交直流模擬儀器（指示儀表）中國航天科技集團五院514所江蘇東方航天校準有限公司第一章常用電測量指示儀表的

工作原理和使用

在電測量指示儀表中，被測量為電磁量，電磁量作用到它的機構上，驅使儀表的可動部分產生機械位移，從而模擬出被測量的大小，即指示被測量的大小，目前廣泛使用的指針式及光指示式直接電測量儀表絕大部分屬這一類。

電測量指示儀表是電測技術領域中出現最早的一種儀表，已有二百多年的歷史，基本結構和制造工藝目前已達到相當完善的程度。為了滿足近代電測量技術中一些新的要求（如高準確度、高速度和自動測量等），出現了數字式儀表。但是，由于電測量指示儀表具有結構簡單、穩定可靠、成本低廉等一系列優點，目前仍然是電測量儀器與儀表中使用量最大、面最廣的一類。電測量指示儀表是我們要檢定的對象，因此必須對它的工作原理、技術特性和使用等有一定的了解。本章只討論檢定規程所涉及的電流表、電壓表、功率表和電阻表的工作原理及使用等問題，以利于對檢定規程的理解和掌握。§1-1電測量指示儀表的基本結構、

工作原理和主要部件

電測量指示儀表的種類雖然很多，但它的基本原理是相同的，都是由測量機構和測量線路兩個基本部分組成。

§1-1-1測量機構

電測量儀表是以偏轉角度（簡稱偏轉）反映其可動部分的位移，而偏轉是對應儀表所接受被測量的大小。為了將所測的電能轉換成偏轉（機械能），在儀表中要有將電能轉換成機械能（和偏轉相對應）的機構，該機構稱為測量機構。每個測量機構都由可動部分和固定部分構成。可動部分通常包括動圈、軟磁鐵、阻尼器及指示器等；而固定部分包括永久磁鐵、電磁線圈、標度盤及支架等。1．轉動力矩

被測量作用到測量機構的可動部分或者固定部分上（基些儀表兩者均須接受使用），由于可動部分與固定部分之間的電磁力作用而產生作用力，該力對有轉軸的可動部分產生轉矩，這個轉矩稱為轉動力矩（或作用力矩），用M表示，它可以使可動部分偏轉。

轉矩M的大小視被測量而定，對于磁電系、電磁系、電動系及靜電系等儀表的轉動力矩，可以用電工學中的電磁場能量與機械功的關系理論來確定，這類儀表的轉矩都可用下式表示：式中：A——電磁場能量；α——在轉矩M作用下可動部分的偏轉。電磁場能量A的形式及大小視儀表的類型及被測量的大小而定，各系別儀表的轉矩形式以后將分別討論。對應于每一個被測量值X有一個完全確定的轉矩值M，因此實現對被測量的測量：

儀表中接受被測量后產生轉矩的部分稱為驅動部分。2．反作用力矩

如果在儀表的可動部分上只有轉矩作用，則不論轉矩的大小，中要它能克服可動部分的摩擦，可動部分總要一直偏轉下去，這樣就無法實現測量。為了使一定大小的轉矩相應于一定大小的被測量，還必須有另一個力矩作用的到可動部分上，這個力矩的方向應和轉矩方向相反，稱這個力矩為反作用力矩。在儀表中反作用力矩起控制作用。

產生反作用力矩的方法很多，可用機械力的方法，也可用電磁力的方法。用機械力方法如用游絲、張絲及吊絲等。游絲、張絲及吊絲產生的反作用力矩Mα正比于偏轉α，其表達式為式中：W=Mα/α為游絲、張絲或吊絲偏轉（或扭轉）。單位角度產生的反作用力矩，稱為反作用力矩系數，它決定于游絲、張絲或吊絲材料幾何尺寸及物理性質。3．阻尼力矩

可動部分在轉矩作用下要運動，它具有一定動能，因而可動部分在未達到穩定偏轉之前要民生來回擺動的現象，將影響人們迅速獲得指示值。為了消除這種擺，通常在可動部分裝一個阻尼器，來吸收這部分動能。當可動部分運動時，阻尼器便產生一個運動方向相反，大小和運動速度有關的力矩，稱這個力矩為阻尼力矩。當可動部分運動時，阻尼力矩總是力圖阻止其運動，而運動一旦停止，阻尼力矩也就等于零，這樣阻尼力矩只影響可動部分的運動過程，而不影響儀表的指示值。

在儀表中常用的阻尼器有空氣阻尼器及磁感應阻尼器。阻尼力矩Mρ與可動部分的運動速度成正比關系，可用下式表示

式中：ρ——阻尼系數，它決定于阻尼器的結構參數及電磁參數（對于磁感應阻尼順）。

公式表明，當可動部分靜止了，角速度dα/dt=0，阻尼力矩亦等于零，不會影響儀表的最終示值。儀表的可動部分，一般都工作在微欠阻尼狀態，因為在這種狀態，可動部分在達到穩定偏轉之前稍作擺動后停止，便于讀數，不易產生讀數錯誤。4．摩擦力矩

在一些由軸尖軸承支承的儀表中，軸尖和軸承之間存在摩擦，它將產生和可動部分運動方向相反的摩擦力矩，阻止可動部分的運動，影響儀表示值的正確性。

式中：G——可動部分的重量；k——比例系數，它決定于軸尖和軸承的材料、尺寸、物理性質和接觸情況。

5．平衡條件及標度尺特性

當不考慮摩擦力矩影響,系統達到穩定(即阻尼力矩為零)時，轉動力矩與反作用力矩相等時，這時存在如下平衡條件：公式亦稱為平衡方程式。公式表明偏轉的大小可以反映被測量的大小。

§1-1-2測量線路

儀表的測量機構接受被測量后，可動部分便產生偏轉，接受的電量不是電流便是電壓或者兩個電流的乘積。一定的測量機構，能借以產生偏轉的電量都是一定的。例如：使磁電系和電磁系測量機構產生偏轉的電量是電流；使靜電系儀表測量機構產生偏轉的電量是電壓；使電動系儀表測量機構產生偏轉的電量是兩個電流的乘積。如被測量是其它的電量，例如：功率、能量、頻率或相位等，則必須根據所采用的測量機構，把被測量轉變成上述三種量中的一種，然后再作用到測量機構上。當被測的電流或電壓過大或過小，不適宜直接作用到測量機構上時，也需進行量值大小的轉換。在儀表中經常使用由電阻、電感、電容和互感組成一定的電路，完成必要轉變工作，此種電路稱為測量電路。被測量X通過測量電路轉換為某一個中間量y，而

函數Y=φ(X)決定于測量電路的性質。為使某一個被測量只對應一個唯一的偏轉，就要求上述關系式必須是單值的。綜上所述，被測量χ與中間量y和儀表的測量電路及測量機構的關系，如方框圖1-4表示。y=φ(x)α=?（y）=F(x)x測量電路y測量機構α被測量中間量偏轉圖1-4測量電路和測量機構方框圖§1-2電測量指示儀表的分類電測量指示儀表可根據不同的觀點來分類。下面介紹國家標準（GB/T7676-98）的十二種分類方法。

§1-2-1按準確度分類電壓電流表功率表按準確度分為十級，即0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5及3.5級。

電阻表按準確度分為十二級，即0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3、5、10及20級。

§1-2-2按使用條件分類

儀表按使用條件分為五組，即A、A、B、B1及C組。而使用條件有兩種，即工作條件和最惡劣條件。§1-2-3按外殼的防護性能分類儀表按其外殼的防護性能分為七種，即普通式、防塵式、防濺式、防水式、水密式、氣密式和隔爆式。§1-2-4按耐受機械力作用的性能分類

儀表按耐受機械力作用的性能分兩類，即普通的和能耐受機械力作用的。

§1-2-5按防御外界磁場和電場的性質分類

儀表按耐受機械力作用的性能分為四等，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等。

§1-2-6按作用原理分類

儀表按作用原理分為磁電系、動磁系、電磁系、極化電磁系、電動系、鐵磁電動系、感應系、靜電系、振簧系、熱線系、雙金屬絲系、熱電系、整流系及電子系等。§1-2-7按可動部分支承方式分類

儀表按其可動部分的支承方式分為三種，即軸尖（軸頸）軸承式、張絲式及吊絲式儀表。

§1-2-8按讀數裝置的結構形式分類儀表按讀數裝置的結構形式分為三種，即指針式、光指示器式及振簧式儀表。1-2-9按標度尺上零位的位置分類

儀表按標度尺上零位的位置分為三種，即單向標度尺、雙向標度尺及無零位標度尺儀表。

§1-2-10按使用方式分類儀表按使用方式分為兩種，即安裝式和可攜式儀表。1-2-11按標度尺特性分類儀表按標度尺特性為兩種，即均勻標度尺和非均勻標度尺儀表。§1-2-12按外形尺寸大小分類儀表按外形尺寸大小分為四種，即微型、小型、中型和大型儀表。§1-3電測量指示儀表的主要技術特性電測量指示儀表的技術特性是衡量儀表質量的主要技術依據，各種儀表應有的技術特性在國家標準（GB/T7676-98）中有明確的規定。技術特性是多方面的，但不外電氣特性和機構特性兩個方面，這里僅討論與儀表檢定有關的內容。§1-3-1儀表的誤差儀表的誤差是儀表的主要技術特性。任何一個儀表在測量時都有誤差，其指示值是被測量真值的近似值，儀表誤差的大小，說明其指示值和被測量真值的接近程度。因此儀表的準確度愈高，它的誤差也愈小。根據產生誤差的原因，儀表的誤差分為基本誤差和附加誤差兩類。1．誤差的表示方法（1）絕對誤差測量結果X和被測量真值Xo之差稱為絕對誤差。

真值通常是不知道的。因此，為了求出絕對誤差，實際上都采用標準值Xr（或稱約定真值）來代替真值。標準值是用準確度合適的儀器或儀表與測量方法測定的。絕對誤差和修正值不但有大小和符號，而且是有單位的一個量，其單位和被測量的單位相同。（2）相對誤差相對誤差γ等于絕對誤差△與被測量的標準值Xr之比，通常以百分數表示。

相對誤差與絕對誤差不同，它只有大小和符號而無單位。（3）引用誤差電壓電流功率表，線性刻度電阻表時Xn為測量范圍的上限，非線性刻度電阻表時Xn為示值。詳見規程附錄1。引用誤差與絕對誤差不同，它只有大小和符號而無單位。引用誤差與儀表的準確度等級相對應。去掉引用誤差的符號和百分號的數字為儀表的準確度等級指數。相對誤差雖然可以衡量測量的準確度，但卻不能用它來衡量指示儀表的準確度。因為每一個指示儀表都有一定的測量范圍（量限），即使絕對誤差在儀表的一個量限的全部分度線上保持不變，而相對誤差將隨著被測量的減小而增大，也就是說在儀表的各個分度線上相對誤差不是一個常數。為了便于劃分指示儀表準確度的級別，而取指示儀表的測量上限作為相對誤差表達式中的分母，因此引出所謂引用誤差的概念。2．儀表的基本誤差在規定的正常條件下，由于儀表的內部特性和質量方面的缺陷等所引起的誤差，叫做基本誤差。表1-3各級別儀表的允許基本誤差3．基本誤差的來源引起基本誤差的來源很多，其中主要有：摩擦誤差軸隙誤差不平衡誤差、游絲或張絲的永久形誤差、標度尺分度和裝配不正確誤差、讀數誤差和內部電磁場誤差等等。儀表的準確度級別0.10.20.51.01.52.55.0允許基本誤差%±0.1±0.2±0.5±1.0±1.5±2.5±5.04．儀表的附加誤差儀表在使用過程中，使用條件常常偏離規定的正常條件，這時儀表的讀數與被測量的實際值之間要出現某些附加的差異，該差異稱為附加誤差。在對儀表指示值有一定影響的量（如溫度、工作位置、頻率、電壓、波形、電磁場及功率因數等）中，某一個偏離確定基本誤差時的額定值，都會產生附加誤差。附加誤差的表示方法和基本誤差相同。5．儀表的升降變差、指示器不回零位與示值的穩定性儀表示值的穩定性是儀表的一個重要技術特性。如一個儀表的示值不穩定，給出的測量結果就不可靠，反之一個儀表的示值穩定，給出的測量結果就可信，即使誤差大，也可采用加修正值的方法去獲得準確的測量結果。一個儀表它的升降變差和不回零位小，它的示值必然是穩定的，因此在挑選儀表時應選升降變差和不回零位都小的儀表。§1-3-2阻尼

儀表應具有良好的阻尼特性，當其接入電路后，指示器應很快接近平衡位置，以便能迅速地讀取儀表示值。儀表的阻尼特性是用阻尼時間來表征的。從儀表接入電路時起，到儀表指示器的擺幅不大于標度尺全長的1％的時間為止，這個時間間隔，稱為儀表的阻尼時間。

儀表的阻尼和測量機構及測量線路有關，其中儀表可動部分的結構及重量對阻尼影響更大些。另外要求絕緣，功率損耗小，耐過載能力強，標度尺的分度線應盡可能均勻。在每一個電測量指示儀表的標度盤上，都繪有很多標志符號，它們表征儀表的主要技術特性，為了正確的使用和檢定儀表，我們必須記住它們。其中包括儀表工作原理的符號、型號、被測量單位、準確度級別、工作位置、防御外界電磁場等級及絕緣強度等等。

§1-4磁電系儀表

§1-4-1磁電系測量機構和作用原理

磁電系測量機構的特點是：固定部分由一個或幾個永久磁鐵組成,可動部分由一個載流線圈組成,兩者所構成的磁場能量來推動可動部分偏轉。可動部分的轉動力矩是由永久磁鐵的磁場與載流線圈的磁場相互作用產生的。磁電系儀表，當測量機構動框中有電流I時，整個機構系統貯藏的能量為：

式中：L——動框線圈的電感；Ψ——動框線圈與永久磁鐵所交鏈的磁通。

將上式對偏轉α求導數，就可求出轉矩M公式。由于電流I只決定于外電路，而與動框的位置無關，因此轉矩的表達式為：由于氣隙是均勻的，可以近似地認為電感不隨偏轉角而改變，即：當系統達到平衡時：儀表可動部分的偏轉角α與氣隙中的磁感應強度B、動框的面積S、動框的匝數N成正比，而與游絲的反作用力矩系數W成反比。對某一儀表動框面積S、匝數N和反作用力矩系數W都是一定的磁感應強度B也幾乎是不改變的。所以偏轉角α和電流I成線性關系，因此磁電系儀表的標度尺的分度是均勻的。磁電系測量機構僅適用于直流。

§1-4-2磁電系測量線路

把被測的電流引入可動線圈，即可從指針的角位移，讀出流過線圈電流的數值，根據這個原理可組成測量電流的基本線路。因為游絲及可動線圈允許通過的電流很小，所以它只限于制成測量小電流的微安表和毫安表。為了測量大電流，可采用分流器R和測量機構電路并聯。為了測量電壓，需要在微安表或毫安表上串聯附加電阻R而構成電壓表。

§1-4-3磁電系儀表的誤差和特性

1準確度高,磁電系儀表是一種最準確的直流儀表。由于儀表中的元件和材料都具有較高的穩定性，因此只要結構設計合理，采用良好的制造工藝，可使儀表的基本誤差很小，受外界影響也很小。對磁電系影響最大的量是溫度，為了減少溫度對儀表的影響，在磁電系儀表中采用各種溫度補償措施。這里將重點討論溫度誤差及補償措施。2刻度均勻3只使用于直流。4過載能力差。5抗干擾性強產生溫度誤差的因素：（1）游絲或張絲的彈性變化，即反作用力矩系數W的變化。（2）永久磁鐵的磁性變化，即氣隙中磁感應強度B的變化。（3）動圈及游絲或張絲的電阻變化。

§1-5電磁系儀表

§1-5-1電磁系測量機構和作用原理

電磁系測量機構的固定部分由一個或幾個載流線圈組成,可動部分由一個或幾個軟磁材料制做的鐵磁元件（或鐵芯）組成,兩者所構成的磁場能量來推動可動部分偏轉。2．電磁系儀表作用原理

電磁系儀表，當測量機構的固定線圈中有電流I時，整個機構系統貯藏的能量為：式中：I——固定線圈中的電流；L——固定線圈的電感。將上式對偏轉α求導數，就可求出轉矩M公式。由于電流I只決定于外電路，而與動框的位置無關，因此轉矩的表達式為：電磁系儀表的反作用力矩都是由游絲或張絲產生的，因為此其反作用力矩為:當轉動力矩等于反作用力矩時，可動部分達到穩定偏轉，即有:在直流情況下，電磁系測量機構可動部分的偏轉與電流的平方成正比，并與自感隨偏轉角的變化率dL/dα有關。在交流情況下，雖然轉動力矩的大小將隨時間而變化，而符號總是正的,因此偏轉總是正的。由于測量機構可動部分的轉動慣量較大，它跟不上轉矩的瞬時值變化，因此可動部分的偏轉僅決定于轉矩在一個周期的平均值MP，即在交流情況下，電磁系測量機構可動部分的偏轉決定于交流電流有效值的平方。電磁系儀表是交直流兩用儀表。電磁系儀表的標度尺分度是不均勻的，當dL/dα為常數時，標度特性是平方律關系，因此在標度尺上的分度線是前密后疏的，這就使讀數不方便。通過改變鐵芯的形狀以及它和線圈的相對位置，可使標度特性得到一定的改善，但決不會得到完全均勻的標度特性。§2-5-2電磁系測量線路

1．電流表測量線路電磁系電流表的測量線路很簡單。根據它的作用原理只要把固定線圈直接串聯于被測電路中就可測量電流。多量限電流表的固定線圈是分成數段繞制的，借助開關或接線柱改變線圈中各段線圈的連接方法得到幾個量限。固定線圈分兩段繞制，把兩段線圈串聯接法轉換成并聯接法，可得到比例為1:2的兩個量限。將固定線圈分成四段繞制，通過改變連接方法，可得到比例為1:2:4的三個量限。2．電壓表測量線路

電磁系電壓表的測量線路也很簡單。它是由固定線圈和附加電阻串聯而成。多量限的電壓表是通過換接附加電阻來得到不同的測量電壓的量限。

§1-5-3電磁系儀表的誤差和特性

1電磁系儀表適用于交直流2刻度不均勻3過載能力強4抗干擾性差5準確度不高電磁系儀表的主要誤差有磁滯誤差、外磁場影響誤差、溫度誤差、和頻率誤差。使電磁系儀表產生磁滯誤差的主要因素是鐵芯的磁滯現象。由于電磁系儀表的固定線圈是空心的，主要磁通是通過空氣磁路閉合的，所以它的磁場非常弱，因此易于受外磁場影響而產生誤差。為減少這一誤差，電磁系儀表的測量機構要采取防護措施。常用的防護措施有兩種：1）采用無定位的測量機構（又稱無定向機構）這種機構是由上下相對放置的兩套元件組成的。兩個固定線圈產生的磁場在空間上相差180?，所以有均勻的外磁場Φ作用時，外磁場使其一個線圈的磁場減弱，而使另一個線圈的磁場增強，增強的數值和減弱的數值是相等的，故其總的影響互相抵消，而不致引起誤差。（2）磁屏蔽法當外磁場不均勻時，無定位機構也不能達到最理想的效果。因此，電磁系儀表常常采用磁屏蔽方法來減小外磁場影響。溫度變化會引起游絲或張絲的反作用力矩系數的變化，而使儀表產生誤差。溫度對電壓表的影響較電流表要大，因為游絲（或張絲）的彈性隨溫度變化而變化，此外，線路的電阻也隨溫度變化而變化。當溫度升高時，線路的電阻要增加。當電壓不改變時，線路中電流要減少，儀表的示值變小。由于儀表的金屬零件在線圈交變磁場的作用下產生渦流，它和線圈之間的互感影響，對線圈起去磁作用，使轉矩減小，而產生渦流誤差,并隨頻率變化。電壓表的頻率誤差除渦流誤差外，還有線圈的感抗隨著頻率而改變所引起的誤差。電磁系儀表的波形誤差，主要是由于鐵芯材料磁化曲線的非線性引起的。

§1-6電動系儀表

§1-6-1電動系測量機構和作用原理

固定部分是固定線圈,可動部分是由裝在軸上的可動線圈構成。當測量機構的線圈中通入直流，設固定線圈的電流為I1，可動線圈的電流為I2，根據電工學原理，由它們構成的系統的能量A為:式中：L1、L2——固定和可動線圈的電感；M12——固定和可動線圈之間的互感。

當可動部分偏轉時，固定線圈和可動線圈的電感L1和L2是不變化的，因此:若I1等于I2，則可測量電流:若I等于U/Z，則可測量電壓:若I1等于I，I2等于U/Z,則可測量有功功率:電動系儀表測量功率時,如果把兩線路中任一個電流方向改變，偏轉角α變成相反符號，即儀表的指針，向相反方向偏轉。因此當接入功率表時，必須使線圈中的電流遵循一定的方向。為此功率表的兩個線圈均有標記，以區別線圈的始端和終端。如始端以符號“*”（星號）或“±”（正負號）標記。當電流從始端流入線圈時，功率表的指示器偏轉才正確。并聯線路中的附加電阻必須接在動圈的非星號端，否則會產生較大的靜電誤差，甚至能導致線圈間絕緣的擊穿。§1-6-3電動系儀表的誤差和特性

1電動系儀表適用于交直流2測量電流,電壓時刻度不均勻,測量功率時刻度均勻3過載能力差4抗干擾性差5準確度不高為了便于進行分度，電動系儀表一般都在直流下分度。這樣，要求儀表的指示在從直流過渡到交流時，只有很小的誤差。由直流過渡到交流，可看成由頻率為零過渡到不為零。所以，頻率對電動系儀表的影響是一個重要問題。溫度對電動系儀表也有一定的影響。對于功率表還有角誤差及靜電影響誤差。由于電壓表的電路中存在電感，可動線圈和固定線圈之間存在互感，電路中存在分布電容，以及在測量機構中存在渦流，以致引起電動系電壓表在直流和交流下指示值的差異。這個差異叫頻率誤差或稱交直流轉換誤差。固定和可動線圈的電阻，游絲（或張絲）的反作用力矩系數，都受溫度影響。

功率表的轉矩是和固定線圈的磁場及可動線圈的電流有關系的。前面推導功率表轉矩時，是認為定圈電流?產生的磁通Φ和電流?同相，可動線圈的電壓ū和通過動圈的電流?u同相。實際上，由于固定線圈磁路中的損耗，動圈的電感，使得電流?和磁通Φ不同相，其相位角差為θ，電壓ū和電流?u不同相，其相位角差為δ。由于存在相位角θ和δ而引起功率的測量誤差稱為功率表的角誤差。角誤差和功率因數有關，當在直流電路以及cosφ=1的交流電路使用儀表時，角誤差不呈現；當cosφ=0時，角誤差達到最大值。當負載為感性時，角誤差使儀表指示值偏大（與cosφ=1相比），當負載為容性時，角誤差使儀表指示值偏小（與cosφ=1相比）。可利用這個規律確定儀表是接在感性線路還是接在容性線路中。§1-8靜電系儀表

§1-8-1靜電系測量機構和作用原理

靜電系測量機構是利用帶電體和介質組成的系統的電場能量，來驅動可動部分偏轉的。可動部分可以是導體（又稱電極）也可以是電介質。即靜電系測量機構是一個電容一個極板為固定部分,另一極板為可動部分。靜電系測量機構的荷電系統的電場能量可表示為:靜電系儀表可動部分的偏轉與電壓的平方成正比。

§1-6-3電動系儀表的誤差和特性1靜電系儀表適用于交直流2適用于高電壓測量,適用于高頻電壓測量3刻度不均勻4過載能力強5抗干擾性差6準確度不高靜電系電壓表測量電壓是方便的，尤其測量高電壓更顯得十分方便。它不必配用龐大的附加電阻，只要在結構上采取一定的措施，可以直接接入