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1、第三讲 第二章 电流与电压的测量n第一节第一节 电流与电压的测量方法电流与电压的测量方法n第二节第二节 磁电系仪表磁电系仪表n第四节第四节 电磁系仪表电磁系仪表n第五节第五节 电动系仪表电动系仪表n第六节第六节 测量用互感器测量用互感器n第九节第九节 电流表与电压表的使用电流表与电压表的使用本章要点本章要点n掌握掌握磁电系、电磁系磁电系、电磁系和和电动系电动系三种仪表的结三种仪表的结构和工作原理。构和工作原理。n了解了解电压表和电流表的附属装置，包括分流电压表和电流表的附属装置，包括分流器、附加电阻和互感器的结构原理及其计算器、附加电阻和互感器的结构原理及其计算方法。方法。n了解了解电流表和电
2、压表的选用原则电流表和电压表的选用原则电压、电流、功率电压、电流、功率表征电信号能量的三个基本参数表征电信号能量的三个基本参数n电流是电子设备消耗功率的主要参数，也是衡量电路和电电流是电子设备消耗功率的主要参数，也是衡量电路和电子设备工作安全情况的主要参数。子设备工作安全情况的主要参数。n电压测量是电压测量是电测量电测量与与非电测量非电测量的基础；的基础；电测量电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电路工作状态：电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度电压表征电压表征 非电测量非电测量中，物理量中，物理量电压信号，再进行测量
3、电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度第一节第一节 电流与电压的测量方法电流与电压的测量方法一、直接测量：一、直接测量： 测量电流、电压一般都用直接测量。测电流时与被测量电流、电压一般都用直接测量。测电流时与被测电路串联，测电压时与被测电路并联，但应注意连测电路串联，测电压时与被测电路并联，但应注意连接在电路中的位置，如图所示接在电路中的位置，如图所示。电流表线圈应接在低电位端电流表线圈应接在低电位端电压表接地标志应接在低电位端电压表接地标志应接在低电位端二、间接测量：二、间接测量： 在特殊情况下，可以用间接法测量。例如在已焊好在特殊情况下，可以用
4、间接法测量。例如在已焊好元件的印制板上，通过测量某电阻两端电压求得电流，元件的印制板上，通过测量某电阻两端电压求得电流，或测量通过电阻的电流，求出电阻两端的压降。或测量通过电阻的电流，求出电阻两端的压降。在不断开电路的状在不断开电路的状态下测量电流态下测量电流n测量电流和电压的仪器按工作原理：测量电流和电压的仪器按工作原理：n磁电系：磁电系：通电线圈在磁场中受电磁力矩的作用产通电线圈在磁场中受电磁力矩的作用产生偏转，测生偏转，测直流直流n电磁系：电磁系：通电线圈产生磁场形成转动力矩使指针通电线圈产生磁场形成转动力矩使指针产生偏转，测产生偏转，测交流交流n电动系：电动系：利用通电的固定线圈和可动
5、线圈之间的利用通电的固定线圈和可动线圈之间的d电动力产生转动力矩使指针产生偏转，测电动力产生转动力矩使指针产生偏转，测交流交流 第二节第二节 磁电系仪表磁电系仪表一、磁电系仪表结构一、磁电系仪表结构磁电系测量机构的磁路系统分为三种形式，外磁式、内磁电系测量机构的磁路系统分为三种形式，外磁式、内磁式和内外磁式。磁式和内外磁式。1.外磁式磁电系仪表的结构外磁式磁电系仪表的结构 二、工作原理二、工作原理n 磁电系仪表的驱动力矩磁电系仪表的驱动力矩BlINrM2 n 磁电系仪表的反作用力矩磁电系仪表的反作用力矩由游丝产生，与驱动力矩平衡而使指针停留在确由游丝产生，与驱动力矩平衡而使指针停留在确定位置，
6、方向与驱动力矩方向相反。定位置，方向与驱动力矩方向相反。 DM 式中：式中： 指针偏转角度指针偏转角度D由游丝弹性决定的常数。由游丝弹性决定的常数。可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使指针产生偏转，当可动线圈稳定后，指针停在某一指针产生偏转，当可动线圈稳定后，指针停在某一角处：角处：ISIDBNsDBlINrMMIa 2CUCUSRUDBNsIDBNs 若与被测电压并联，仪表的内阻为若与被测电压并联，仪表的内阻为 R ，则仪表偏转角，则仪表偏转角与电压关系为与电压关系为 3.磁电系仪表的阻尼力矩磁电系仪表的阻尼力矩绕有线圈的铝
7、框中的感应电流与磁场相互作用而产生的。绕有线圈的铝框中的感应电流与磁场相互作用而产生的。用来使得由于惯性作用而使指针的摆动尽快停止，稳用来使得由于惯性作用而使指针的摆动尽快停止，稳定在某一位置。定在某一位置。4. 摩擦力摩擦力 矩：矩：摩擦力矩主要产生在活动部分的转轴与轴承之间。摩擦力矩主要产生在活动部分的转轴与轴承之间。它使仪表产生测量误差。它使仪表产生测量误差。 三、技术性能三、技术性能 1. 灵敏度高灵敏度高、准确度高、准确度高、表耗功率低表耗功率低永久磁铁与铁心永久磁铁与铁心间的气隙小，气隙间的磁感应强度比较强，故有比较高的间的气隙小，气隙间的磁感应强度比较强，故有比较高的灵敏度。灵敏
8、度。磁感应强度较强，驱动力矩大，可采用反作用力矩系数比较大的游丝。有磁感应强度较强，驱动力矩大，可采用反作用力矩系数比较大的游丝。有较大的定位力矩，使摩擦力矩的影响减小，可获得较高的准确度。较大的定位力矩，使摩擦力矩的影响减小，可获得较高的准确度。流过表头的电流小，故仪表功耗小流过表头的电流小，故仪表功耗小磁电系仪表是一种应用广泛具有高磁电系仪表是一种应用广泛具有高灵敏度、高灵敏度、高准确度、低表耗功率的仪表。准确度、低表耗功率的仪表。2.2.具有均匀等分的刻度具有均匀等分的刻度 磁电系仪表的指针偏转角与可动线圈的电流成正比，标尺的刻度磁电系仪表的指针偏转角与可动线圈的电流成正比，标尺的刻度均
9、匀等分，易于标尺的制作。均匀等分，易于标尺的制作。 3.3.只能用于直流电路只能用于直流电路 通交流电：通交流电：频率小于可动部分的固有振动频率时，指针随电流方向的变化频率小于可动部分的固有振动频率时，指针随电流方向的变化左右摆动；左右摆动；频率大于固有振动频率时，指针偏转角指示直流分量。频率大于固有振动频率时，指针偏转角指示直流分量。若在交流范围使用，必须配整流器。若在交流范围使用，必须配整流器。 4.4.过载能力弱过载能力弱被测电流通过游丝导入导出，可动线圈的导线很细，过载时容易烧毁。被测电流通过游丝导入导出，可动线圈的导线很细，过载时容易烧毁。磁电式仪表的应用磁电系直流电流表磁电系直流电
10、流表微安表或毫安表微安表或毫安表磁电系直流电压表磁电系直流电压表具有较高电阻具有较高电阻磁电系直流微安表或指零仪表磁电系直流微安表或指零仪表检流计检流计1、磁电系电流表的构成、磁电系电流表的构成直接测量的电流只能是微安级或毫安级直接测量的电流只能是微安级或毫安级用电流表测电流的简单电路+ -RRcIcRc 表头的内阻,它包括线圈和游丝 （引线）的电阻；Ic 是满刻度电流，即量程，也称灵敏度。量程越小，其灵 敏度越高。这就是我们通常所说的表头。四、磁电系电流表及其扩程方法四、磁电系电流表及其扩程方法在表头上并联一个分流电阻，被在表头上并联一个分流电阻，被测电流大部分通过分流器，其测电流大部分通过
11、分流器，其电流的关系为电流的关系为cshcshccRRRRIRI 当电流扩大当电流扩大n n倍倍cnII 1 nRRcshRcIshIcRsh单量程电流表的基本电路单量程电流表的基本电路I2.量程扩展量程扩展n磁电系仪表可以通过分流器扩大其量程，也可以并联若干磁电系仪表可以通过分流器扩大其量程，也可以并联若干个电阻，通过更换输入接头，可组成多量程的电流表。个电阻，通过更换输入接头，可组成多量程的电流表。外附分流器外附分流器 外附分流器：它有两对接线端钮，粗的一对（在外边）叫外附分流器：它有两对接线端钮，粗的一对（在外边）叫“电流接头电流接头”,串接于被测的大电流电路中；细的一对（靠里边）串接于
12、被测的大电流电路中；细的一对（靠里边）叫叫“电位接头电位接头”与表头并联。与表头并联。 分流器接线法分流器接线法 将磁电式仪表与被测电压并联，磁电系仪表偏转角将磁电式仪表与被测电压并联，磁电系仪表偏转角与被测电压的关系：与被测电压的关系： 根据欧姆定律可知，一只内阻为根据欧姆定律可知，一只内阻为Rc c、满刻度电流为、满刻度电流为 Ic的的磁电系测量机构，本身就是一只量程为磁电系测量机构，本身就是一只量程为UcIcRc的直流电压的直流电压表，只是其电压量程太小。如果需要测量更高的电压，就表，只是其电压量程太小。如果需要测量更高的电压，就必须扩大其电压量程。根据串联电阻具有分压作用的原理必须扩大
13、其电压量程。根据串联电阻具有分压作用的原理. . 磁电系直流电压表是由磁电系测量机构与分压电阻串磁电系直流电压表是由磁电系测量机构与分压电阻串联组成的。联组成的。五、磁电系电压表五、磁电系电压表CUCUSRUDBNsIDBNs 直接测量上限：直接测量上限：Uc=IcRc，一般只有毫伏级；，一般只有毫伏级； 扩程改装，如图所示，扩程改装，如图所示，Rad叫附加电阻，也叫扩程电阻。叫附加电阻，也叫扩程电阻。 电压表的基本电路电压表的基本电路UUadUcRc IcRadRmm1ma dca dcca dcccca da dccca dcUIRUUUUURRIIRRRUURRRR令，则则（1 )上式说
14、明，要使电压表量程扩大上式说明，要使电压表量程扩大m倍，需要串联的分压电阻应是测量倍，需要串联的分压电阻应是测量机构内阻机构内阻Rc的（的（m1）倍。）倍。cccadcIRURRU 多量限电压表：串联不同的附加电阻即可构成多量限电压表。多量限电压表：串联不同的附加电阻即可构成多量限电压表。n例：例： 一磁电系测量机构，满刻度电流为一磁电系测量机构，满刻度电流为200A200A，可动线，可动线圈内阻为圈内阻为300300，若要改装成，若要改装成60V60V量程的电压表，应串联量程的电压表，应串联多大的附加电阻？该电压表的总内阻是多少？多大的附加电阻？该电压表的总内阻是多少？n解：解：3 0 00
15、 .0 66 0m1 0 0 00 .0 6(1)(1 0 0 01)3 0 02 9 9 .7cccca dcUI RVUURmRk- 6先 求 出 测 量 机 构 的 压 降= 2 0 01 0 kRRRCadV300由此可见磁电系电压的内阻与量程有关。由此可见磁电系电压的内阻与量程有关。 电压表各量限的内阻与相应电压量限的比值称为电压表各量限的内阻与相应电压量限的比值称为电压灵电压灵敏度敏度SU，单位为，单位为“/V”，由电压灵敏度可以计算出仪表某一量程下的内阻及表头灵敏度由电压灵敏度可以计算出仪表某一量程下的内阻及表头灵敏度Ic。在相同的电压量程下，电压灵敏度越高，内阻越大，对被测电在
16、相同的电压量程下，电压灵敏度越高，内阻越大，对被测电路的影响越小，测量准确度也越高。路的影响越小，测量准确度也越高。电压灵敏度：电压灵敏度：CSIURS1 电磁系仪表是测量交流电压和交流电流的最常用的一电磁系仪表是测量交流电压和交流电流的最常用的一种仪表。种仪表。具有结构简单、过载能具有结构简单、过载能力强、价格便宜、可以交直力强、价格便宜、可以交直流两用等一系列优点，在实流两用等一系列优点，在实验室、工业测量中应用十分验室、工业测量中应用十分广泛。广泛。第四节第四节 电磁系仪表电磁系仪表n电磁系测量机构用被测电流通过一固定线圈，线电磁系测量机构用被测电流通过一固定线圈，线圈产生的磁场磁化铁心
17、，铁心与线圈或者铁心与圈产生的磁场磁化铁心，铁心与线圈或者铁心与铁心相互作用而产生转矩。铁心相互作用而产生转矩。n区别区别:电磁系仪表：测量机构的磁场由通电的固定线圈产生，电磁系仪表：测量机构的磁场由通电的固定线圈产生，磁电系仪表：测量机构的磁场由永久磁铁产生。磁电系仪表：测量机构的磁场由永久磁铁产生。n电磁系仪表结构有吸引型、推斥型和吸引推斥型三种形式。电磁系仪表结构有吸引型、推斥型和吸引推斥型三种形式。一、电磁系仪表的结构一、电磁系仪表的结构n驱动力矩驱动力矩：吸引型的驱动力矩是利用线圈通电后，对：吸引型的驱动力矩是利用线圈通电后，对可动铁心产生吸引力，使指针偏转。推斥型则靠线圈可动铁心产
18、生吸引力，使指针偏转。推斥型则靠线圈同时对固定、可动铁心进行磁化，由于磁化的极性相同时对固定、可动铁心进行磁化，由于磁化的极性相同，产生互斥而形成驱动力矩。同，产生互斥而形成驱动力矩。n线圈中的磁场能量为线圈中的磁场能量为 ：n线圈对铁心的吸引力造成的力矩为：线圈对铁心的吸引力造成的力矩为：二、电磁系仪表的工作原理二、电磁系仪表的工作原理21d2dd WLMIdIL被测电流值线圈自感212WL In反作用力矩反作用力矩：由游丝产生，设其反作用力矩系数为：由游丝产生，设其反作用力矩系数为D。 可动部分平衡时，指针停止转动，此时：可动部分平衡时，指针停止转动，此时： DMa221dd2d2dLIL
19、IDID2kI 电磁系测量机构的读数方程电磁系测量机构的读数方程n阻尼力矩：阻尼力矩：n一般采用磁感应阻尼。利用阻尼翼片切割永久磁铁的磁场，一般采用磁感应阻尼。利用阻尼翼片切割永久磁铁的磁场，使翼片中形成涡流，涡流与磁场相互作用产生阻尼力矩。使翼片中形成涡流，涡流与磁场相互作用产生阻尼力矩。n因为电磁系仪表的测量线圈磁场很弱，故阻尼磁铁必须用因为电磁系仪表的测量线圈磁场很弱，故阻尼磁铁必须用软磁材料屏蔽。软磁材料屏蔽。n电磁系仪表即可测量直流，也可以测量交流量的有效值。电磁系仪表即可测量直流，也可以测量交流量的有效值。n如果通以交流电，由于两铁片的极性同时改变，所以仍如果通以交流电，由于两铁片
20、的极性同时改变，所以仍然产生推斥力。指针偏转角与被测电流瞬时值平方成正然产生推斥力。指针偏转角与被测电流瞬时值平方成正比，当瞬时值变化很快时，由于可动部分惯性，指针偏比，当瞬时值变化很快时，由于可动部分惯性，指针偏转角将决定于瞬时力矩在一个周期内的平均值，转角将决定于瞬时力矩在一个周期内的平均值，三、电磁系仪表技术性能三、电磁系仪表技术性能1、使用范围、使用范围dd21dd)1(21202LILdtiTMTcp 即指针偏转角与交流有效值平方成正比，所以电磁系仪即指针偏转角与交流有效值平方成正比，所以电磁系仪 表可用于测表可用于测量交流，并可与直流共用同一标尺。量交流，并可与直流共用同一标尺。2
21、、刻度特性、刻度特性n由于指针偏转角与被测电流的平方成正比，所以标尺呈平由于指针偏转角与被测电流的平方成正比，所以标尺呈平方律特性，前密后疏。方律特性，前密后疏。3、防干扰性能、防干扰性能线圈磁场的工作气隙大，磁场相对较弱，受外磁场影响比线圈磁场的工作气隙大，磁场相对较弱，受外磁场影响比较明显。较明显。磁屏蔽磁屏蔽无定位结构无定位结构特性总结：特性总结：1结构简单，价格低廉，过载能力强；结构简单，价格低廉，过载能力强；3灵敏度低，准确度低，最高为灵敏度低，准确度低，最高为0.5级，功耗大级，功耗大 ；4交直流两用；交直流两用；5刻度不均匀；刻度不均匀；6频率误差大，主要用于工频测量；频率误差大
22、，主要用于工频测量；7由于本身磁场较弱，抗干扰能力差；由于本身磁场较弱，抗干扰能力差；磁滞效应：磁场可以将铁块磁化，之后即使磁场消失，铁块的磁力不会回到原磁滞效应：磁场可以将铁块磁化，之后即使磁场消失，铁块的磁力不会回到原来的七点来的七点三、电磁系电流表三、电磁系电流表电磁系测量机构可直接作为电流表，只要将被测电磁系测量机构可直接作为电流表，只要将被测电流接入固定线圈中即可，可测较大的电流。电流接入固定线圈中即可，可测较大的电流。单量程电流表：多为开关板式（安装式）。单量程电流表：多为开关板式（安装式）。 直接接入电路的电磁系电流表，其最大量限不超过直接接入电路的电磁系电流表，其最大量限不超过
23、200A。 测量测量200A以上的交流电流时，应与电流互感以上的交流电流时，应与电流互感 器配合使用，器配合使用， 相应电流表的量限均为相应电流表的量限均为5A。双量限表：双量限表： 是将固定线圈分成两段绕是将固定线圈分成两段绕制，用金属连接片使其改变两制，用金属连接片使其改变两段段 线圈的连接方式，以达到改线圈的连接方式，以达到改变量限的目的。变量限的目的。 串联，量程为串联，量程为I； 并联量程为并联量程为2I；测量机构的总安匝数为测量机构的总安匝数为2NI。量程扩大一倍。量程扩大一倍。n改变量程：将固定线圈分段，利用各段线圈的串联或并联改变量程：将固定线圈分段，利用各段线圈的串联或并联来
24、改变电流量程。量限的改变用开关来完成。来改变电流量程。量限的改变用开关来完成。三量程电流表改变量程的原理电路三量程电流表改变量程的原理电路 四段串联 两两并联再串联 四段并联量程为量程为I 量程为量程为2I 量程为量程为4I 电磁系仪表与被测电路并联即可作为电压表测量电压，电磁系仪表与被测电路并联即可作为电压表测量电压，若要扩大量程，可采用由固定线圈串联附加电阻。若要扩大量程，可采用由固定线圈串联附加电阻。电磁式电压表电磁式电压表安装式：单量程安装式：单量程最大：最大：750V最小：几伏最小：几伏可携式：多量程可携式：多量程线圈分段法线圈分段法串并联换接法串并联换接法附加电阻分段法附加电阻分段
25、法四、电磁系电压表n改变电压量程，可改变线圈的附加电阻。改变电压量程，可改变线圈的附加电阻。n但是附加电阻不宜过大，否则通过固定线圈的电流很小，但是附加电阻不宜过大，否则通过固定线圈的电流很小，需要增加固定线圈的匝数，使误差增大。需要增加固定线圈的匝数，使误差增大。n电磁系电流表n磁电系电流表第五节第五节 电动系仪表电动系仪表用于交流精密测量用于交流精密测量交流标准表交流标准表n与电磁系仪表的区别：与电磁系仪表的区别：由可动线圈代替可动铁心。由可动线圈代替可动铁心。可以消除磁滞和涡流的影响，使准确度提高可以消除磁滞和涡流的影响，使准确度提高n电动系测仪表具有固定和可动两套线圈电动系测仪表具有固
26、定和可动两套线圈可以测量功率、电能可以测量功率、电能一、电动系仪表的结构一、电动系仪表的结构电动系仪表的结构n若把固定线圈绕在铁心上，就构成铁磁电动系仪表。这种仪表优点是：磁场强、转矩大。但由于铁磁材料的磁滞和涡流损耗，会造成误差。铁磁材料因为存在非线性影响故对铁心材料要求较高，多用于安装式仪表。二、电动系仪表的工作原理间的互感固定线圈与可动线圈之可动线圈的电感固定线圈的电感1221MLL21122222112121IIMILILW二、电动系仪表的工作原理ddMIIddLIddLIddWM12212221212121ddWM ddMIIM1221二、电动系仪表的工作原理有关的电流和与流过两个线
27、圈可动线圈偏转的角度ddMddMIIDDddMIIMMa12122112211DMa考虑交流情况：有关相位差的余弦和的电流有效值、两电流与流过两个线圈角度交流：可动线圈偏转的值矩在一个周期内的平均偏转角度决定于瞬时力瞬时力矩：圈分别通交流电流设：固定线圈和活动线ddMddMIIDddMIIdtddMtItITdtddMi iTdtmTMcpddMi imtItIitItIiTTTttMM1212211221012210122101221222111COS1COS)sin(2sin2111)sin(2)sin(sin2sinn作为电流或电压表使用时，如果两线圈通以同一电流，或被测电流的一部分，且
28、互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方或被测电压平方成正比，或与交流电流或电压有效值平方成正比。n如作为功率表使用，指针偏转角正比于被测功率。三、技术性能n1、交直流两用n2、刻度特性电流表、电压表平方律的刻度。准确度高于电磁系。功率表 均匀刻度n3、准确度和坚固性无铁磁物质，不存在磁滞和涡流，准确度可以达到0.5级，最大0.1级气隙大 ，磁场弱，可动部分要轻，结构较脆弱，过载能力差n4、抗干扰能力易受外界磁场影响，需屏蔽ddMIID1221COS1n1、作为小量程电流表使用时，可将固定线圈与可动线圈串联四、电动系电流表 固定线圈与可动线圈流过的电流相同ddMIDIII122211n2、
29、作为大量程使用时，由于可动线圈不允许通过大电流，故可动线圈只能与固定线圈并联。四、电动系电流表)(1211222121222111KKKddMKIDRRRRRIKIRRIIKIRRI并联后的等值电阻可动线圈的支路电阻固定线圈的支路电阻、n3、扩大量程n直流：改变线圈匝数如：把固定线圈分成两段，改变它们的串并联组合n交流：使用互感器五、电动系电压表五、电动系电压表 可动线圈、固定线圈相互串联，与附加电阻形成测量电路，改变附加电阻可以改变电压量限。22212122212111()xxadadviviUUdMdMIDdD RRRW Rd电动系电压表n电动系电压表可动部分的偏转角与被测电压的平方有关，
30、其标尺同样具有平方特性，为不均匀刻度。n多量限的电动系电压表，主要是利用附加电阻的改变来实现的。n电动系电压表和电磁系电压表一样，既要保证线圈能产生足够的磁化力，又要尽量减少匝数，以免产生频率误差和温度误差。所以电动系电压表具有较大表耗电流，或者说它的内阻比较小。n有些电压表为了适应较宽频率范围的测量，可采用并联电容的办法。n简述磁电系测量机构的工作原理。简述磁电系测量机构的工作原理。n磁电系电流表和电压表如何进行量程的扩展？磁电系电流表和电压表如何进行量程的扩展？n为什么电磁系仪表可以交直流两用？为什么电磁系仪表可以交直流两用？n简述磁电系仪表和电磁系仪表的标度尺有什么简述磁电系仪表和电磁系仪表的标度尺有什么不同？为什么？不同？为什么？nP294P294 3 3、
