，在电桥的一条对角线cd上连接检流计P，另一对角线ab上连接直流电源E。

在电桥工作时，调节电桥的一条臂或几条臂的电阻，使检流计的指示为零。这时表示电桥达到平衡，c、d两点的电位相等，即

图1-9 直流惠斯顿电桥

I₁R_x=I₄R₄，I₂R₂=I₃R₃ （1-16）

其中I₁=I₂，I₃=I₄。

R_xR₃=R₂R₄ （1-17）

因此被测电阻R_x为(www.xing528.com)

R₂、R₃称为比例臂，R₂/R₃称为比例臂的倍率，R₄称为比较臂。因此，被测电阻等于比例臂的倍率与比较臂电阻的乘积。

2）基本应用：直流惠斯顿电桥适用于测量1～10⁶Ω的电阻，准确度较高。

（5）开尔文电桥

1）工作原理：开尔文电桥与惠斯顿电桥相比，其特点是在于它消除了用惠斯顿电桥测量时，无法消除的由接线电阻和接触电阻造成的测量误差，因此开尔文电桥测量准确度更高，是测量小电阻的常用仪器。

图1-10所示为开尔文电桥的工作原理。R_n为标准电阻，为电桥的比较臂，R_x为被测电阻。标准电阻和被测电阻各有一对电流接头和一对电压接头，电阻R为接线电阻，R₁～R₄为桥臂电阻，阻值很小，一般不超过10Ω。当电桥达到平衡时，被测电阻为

图1-10 直流开尔文电桥

P—检流计 E—直流电源 R_n—标准电阻 R₁～R₄—桥臂电阻 R_x—被测电阻 R_t—调节电阻 C_n1、C_n2、C_x1、C_x2—电流接头 P_n1、P_n2、P_x1、P_x2—电压接头

可以看出，被测电阻R_x只取决于桥臂电阻R₂和R₁的比值以及标准电阻R_n，而和接线电阻R、桥臂电阻R3和R₄无关。比值R₂/R₁称为开尔文电桥的比率或倍率。为了保证测量的准确度，连接R_x和R_n电流接头C_x1和C_x2的导线应尽量用粗线和短线，以使其电阻R的数值尽可能小。

2）基本应用：开尔文电桥适用于测量1～10-6Ω的小电阻值，测量的准确度高。

（6）交流电桥

1）工作原理：如图1-11所示，交流电桥的4条桥臂一般是由阻抗元件（、、、）组成的，它可以是电感、电容或电阻，被测对象为电桥的一臂，在电桥的一条对角线cd上接入交流指零仪，另一对角线ab上接入交流电源。它和直流电桥的工作原理相似，只是要用交流电源（多数为晶体管或电子管振荡器），指零仪也是交流的（如谐振式检流计、耳机或晶体管毫伏表等）。

图1-11 交流电桥电路

当调节电桥的桥臂参数，使交流指零仪中无电流通过时，电桥达到平衡，被测阻抗为

一般情况下，为使电桥结构简单，调节方便，常把两个桥臂设计为纯电阻。比较臂的阻抗性质由被测对象的阻抗性质来确定。当和为纯电阻时，若被测对象是电容，则它相邻桥臂也必须是电容；若是电感，则也要是电感。这样调节起来就方便些。

2）基本应用：交流电桥主要用来测量电感、电容和阻抗等参数。它也是将被测对象和标准器（如标准电感和标准电容）在电桥线路上进行比较的校验仪器，它具有比较高的测量准确度，也有能兼测电阻的交流电桥。

2.常用电工测量方法

（1）直接测量法 是指测量结果可以通过一次测量即可得到。它可以使用标准度量器直接参与比较，测得被测数值的大小；也可以使用具有相应单位分度的仪表，直接获得被测量的数值。例如：用电流表测量电流、用电压表测量电压等都属于直接测量法。直接测量法具有操作简便、读数迅速等优点。但它的准确度除受仪表基本误差的限制外，还由于仪表接入测量电路后，仪表的内阻被引入电路中，使电路的工作状态发生了改变，因此直接测量法准确度较低。

（2）比较测量法 是将被测量与度量器在比较仪器中进行比较，从而测得被测量数值的一种方法。比较测量法又可分为零值法、差值法、替代法三种。比较法的优点是准确度和灵敏度都较高，其准确度最小时可达±0.001%；缺点是操作麻烦、设备复杂，适用于精密测量。

（3）间接测量法 是指测量时只能测出与被测量有关的量，然后经过计算得出被测量。例如：用伏安法测量电阻，先用电压表和电流表测量出电阻两端的电压和流过电阻的电流，再用欧姆定律计算出电阻的值。间接测量法的误差比直接测量法大。

图1-12 HZ系列组合开关的结构

1—手柄 2—转轴 3—弹簧 4—凸轮 5—绝缘垫板 6—动触片 7—静触片 8—接线柱 9—绝缘杆