讲稿三表电子(指示仪表)课件

交直流模拟仪器（指示仪表）中国航天科技集团五院514所江苏东方航天校准有限公司第一章常用电测量指示仪表的

工作原理和使用

在电测量指示仪表中，被测量为电磁量，电磁量作用到它的机构上，驱使仪表的可动部分产生机械位移，从而模拟出被测量的大小，即指示被测量的大小，目前广泛使用的指针式及光指示式直接电测量仪表绝大部分属这一类。

电测量指示仪表是电测技术领域中出现最早的一种仪表，已有二百多年的历史，基本结构和制造工艺目前已达到相当完善的程度。为了满足近代电测量技术中一些新的要求（如高准确度、高速度和自动测量等），出现了数字式仪表。但是，由于电测量指示仪表具有结构简单、稳定可靠、成本低廉等一系列优点，目前仍然是电测量仪器与仪表中使用量最大、面最广的一类。电测量指示仪表是我们要检定的对象，因此必须对它的工作原理、技术特性和使用等有一定的了解。本章只讨论检定规程所涉及的电流表、电压表、功率表和电阻表的工作原理及使用等问题，以利于对检定规程的理解和掌握。§1-1电测量指示仪表的基本结构、

工作原理和主要部件

电测量指示仪表的种类虽然很多，但它的基本原理是相同的，都是由测量机构和测量线路两个基本部分组成。

§1-1-1测量机构

电测量仪表是以偏转角度（简称偏转）反映其可动部分的位移，而偏转是对应仪表所接受被测量的大小。为了将所测的电能转换成偏转（机械能），在仪表中要有将电能转换成机械能（和偏转相对应）的机构，该机构称为测量机构。每个测量机构都由可动部分和固定部分构成。可动部分通常包括动圈、软磁铁、阻尼器及指示器等；而固定部分包括永久磁铁、电磁线圈、标度盘及支架等。1．转动力矩

被测量作用到测量机构的可动部分或者固定部分上（基些仪表两者均须接受使用），由于可动部分与固定部分之间的电磁力作用而产生作用力，该力对有转轴的可动部分产生转矩，这个转矩称为转动力矩（或作用力矩），用M表示，它可以使可动部分偏转。

转矩M的大小视被测量而定，对于磁电系、电磁系、电动系及静电系等仪表的转动力矩，可以用电工学中的电磁场能量与机械功的关系理论来确定，这类仪表的转矩都可用下式表示：式中：A——电磁场能量；α——在转矩M作用下可动部分的偏转。电磁场能量A的形式及大小视仪表的类型及被测量的大小而定，各系别仪表的转矩形式以后将分别讨论。对应于每一个被测量值X有一个完全确定的转矩值M，因此实现对被测量的测量：

仪表中接受被测量后产生转矩的部分称为驱动部分。2．反作用力矩

如果在仪表的可动部分上只有转矩作用，则不论转矩的大小，中要它能克服可动部分的摩擦，可动部分总要一直偏转下去，这样就无法实现测量。为了使一定大小的转矩相应于一定大小的被测量，还必须有另一个力矩作用的到可动部分上，这个力矩的方向应和转矩方向相反，称这个力矩为反作用力矩。在仪表中反作用力矩起控制作用。

产生反作用力矩的方法很多，可用机械力的方法，也可用电磁力的方法。用机械力方法如用游丝、张丝及吊丝等。游丝、张丝及吊丝产生的反作用力矩Mα正比于偏转α，其表达式为式中：W=Mα/α为游丝、张丝或吊丝偏转（或扭转）。单位角度产生的反作用力矩，称为反作用力矩系数，它决定于游丝、张丝或吊丝材料几何尺寸及物理性质。3．阻尼力矩

可动部分在转矩作用下要运动，它具有一定动能，因而可动部分在未达到稳定偏转之前要民生来回摆动的现象，将影响人们迅速获得指示值。为了消除这种摆，通常在可动部分装一个阻尼器，来吸收这部分动能。当可动部分运动时，阻尼器便产生一个运动方向相反，大小和运动速度有关的力矩，称这个力矩为阻尼力矩。当可动部分运动时，阻尼力矩总是力图阻止其运动，而运动一旦停止，阻尼力矩也就等于零，这样阻尼力矩只影响可动部分的运动过程，而不影响仪表的指示值。

在仪表中常用的阻尼器有空气阻尼器及磁感应阻尼器。阻尼力矩Mρ与可动部分的运动速度成正比关系，可用下式表示

式中：ρ——阻尼系数，它决定于阻尼器的结构参数及电磁参数（对于磁感应阻尼顺）。

公式表明，当可动部分静止了，角速度dα/dt=0，阻尼力矩亦等于零，不会影响仪表的最终示值。仪表的可动部分，一般都工作在微欠阻尼状态，因为在这种状态，可动部分在达到稳定偏转之前稍作摆动后停止，便于读数，不易产生读数错误。4．摩擦力矩

在一些由轴尖轴承支承的仪表中，轴尖和轴承之间存在摩擦，它将产生和可动部分运动方向相反的摩擦力矩，阻止可动部分的运动，影响仪表示值的正确性。

式中：G——可动部分的重量；k——比例系数，它决定于轴尖和轴承的材料、尺寸、物理性质和接触情况。

5．平衡条件及标度尺特性

当不考虑摩擦力矩影响,系统达到稳定(即阻尼力矩为零)时，转动力矩与反作用力矩相等时，这时存在如下平衡条件：公式亦称为平衡方程式。公式表明偏转的大小可以反映被测量的大小。

§1-1-2测量线路

仪表的测量机构接受被测量后，可动部分便产生偏转，接受的电量不是电流便是电压或者两个电流的乘积。一定的测量机构，能借以产生偏转的电量都是一定的。例如：使磁电系和电磁系测量机构产生偏转的电量是电流；使静电系仪表测量机构产生偏转的电量是电压；使电动系仪表测量机构产生偏转的电量是两个电流的乘积。如被测量是其它的电量，例如：功率、能量、频率或相位等，则必须根据所采用的测量机构，把被测量转变成上述三种量中的一种，然后再作用到测量机构上。当被测的电流或电压过大或过小，不适宜直接作用到测量机构上时，也需进行量值大小的转换。在仪表中经常使用由电阻、电感、电容和互感组成一定的电路，完成必要转变工作，此种电路称为测量电路。被测量X通过测量电路转换为某一个中间量y，而

函数Y=φ(X)决定于测量电路的性质。为使某一个被测量只对应一个唯一的偏转，就要求上述关系式必须是单值的。综上所述，被测量χ与中间量y和仪表的测量电路及测量机构的关系，如方框图1-4表示。y=φ(x)α=ƒ（y）=F(x)x测量电路y测量机构α被测量中间量偏转图1-4测量电路和测量机构方框图§1-2电测量指示仪表的分类电测量指示仪表可根据不同的观点来分类。下面介绍国家标准（GB/T7676-98）的十二种分类方法。

§1-2-1按准确度分类电压电流表功率表按准确度分为十级，即0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5及3.5级。

电阻表按准确度分为十二级，即0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3、5、10及20级。

§1-2-2按使用条件分类

仪表按使用条件分为五组，即A、A、B、B1及C组。而使用条件有两种，即工作条件和最恶劣条件。§1-2-3按外壳的防护性能分类仪表按其外壳的防护性能分为七种，即普通式、防尘式、防溅式、防水式、水密式、气密式和隔爆式。§1-2-4按耐受机械力作用的性能分类

仪表按耐受机械力作用的性能分两类，即普通的和能耐受机械力作用的。

§1-2-5按防御外界磁场和电场的性质分类

仪表按耐受机械力作用的性能分为四等，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等。

§1-2-6按作用原理分类

仪表按作用原理分为磁电系、动磁系、电磁系、极化电磁系、电动系、铁磁电动系、感应系、静电系、振簧系、热线系、双金属丝系、热电系、整流系及电子系等。§1-2-7按可动部分支承方式分类

仪表按其可动部分的支承方式分为三种，即轴尖（轴颈）轴承式、张丝式及吊丝式仪表。

§1-2-8按读数装置的结构形式分类仪表按读数装置的结构形式分为三种，即指针式、光指示器式及振簧式仪表。1-2-9按标度尺上零位的位置分类

仪表按标度尺上零位的位置分为三种，即单向标度尺、双向标度尺及无零位标度尺仪表。

§1-2-10按使用方式分类仪表按使用方式分为两种，即安装式和可携式仪表。1-2-11按标度尺特性分类仪表按标度尺特性为两种，即均匀标度尺和非均匀标度尺仪表。§1-2-12按外形尺寸大小分类仪表按外形尺寸大小分为四种，即微型、小型、中型和大型仪表。§1-3电测量指示仪表的主要技术特性电测量指示仪表的技术特性是衡量仪表质量的主要技术依据，各种仪表应有的技术特性在国家标准（GB/T7676-98）中有明确的规定。技术特性是多方面的，但不外电气特性和机构特性两个方面，这里仅讨论与仪表检定有关的内容。§1-3-1仪表的误差仪表的误差是仪表的主要技术特性。任何一个仪表在测量时都有误差，其指示值是被测量真值的近似值，仪表误差的大小，说明其指示值和被测量真值的接近程度。因此仪表的准确度愈高，它的误差也愈小。根据产生误差的原因，仪表的误差分为基本误差和附加误差两类。1．误差的表示方法（1）绝对误差测量结果X和被测量真值Xo之差称为绝对误差。

真值通常是不知道的。因此，为了求出绝对误差，实际上都采用标准值Xr（或称约定真值）来代替真值。标准值是用准确度合适的仪器或仪表与测量方法测定的。绝对误差和修正值不但有大小和符号，而且是有单位的一个量，其单位和被测量的单位相同。（2）相对误差相对误差γ等于绝对误差△与被测量的标准值Xr之比，通常以百分数表示。

相对误差与绝对误差不同，它只有大小和符号而无单位。（3）引用误差电压电流功率表，线性刻度电阻表时Xn为测量范围的上限，非线性刻度电阻表时Xn为示值。详见规程附录1。引用误差与绝对误差不同，它只有大小和符号而无单位。引用误差与仪表的准确度等级相对应。去掉引用误差的符号和百分号的数字为仪表的准确度等级指数。相对误差虽然可以衡量测量的准确度，但却不能用它来衡量指示仪表的准确度。因为每一个指示仪表都有一定的测量范围（量限），即使绝对误差在仪表的一个量限的全部分度线上保持不变，而相对误差将随着被测量的减小而增大，也就是说在仪表的各个分度线上相对误差不是一个常数。为了便于划分指示仪表准确度的级别，而取指示仪表的测量上限作为相对误差表达式中的分母，因此引出所谓引用误差的概念。2．仪表的基本误差在规定的正常条件下，由于仪表的内部特性和质量方面的缺陷等所引起的误差，叫做基本误差。表1-3各级别仪表的允许基本误差3．基本误差的来源引起基本误差的来源很多，其中主要有：摩擦误差轴隙误差不平衡误差、游丝或张丝的永久形误差、标度尺分度和装配不正确误差、读数误差和内部电磁场误差等等。仪表的准确度级别0.10.20.51.01.52.55.0允许基本误差%±0.1±0.2±0.5±1.0±1.5±2.5±5.04．仪表的附加误差仪表在使用过程中，使用条件常常偏离规定的正常条件，这时仪表的读数与被测量的实际值之间要出现某些附加的差异，该差异称为附加误差。在对仪表指示值有一定影响的量（如温度、工作位置、频率、电压、波形、电磁场及功率因数等）中，某一个偏离确定基本误差时的额定值，都会产生附加误差。附加误差的表示方法和基本误差相同。5．仪表的升降变差、指示器不回零位与示值的稳定性仪表示值的稳定性是仪表的一个重要技术特性。如一个仪表的示值不稳定，给出的测量结果就不可靠，反之一个仪表的示值稳定，给出的测量结果就可信，即使误差大，也可采用加修正值的方法去获得准确的测量结果。一个仪表它的升降变差和不回零位小，它的示值必然是稳定的，因此在挑选仪表时应选升降变差和不回零位都小的仪表。§1-3-2阻尼

仪表应具有良好的阻尼特性，当其接入电路后，指示器应很快接近平衡位置，以便能迅速地读取仪表示值。仪表的阻尼特性是用阻尼时间来表征的。从仪表接入电路时起，到仪表指示器的摆幅不大于标度尺全长的1％的时间为止，这个时间间隔，称为仪表的阻尼时间。

仪表的阻尼和测量机构及测量线路有关，其中仪表可动部分的结构及重量对阻尼影响更大些。另外要求绝缘，功率损耗小，耐过载能力强，标度尺的分度线应尽可能均匀。在每一个电测量指示仪表的标度盘上，都绘有很多标志符号，它们表征仪表的主要技术特性，为了正确的使用和检定仪表，我们必须记住它们。其中包括仪表工作原理的符号、型号、被测量单位、准确度级别、工作位置、防御外界电磁场等级及绝缘强度等等。

§1-4磁电系仪表

§1-4-1磁电系测量机构和作用原理

磁电系测量机构的特点是：固定部分由一个或几个永久磁铁组成,可动部分由一个载流线圈组成,两者所构成的磁场能量来推动可动部分偏转。可动部分的转动力矩是由永久磁铁的磁场与载流线圈的磁场相互作用产生的。磁电系仪表，当测量机构动框中有电流I时，整个机构系统贮藏的能量为：

式中：L——动框线圈的电感；Ψ——动框线圈与永久磁铁所交链的磁通。

将上式对偏转α求导数，就可求出转矩M公式。由于电流I只决定于外电路，而与动框的位置无关，因此转矩的表达式为：由于气隙是均匀的，可以近似地认为电感不随偏转角而改变，即：当系统达到平衡时：仪表可动部分的偏转角α与气隙中的磁感应强度B、动框的面积S、动框的匝数N成正比，而与游丝的反作用力矩系数W成反比。对某一仪表动框面积S、匝数N和反作用力矩系数W都是一定的磁感应强度B也几乎是不改变的。所以偏转角α和电流I成线性关系，因此磁电系仪表的标度尺的分度是均匀的。磁电系测量机构仅适用于直流。

§1-4-2磁电系测量线路

把被测的电流引入可动线圈，即可从指针的角位移，读出流过线圈电流的数值，根据这个原理可组成测量电流的基本线路。因为游丝及可动线圈允许通过的电流很小，所以它只限于制成测量小电流的微安表和毫安表。为了测量大电流，可采用分流器R和测量机构电路并联。为了测量电压，需要在微安表或毫安表上串联附加电阻R而构成电压表。

§1-4-3磁电系仪表的误差和特性

1准确度高,磁电系仪表是一种最准确的直流仪表。由于仪表中的元件和材料都具有较高的稳定性，因此只要结构设计合理，采用良好的制造工艺，可使仪表的基本误差很小，受外界影响也很小。对磁电系影响最大的量是温度，为了减少温度对仪表的影响，在磁电系仪表中采用各种温度补偿措施。这里将重点讨论温度误差及补偿措施。2刻度均匀3只使用于直流。4过载能力差。5抗干扰性强产生温度误差的因素：（1）游丝或张丝的弹性变化，即反作用力矩系数W的变化。（2）永久磁铁的磁性变化，即气隙中磁感应强度B的变化。（3）动圈及游丝或张丝的电阻变化。

§1-5电磁系仪表

§1-5-1电磁系测量机构和作用原理

电磁系测量机构的固定部分由一个或几个载流线圈组成,可动部分由一个或几个软磁材料制做的铁磁元件（或铁芯）组成,两者所构成的磁场能量来推动可动部分偏转。2．电磁系仪表作用原理

电磁系仪表，当测量机构的固定线圈中有电流I时，整个机构系统贮藏的能量为：式中：I——固定线圈中的电流；L——固定线圈的电感。将上式对偏转α求导数，就可求出转矩M公式。由于电流I只决定于外电路，而与动框的位置无关，因此转矩的表达式为：电磁系仪表的反作用力矩都是由游丝或张丝产生的，因为此其反作用力矩为:当转动力矩等于反作用力矩时，可动部分达到稳定偏转，即有:在直流情况下，电磁系测量机构可动部分的偏转与电流的平方成正比，并与自感随偏转角的变化率dL/dα有关。在交流情况下，虽然转动力矩的大小将随时间而变化，而符号总是正的,因此偏转总是正的。由于测量机构可动部分的转动惯量较大，它跟不上转矩的瞬时值变化，因此可动部分的偏转仅决定于转矩在一个周期的平均值MP，即在交流情况下，电磁系测量机构可动部分的偏转决定于交流电流有效值的平方。电磁系仪表是交直流两用仪表。电磁系仪表的标度尺分度是不均匀的，当dL/dα为常数时，标度特性是平方律关系，因此在标度尺上的分度线是前密后疏的，这就使读数不方便。通过改变铁芯的形状以及它和线圈的相对位置，可使标度特性得到一定的改善，但决不会得到完全均匀的标度特性。§2-5-2电磁系测量线路

1．电流表测量线路电磁系电流表的测量线路很简单。根据它的作用原理只要把固定线圈直接串联于被测电路中就可测量电流。多量限电流表的固定线圈是分成数段绕制的，借助开关或接线柱改变线圈中各段线圈的连接方法得到几个量限。固定线圈分两段绕制，把两段线圈串联接法转换成并联接法，可得到比例为1:2的两个量限。将固定线圈分成四段绕制，通过改变连接方法，可得到比例为1:2:4的三个量限。2．电压表测量线路

电磁系电压表的测量线路也很简单。它是由固定线圈和附加电阻串联而成。多量限的电压表是通过换接附加电阻来得到不同的测量电压的量限。

§1-5-3电磁系仪表的误差和特性

1电磁系仪表适用于交直流2刻度不均匀3过载能力强4抗干扰性差5准确度不高电磁系仪表的主要误差有磁滞误差、外磁场影响误差、温度误差、和频率误差。使电磁系仪表产生磁滞误差的主要因素是铁芯的磁滞现象。由于电磁系仪表的固定线圈是空心的，主要磁通是通过空气磁路闭合的，所以它的磁场非常弱，因此易于受外磁场影响而产生误差。为减少这一误差，电磁系仪表的测量机构要采取防护措施。常用的防护措施有两种：1）采用无定位的测量机构（又称无定向机构）这种机构是由上下相对放置的两套元件组成的。两个固定线圈产生的磁场在空间上相差180˚，所以有均匀的外磁场Φ作用时，外磁场使其一个线圈的磁场减弱，而使另一个线圈的磁场增强，增强的数值和减弱的数值是相等的，故其总的影响互相抵消，而不致引起误差。（2）磁屏蔽法当外磁场不均匀时，无定位机构也不能达到最理想的效果。因此，电磁系仪表常常采用磁屏蔽方法来减小外磁场影响。温度变化会引起游丝或张丝的反作用力矩系数的变化，而使仪表产生误差。温度对电压表的影响较电流表要大，因为游丝（或张丝）的弹性随温度变化而变化，此外，线路的电阻也随温度变化而变化。当温度升高时，线路的电阻要增加。当电压不改变时，线路中电流要减少，仪表的示值变小。由于仪表的金属零件在线圈交变磁场的作用下产生涡流，它和线圈之间的互感影响，对线圈起去磁作用，使转矩减小，而产生涡流误差,并随频率变化。电压表的频率误差除涡流误差外，还有线圈的感抗随着频率而改变所引起的误差。电磁系仪表的波形误差，主要是由于铁芯材料磁化曲线的非线性引起的。

§1-6电动系仪表

§1-6-1电动系测量机构和作用原理

固定部分是固定线圈,可动部分是由装在轴上的可动线圈构成。当测量机构的线圈中通入直流，设固定线圈的电流为I1，可动线圈的电流为I2，根据电工学原理，由它们构成的系统的能量A为:式中：L1、L2——固定和可动线圈的电感；M12——固定和可动线圈之间的互感。

当可动部分偏转时，固定线圈和可动线圈的电感L1和L2是不变化的，因此:若I1等于I2，则可测量电流:若I等于U/Z，则可测量电压:若I1等于I，I2等于U/Z,则可测量有功功率:电动系仪表测量功率时,如果把两线路中任一个电流方向改变，偏转角α变成相反符号，即仪表的指针，向相反方向偏转。因此当接入功率表时，必须使线圈中的电流遵循一定的方向。为此功率表的两个线圈均有标记，以区别线圈的始端和终端。如始端以符号“*”（星号）或“±”（正负号）标记。当电流从始端流入线圈时，功率表的指示器偏转才正确。并联线路中的附加电阻必须接在动圈的非星号端，否则会产生较大的静电误差，甚至能导致线圈间绝缘的击穿。§1-6-3电动系仪表的误差和特性

1电动系仪表适用于交直流2测量电流,电压时刻度不均匀,测量功率时刻度均匀3过载能力差4抗干扰性差5准确度不高为了便于进行分度，电动系仪表一般都在直流下分度。这样，要求仪表的指示在从直流过渡到交流时，只有很小的误差。由直流过渡到交流，可看成由频率为零过渡到不为零。所以，频率对电动系仪表的影响是一个重要问题。温度对电动系仪表也有一定的影响。对于功率表还有角误差及静电影响误差。由于电压表的电路中存在电感，可动线圈和固定线圈之间存在互感，电路中存在分布电容，以及在测量机构中存在涡流，以致引起电动系电压表在直流和交流下指示值的差异。这个差异叫频率误差或称交直流转换误差。固定和可动线圈的电阻，游丝（或张丝）的反作用力矩系数，都受温度影响。

功率表的转矩是和固定线圈的磁场及可动线圈的电流有关系的。前面推导功率表转矩时，是认为定圈电流İ产生的磁通Φ和电流İ同相，可动线圈的电压Ū和通过动圈的电流İu同相。实际上，由于固定线圈磁路中的损耗，动圈的电感，使得电流İ和磁通Φ不同相，其相位角差为θ，电压Ū和电流İu不同相，其相位角差为δ。由于存在相位角θ和δ而引起功率的测量误差称为功率表的角误差。角误差和功率因数有关，当在直流电路以及cosφ=1的交流电路使用仪表时，角误差不呈现；当cosφ=0时，角误差达到最大值。当负载为感性时，角误差使仪表指示值偏大（与cosφ=1相比），当负载为容性时，角误差使仪表指示值偏小（与cosφ=1相比）。可利用这个规律确定仪表是接在感性线路还是接在容性线路中。§1-8静电系仪表

§1-8-1静电系测量机构和作用原理

静电系测量机构是利用带电体和介质组成的系统的电场能量，来驱动可动部分偏转的。可动部分可以是导体（又称电极）也可以是电介质。即静电系测量机构是一个电容一个极板为固定部分,另一极板为可动部分。静电系测量机构的荷电系统的电场能量可表示为:静电系仪表可动部分的偏转与电压的平方成正比。

§1-6-3电动系仪表的误差和特性1静电系仪表适用于交直流2适用于高电压测量,适用于高频电压测量3刻度不均匀4过载能力强5抗干扰性差6准确度不高静电系电压表测量电压是方便的，尤其测量高电压更显得十分方便。它不必配用庞大的附加电阻，只要在结构上采取一定的措施，可以直接接入