1、第12章 電工測量,12.1 電工儀表的分類 12.2 常用電工儀表的工作原理 12.3 電工測量技術 12.4 萬用表 12.5 電橋 12.6 兆歐表 思考題與習題,12.1 電工儀表的分類,12.1.1 按準確度分類 根據(jù)國家標準GB77676， 電工測量儀表可以分為0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 1.5、 2.5和5.0七個精度等級， 這些數(shù)字是指儀表的最大引用誤差值， 如表12-1所示。 其中， 0.1、 0.2和0.5級的較高準確度儀表常用來進行精密測量或作為校正表； 1.5級的儀表一般用于實驗室； 2.5和5.0級的儀表一般用于工程測量。,表12-1 電工儀表的準確度和最

2、大引用誤差,不管儀表的質量如何， 儀表的指示值與實際值之間總有一定的差值， 稱為誤差。 顯然， 儀表的準確度與其誤差有關。 誤差有兩種： 一種是基本誤差， 它是由儀表本身的因素引起的， 比如由彈簧永久變形或刻度不準確等造成的固有誤差； 另一種是附加誤差， 它是由外加因素引起的， 比如測量方法不正確， 讀數(shù)不準確， 電磁干擾等。 儀表的附加誤差是可以減小的， 使用者應盡量讓儀表在正常情況下進行測量， 這樣可以近似認為只存在基本誤差。,儀表的準確度是根據(jù)儀表的最大引用誤差來分級的。 最大引用誤差是指儀表在正常工作條件下測量時可能產(chǎn)生的最大基本誤差A與儀表的滿量程Am之比， 習慣上用百分數(shù)表示， 即

3、,（12-1）,由上式可以求得儀表的最大基本誤差， 如一準確度為1.0, 量程為10 A的儀表， 可能產(chǎn)生的最大基本誤差為 A=Am=1.0%10=0.1 A 在正常工作條件下， 儀表的最大基本誤差（最大絕對誤差）是不變的。 要衡量測量值的準確度， 必須使用相對誤差。,相對誤差是指最大基本誤差A與被測量真值A0之比的百分數(shù)， 即,(12-2),相對誤差越小， 測量的準確度越高。 比如用上述電流表分別來測量8A和2A的電流， 則相對誤差分別為1.25%和5%。 因此， 在選用儀表的量程時， 應該使被測量的值盡量接近滿標值。 通常當被測量的值接近滿刻度的2/3時， 測量結果較為準確。,例12-1

4、某待測電壓為8 V， 現(xiàn)用0.5級量程為030 V和1.0級量程為010 V的兩個電壓表來測量， 問用哪個電壓表測量更準確？ 解 用0.5級量程為030 V的電壓表來測量， 可能產(chǎn)生的最大基本誤差為 A1=Am=0.5%30=0.15 V 最大可能出現(xiàn)的相對誤差為,用1.0級量程為010 V的電壓表來測量， 可能產(chǎn)生的最大基本誤差為 A2=Am=1.0%10=0.1 V 最大可能出現(xiàn)的相對誤差為,相對誤差越小， 測量越準確， 顯然用1.0級量程為010 V的電壓表來測量更為準確。 例12-1說明， 為了獲得較為準確的測量結果， 除了選用準確度等級較高的儀表外， 還要注意選擇合適的量程。,12.

5、1.2 按被測量的種類分類 按照被測量的種類可以將電工儀表分為電流表、 電壓表、 歐姆表、 功率表、 頻率表、 電度表、 功率因數(shù)表等， 如表12-2所示。,表12-2 電工儀表按被測量的種類分類,12.1.3 按被測電流種類分類 按被測電流種類可以將電工儀表分為直流儀表、 交流儀表和交直流儀表三種， 如表12-3所示。,表12-3 電工儀表按被測電流種類分類,12.1.4 按工作原理分類 電工儀表按工作原理不同可分為磁電式儀表、 電磁式儀表、 電動式儀表、 整流式儀表等， 如表12-4所示。,表12-4 電工儀表按工作原理分類,在儀表的表面上通常都標有儀表類型、 準確度等級、 所通電流種類、

6、 儀表的絕緣耐壓強度和放置位置等， 如表12-5所示。,表12-5 某一電工儀表上的符號,12.2 常用電工儀表的工作原理,12.2.1 電工儀表的結構 電工儀表通常由測量機構和測量電路兩部分組成， 測量機構又分為固定部分和可動部分。 固定部分由磁鐵、 線圈、 軸承和表盤等組成， 可動部分包含可動線圈、 轉軸、 指針、 旋轉彈簧（游絲）、 阻尼器等（如圖12-1所示）。,圖12-1 可動部分示意圖,測量機構的主要作用是當被測量接入測量機構時， 產(chǎn)生轉動力矩， 使得儀表指針轉動， 轉動力矩的大小是被測量和偏轉角的函數(shù)， 同時彈簧產(chǎn)生一個反作用力矩， 該力矩的大小是偏轉角的函數(shù)。 當測量被測量時，

7、 若測量機構產(chǎn)生的轉動力矩與反作用力矩相等， 則指針就停在某一位置上， 指示出被測值。,測量電路的作用是將被測量轉換成測量機構可以接受的、 與被測量成正比的電磁量。 為了縮短測量時間， 電工儀表中均設有阻尼裝置。 當轉動力矩與反作用力矩平衡時， 往往由于可動部分的慣性作用， 指針在偏轉角附近搖擺不定， 從而延長了測量時間， 這時阻尼裝置產(chǎn)生一個與速度成正比、 與運動方向相反的力矩， 稱為阻尼力矩， 使得可動部分很快穩(wěn)定。 阻尼力矩既可以由電磁力產(chǎn)生， 也可以由空氣阻尼裝置產(chǎn)生。 下面介紹常用的幾種電工儀表。,12.2.2 磁電式儀表 磁電式儀表是指利用儀表可動線圈中的被測電流產(chǎn)生的磁場和固定的

8、永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場之間的相互作用來工作的儀表。,磁電式儀表的結構如圖12-2所示。 它的固定部分主要是磁路， 包括永久磁鐵、 極掌（永久磁鐵靠近圓柱形鐵心的端面）和圓柱形鐵心， 極掌與鐵心間有均勻分布的氣隙； 它的可動部分套在圓柱形鐵心的外面， 由轉軸、 指針、 線圈、 旋轉彈簧（游絲）及鋁框等組成。 線圈繞在鋁框的外邊， 工作時可動線圈中通以被測電流。 轉軸分為前后兩部分， 每半部分均與鋁框相連， 前面的轉軸上安裝旋轉彈簧， 旋轉彈簧一端固定， 一端與線圈的出線端相連， 用以將被測電流引入線圈中， 同時旋轉彈簧用來產(chǎn)生反作用力矩。,圖12-2,用磁電式儀表進行測量時， 可動線圈中通入被測

9、電流， 由于永久磁鐵產(chǎn)生恒定磁場， 通電線圈在恒定磁場中受到電磁力的作用， 根據(jù)左手定則， 可以判斷線圈的兩個有效邊受到的力大小相等， 方向相反（上下兩個方向）， 對線圈所連接的轉軸形成力矩的作用， 其大小為 T=Fb=B(NI)lb=NBIS （12-3）,式中, B為磁感應強度； l為線圈的有效長度； b為線圈的寬度； S為線圈的面積； N為線圈的匝數(shù)。 上面的這個電磁轉矩使得轉軸帶動指針偏轉， 同時旋轉彈簧隨轉軸旋轉， 產(chǎn)生反作用力矩。 顯然旋轉彈簧的反作用力矩與指針的偏轉角成正比， 即 Tf=Kf （12-4）,當反轉矩與轉動轉矩平衡時， 指針停止偏轉， 即 T=Tf 這時， 偏轉角,

10、（12-5）,上式說明， 指針偏轉角與儀表所通電流成正比， 所以磁電式儀表的刻度是線性的。 磁電式儀表的阻尼裝置是由鋁框兼顧的。 當鋁框上的線圈受到電磁力的作用轉動時， 鋁框一起轉動， 將切割永久磁場的磁力線， 在框內(nèi)感應出電流， 該電流又與恒定磁場作用， 使得鋁框受到與其運動方向相反的力的作用， 產(chǎn)生制動力矩。 儀表的可動部分將受到阻尼力矩的作用， 可以消除振蕩， 使指針迅速停止在平衡位置。,從前面的分析可知， 磁電式儀表只能通入直流電， 若通入交流電， 由于可動部分的轉動慣量大， 電流頻率變化較快， 因而來不及隨轉矩的變化而轉動， 偏轉角只能由平均轉矩來決定。 因為轉矩由電流產(chǎn)生， 正弦交

11、流電的平均值為零， 平均轉矩也為零， 指針搖擺后最終回到零， 所以磁電式儀表不能測交流電。,若在測量電路中增加一個整流環(huán)節(jié)， 即將交流電整流后再加給線圈， 則電流的平均值不再為零。 將此平均值與交流電的有效值的比例關系考慮到刻度中去， 就可以用來測量交流電的有效值。 一般這類儀表都是針對正弦交流電來設計的， 所以可以直接用來測量正弦交流電的有效值。 對于非正弦交流電， 由于刻度并不是按照其有效值進行標注的， 故不能測量其有效值。,磁電式儀表的優(yōu)點是刻度均勻， 儀表內(nèi)部耗能小， 靈敏度和準確度較高。 另外， 由于儀表本身的磁場較強， 所以抗外界磁場干擾能力較強。 這種儀表的缺點是結構復雜， 價格

12、較高， 過載能力小， 且只能用來測量直流。 由于磁電式儀表準確度較高， 所以經(jīng)常用作實驗室儀表和高精度的直流標準表， 通常用來測直流電流、 直流電壓， 也用作萬用表的表頭。,12.2.3 電磁式儀表 電磁式儀表的測量機構分為吸引型、 排斥型兩大類， 常用排斥型儀表的結構如圖12-3所示， 下面以排斥型電磁式儀表為例講述其工作原理。 電磁式儀表主要由固定的圓形線圈、 線圈內(nèi)部的固定鐵片、 固定在轉軸上的可動鐵片以及阻尼片等構成。 當線圈中通以被測電流時， 在線圈周圍產(chǎn)生磁場， 定鐵片和動鐵片同時被磁化， 這稱為同一磁性， 即同一端的極性相同。 由于同性相斥， 可動鐵片帶動指針偏轉， 當轉動力矩與

13、游絲產(chǎn)生的反作用力矩平衡時， 指針就穩(wěn)定在某一位置上， 指示被測值。,圖12-3 排斥型電磁式儀表的結構,可以近似認為作用在儀表可動部分的轉動力矩與被測電流的平方成正比。 若通入直流電， 則儀表的轉動力矩為 T=K1 I2 （12-6） 與磁電式儀表相同， 旋轉彈簧產(chǎn)生的反作用力矩也與指針的偏轉角成正比， 即 Tf=Kf 當轉動力矩與反力矩平衡時， 指針停止偏轉， 即,（12-7）,若通交流電， 儀表內(nèi)仍然可以產(chǎn)生相互排斥的作用力， 因為當電流方向改變時， 可動鐵片和固定鐵片的磁化方向也隨之改變， 由它們產(chǎn)生的轉動力矩的瞬時值仍然與電流瞬時值的平方成正比， 又因為轉動力矩與電流的平方成正比，

14、所以電流方向改變時， 轉動力矩的方向不變。 習慣上用平均力矩來衡量儀表的偏轉， 則平均力矩為,（12-8）,式中, I為交流電的有效值， K1與K1 均為常數(shù)。,可以推導得出， 儀表的偏轉角仍然與電流的平方成正比， 只是該電流指的是交流電的有效值。 換句話說， 電磁式儀表測交流量時， 儀表的指示值為交流量的有效值。 由于轉動力矩與電流的平方成正比， 所以電磁式儀表的刻度不均勻。 電磁式儀表的阻尼裝置采用的是空氣阻尼器。 阻尼片固定在轉軸上， 并且放在一個密閉的小室中， 當儀表的轉軸轉動時， 阻尼片隨之移動， 使阻尼片兩側的空氣壓力不同而產(chǎn)生一個阻礙可動部分轉動的力矩， 該力矩就是阻尼力矩， 其

15、作用與磁電式儀表的阻尼力矩相同， 使得指針迅速穩(wěn)定。,電磁式儀表的優(yōu)點是結構簡單， 價格便宜， 過載能力較大， 能用來測量直流、 正弦和非正弦交流電量， 不需輔助設備， 可直接測量大電流； 缺點是刻度不均勻， 準確度和靈敏度不高， 耗能較大， 由于其本身磁場是由被測電流產(chǎn)生的， 所以防電磁干擾能力較差。 一般用電磁式儀表來測量交流電壓和電流。,12.2.4 電動式儀表 電動式儀表是指可動線圈中的電流與固定線圈中的電流相互作用而工作的儀表， 其結構如圖12-4所示。 電動式儀表主要由固定線圈和可動線圈組成。 固定線圈分兩部分繞在框架上， 以產(chǎn)生均勻磁場； 可動線圈固定在轉軸上， 軸上還固定有指針

16、、 旋轉彈簧、 空氣阻尼片等。 和磁電式儀表相同， 可動線圈的電流也是從旋轉彈簧引入的。 由于固定線圈的電流不需經(jīng)過旋轉彈簧， 所以固定線圈的導線可以選用較粗的導線。,圖12-4,當固定線圈中通以電流I1時， 根據(jù)電磁感應原理， 將在線圈周圍產(chǎn)生磁場， 其磁感應強度B與電流I1成正比。 若可動線圈也通入電流I2， 則可動線圈在磁場B中將受到電磁力的作用， 根據(jù)左手定則可判斷出， 可動線圈的左右兩側有效邊受到的電磁力的方向剛好相反， 大小與磁感應強度B和電流I2的乘積成正比。 該力矩可以表示為 T=K1I1I2 (12-9),此力矩將帶動轉軸和指針一起偏轉。 同時旋轉彈簧將產(chǎn)生反作用力矩， 與指

17、針的偏轉角成正比， 即 Tf=Kf 當反力矩與轉動力矩相等時， 指針穩(wěn)定下來， 偏轉角為,（12-10）,上式說明， 當測直流電時， 偏轉角與兩個線圈所通電流的乘積成正比， 依此可以刻出表盤， 但表盤刻度不均勻。 指針的偏轉方向取決于兩個電流的方向， 改變其中任何一個線圈的電流方向即可改變指針的偏轉方向。 若固定線圈和可動線圈的電流同時改變， 則指針的偏轉方向不變。 因此， 電動式儀表既可以測量直流量， 也可以用來測量交流量。,對電動式儀表通入正弦交流電i1和i2， 與電磁式儀表相似， 其轉動力矩的瞬時值與兩電流的瞬時值乘積成正比， 同樣， 習慣上用平均值衡量被測量， 則平均力矩為,（12-1

18、1）,式中, I1和I2為交流電的有效值； cos為交流電i1 和i2相位差的余弦。,當用電動式儀表測交流電時， 其偏轉角為,（12-12）,從上式可以看出， 測交流電時， 偏轉角不僅與交流電的有效值有關， 還與兩電流的相位差的余弦成正比。 因此， 可以用電動式儀表來測量交流電功率。 電動式儀表的阻尼裝置與電磁式的相同。,電動式儀表的優(yōu)點是既可以測量交流、 直流量， 還可以測量非正弦交流量的有效值， 由于沒有鐵心的磁滯和渦流影響， 所以準確度比電磁式儀表要高； 缺點是刻度不均勻， 過載能力差， 儀表內(nèi)部耗能大， 由于可動線圈的電流從旋轉彈簧引入， 所以抗電磁干擾能力較差。 電動式儀表一般適用于

19、制作交、 直流兩用儀表和交流校準表， 或用來制作功率表。,12.3 電工測量技術,電工測量是指在直流或低頻時用電工儀表或數(shù)字儀表對電學量（電壓、 電流、 電功率、 電阻、 電容等）、 磁學量（磁場強度、 磁通、 磁動勢等）以及有些非電量進行測量， 其中， 各種電學量的測量是電工測量的主要任務。 下面介紹一些常用電量的測量技術。,12.3.1 電流的測量 進行電流測量時， 通常選用電流表。 測量某一支路的電流時， 只有被測電流流過電流表， 電流表才能指示其結果， 因此電流表應串聯(lián)在被測量電路中， 如圖12-5所示。 考慮到電流表有一定的電阻， 串入之后不應該影響電路的測量結果， 所以電流表的內(nèi)阻

20、必須遠小于電路的負載電阻。,圖12-5 電流的測量電路,圖12-6 具有分流器的電流表測量電路,測量直流電流一般用磁電式電流表。 磁電式電流表的測量機構只能通過幾十微安到幾十毫安的電流， 要測量較大的電流時， 應該在測量機構上并聯(lián)一個低值電阻以進行分流， 如圖12-6所示。 這樣儀表所測的電流是被測電流的一部分， 但它們之間有如下關系：,則可得出分流電阻,（12-13）,例12-2 一磁電式電流表， 其滿量程為10 mA， 內(nèi)阻10 。 現(xiàn)要將其量程改為1 A， 問應并聯(lián)多大的分流電阻？ 解 應并聯(lián)的電阻為,測量交流電流一般用電磁式電流表， 進行精密測量時用電動式電流表。 由于所測的是交流電流

21、， 所以其測量機構既有電阻又有電感， 要想擴大量程就不能單純地并聯(lián)分流電阻， 而應將固定線圈繞組分成幾段， 采用線圈串聯(lián)、 并聯(lián)及混聯(lián)的方法來實現(xiàn)多個量程。 當被測電流很大時， 可利用電流互感器來擴大量程。,12.3.2 電壓的測量 測量某一段電路的電壓時， 應將電壓表并聯(lián)在被測電壓的兩端， 電壓表的端電壓才等于被測電壓， 如圖12-7所示。 電壓表并入電路必然會分掉原來支路的電流， 影響電路的測量結果， 為了盡量減小測量誤差， 不影響電路的正常工作狀態(tài)， 電壓表的內(nèi)阻應遠大于被測支路的電阻。 但電壓表的測量機構本身電阻不大， 所以在電壓表的測量機構中都串聯(lián)一個阻值很大的電阻。,圖12-7 電

22、壓的測量電路,圖12-8 具有倍壓器的電壓測量電路,直流電壓的測量一般使用磁電式電壓表。 要擴大儀表的量程， 應該在測量機構中串聯(lián)分壓電阻， 此分壓電阻稱為倍壓器， 如圖12-8所示。 此時， 測量機構上所測電壓為被測電壓的一部分， 即,由上式可得分壓電阻,（12-14）,可以看出， 電壓表要擴大的量程越大， 所串聯(lián)的倍壓器的阻值應越大。 多量程的電壓表內(nèi)部具有多個分壓電阻， 不同的量程串接不同的分壓電阻。,例12-3 一磁電式電壓表， 量程為50 V， 內(nèi)阻2000 。 現(xiàn)想將其量程改為200 V， 問應串聯(lián)多大的電阻？ 解 應串聯(lián)的電阻為,測量交流電壓時， 一般采用電磁式電壓表， 精密測量

23、則采用電動式電壓表。 要想擴大交流電壓表的量程， 可以采用線圈串、 并聯(lián)的方法來實現(xiàn)， 也可以在電磁式電壓表內(nèi)部串聯(lián)倍壓器來實現(xiàn)。 測量600 V以上的電壓時， 應該使用電壓互感器先把電壓降低再來配合測量。,12.3.3 電功率的測量 前面講過， 電動式儀表的偏轉角不僅與兩線圈電流的有效值有關， 而且與它們的相位差的余弦有關， 所以通常用電動式儀表來測量電功率。 測量功率時， 電動式儀表可動線圈的電流從旋轉彈簧流入， 因為線圈的導線較細， 所通過的電流較小， 所以用可動線圈作為電壓線圈(即可動線圈)串聯(lián)倍壓器后， 與測量電路并聯(lián)以測量負載電壓。,固定線圈的電流可直接流入線圈， 因為線圈的導線較

24、粗， 可以通過較大電流， 所以可作為電流線圈(即固定線圈)與被測電路串聯(lián)以測量電流， 功率表的結構示意如圖12-9所示。,圖12-9 功率表的結構示意圖 (a) 結構示意圖； (b) 圖形符號,1. 直流電功率的測量 直流電功率可以用電壓表和電流表間接測量求得， 也可以用功率表來直接測量。 直接測量時的接線如圖12-10所示。 應該注意， 電壓線圈與電流線圈的進線端一般標記為“*”， 應把兩個進線端接到電源的同一端， 使得兩個線圈的電流參考方向相同。,圖12-10 功率表的接線圖,在測量直流功率時， 由式（12-10）可知， 電動式儀表的偏轉角=KI1I2， 可動線圈作為電壓線圈， 電壓與電流

25、同相， 有,（12-15）,由上式可知， 電動式功率表的偏轉角與功率UI成正比。 也就是說， 只要測出了指針的偏轉格數(shù)， 就可以算出被測量的電功率, 即,（12-16）,式中C為功率表每格所代表的功率， 用量程除以 滿標值求得。,例12-4 功率表的滿標值為1000， 現(xiàn)選用電壓為100 V， 電流為5 A的量程， 若讀數(shù)為600， 求被測功率為多少？ 解 若選用題目中的量程， 則功率表每格所代表的功率為,于是， 被測功率為 P=C=0.5600=300 W 從上例可以看出， 功率表的量程選擇實際上是通過選擇電壓和電流量程來實現(xiàn)的。,2. 單相交流電功率的測量 在測量交流電時， 由式（12-1

26、2）可知， 電動式儀表的偏轉角不僅與電壓電流有效值的乘積有關， 而且與它們的相位差的余弦有關。 電動式功率表的電壓線圈上的電壓與其所通過的電流有一定的相差， 但電動式儀表的電壓線圈串有很大的分壓電阻， 其感抗與電阻相比可忽略， 認為電壓線圈上的電壓與其電流基本同相， 則有,（12-17）,則單相交流電的功率,（12-18）,可見， 由功率表測得的單相交流電的功率是平均功率， 它與功率表的偏轉角成正比。 同理， 只要測出了儀表的偏轉表格， 即可算出被測功率。 實驗室用的單相功率表一般都有兩個相同的電流線圈， 可以通過兩個線圈的不同連接方法（串聯(lián)或并聯(lián)）來獲得不同的量程， 電壓線圈量程的改變是通過

27、改變倍壓器來實現(xiàn)的。,3. 三相交流電功率的測量 三相交流電的功率有以下三種測量方法。 （1） 一瓦計法。 對于三相對稱電路， 由于各相負載所消耗的功率相等， 所以可以采用一瓦計法測量出一相的功率， 然后乘以3， 則為三相的功率， 即 P=3P1 （12-19）,（2） 兩瓦計法。 對于三相三線制電路， 不論負載是星形還是三角形， 都可以采用兩瓦計法來測量功率， 如圖12-11所示。 兩個功率表的讀數(shù)之和即為三相總功率， 即 P=P1+P2 （12-20） 由圖可以看出 P1=U13I1 cos P2=U23I2 cos 式中, 為線電壓u13與線電流i1的相位差； 為線電壓u23與線電流i2

28、的相位差。,圖12-11 兩瓦計法測三相功率,采用兩表法進行測量時， 兩個功率表的電流線圈串接在三相電路中任意兩相以測線電流， 電壓線圈分別跨接在電流線圈所在相和公共相之間以測線電壓。 應該注意的是， 電壓線圈和電流線圈的進線端“*”仍然應該接在電源的同一側， 否則將損壞儀表。 用兩瓦計法測量功率的測量原理介紹如下。,三相瞬時功率為 p =p1+p2+p3=u1i1+u2i2+u3i3 =u1i1+u2i2+u3(-i1-i2)=(u1-u3)i1+(u2-u3)i2 =u13i1+u23i2=p1+p2,平均功率為,由上式可知， 三相電路采用兩瓦計法測量時， 兩表的讀數(shù)之和確實是三相總功率。

29、 當負載的功率因數(shù)很低時， 線電壓和線電流的相位差可能大于90， 功率表的指針要反偏， 這時必須將功率表的電流線圈反接才能測量出結果， 但計算總功率時， 必須將此項計為負值， 即式（12-20）是兩表的代數(shù)和。,（3） 三瓦計法。 對于三相四線制電路， 通常采用三瓦計法測量功率， 如圖12-12所示。 三個功率表的代數(shù)和即為三相總功率， 即 P=P1+P2+P3 （12-21）,圖12-12 三瓦計法測三相功率,12.4 萬 用 表,萬用表是一種常用的多功能表， 主要用來測量電壓、 電流、 電阻、 晶體管放大倍數(shù)等, 雖然準確度不高， 但使用簡單， 攜帶方便， 是維護、 檢修電氣設備的常用工具

30、。 萬用表可以分為模擬式和數(shù)字式萬用表兩大類。,12.4.1 模擬式萬用表 模擬式萬用表由磁電式微安表、 測量電路、 轉換開關等幾大部分組成。 測量電路的作用是把被測量轉換成適合磁電式儀表測量的小直流電流； 轉換開關的作用是針對不同的測量電量實現(xiàn)不同測量電路的轉換和量程的轉換。圖12-13是MF30型萬用表的外形圖， 下面以該萬用表為例， 說明其使用方法。,圖12-13 MF30型萬用表,1. 直流電流的測量 圖12-14是用MF30型萬用表測量直流電流時的原理圖。 此時轉換開關打到直流電流擋， 將萬用表串聯(lián)在被測電路中。 電流從“”端流入， “”端流出。 直流電流擋有五個量程， 從圖可以看出

31、， 不同的量程對應不同的分流電阻， 改變轉換開關的位置實際上是改變了分流器的分流電阻值， 也就改變了量程。,比如打到5 mA擋， 分流器的阻值為RA1 +RA2 +RA3 ， 其余電阻與表頭串聯(lián)； 指針偏轉時， 應該按照表盤上第二條線讀數(shù)， 但要注意量程與滿標值之間的關系。 實際使用時， 如果對被測電流的大小不了解， 應該先用最大量程來測量， 然后再根據(jù)指針的偏轉程度來選用合適的量程， 以減小誤差。 轉換量程時注意不可帶電轉換。,圖12-14 測量直流電流的原理電路圖,圖12-15 測量直流電壓的原理電路圖,2. 直流電壓的測量 測量直流電壓時， 萬用表的轉換開關打到直流電壓擋， 將萬用表并聯(lián)

32、在被測電壓兩端， 其原理圖如圖12-15所示。 直流電壓表由直流電流表串聯(lián)不同的電阻構成， 串接的電阻越大， 電壓表的量程越大。 電壓表的內(nèi)阻越高， 從測量電路分到的電流越小， 被測電路受到的影響越小。 通常用儀表的靈敏度來表示這一特征， 即用儀表的總內(nèi)阻與電壓量程的比值來表示。 如MF30型萬用表的500 V擋， 其總內(nèi)阻為2500 k， 則靈敏度為2500/500=5 k/V。,3. 交流電壓的測量 由于磁電式儀表只能測直流， 所以測交流電壓時需要在測量電路中增加整流裝置， 如圖12-16所示。 電路中設置了整流二極管VD1和VD2。,圖12-16 測量交流電壓的原理電路圖,測量時， 在正

33、弦交流電的正半周， 二極管VD1導通， VD2截止， 這時萬用表與測量直流電壓時的電路相同； 在正弦交流電的負半周， VD2導通， VD1截止， 表頭被短接， 沒有電流通過萬用表。 可見， 萬用表測交流電壓時， 測的是正弦波正半周的電流平均值， 而正半周的電流平均值與交流電壓的有效值間有一定的比例關系， 因此可以直接用萬用表來測量正弦交流電壓的有效值。 一般萬用表測量的電量頻率為451 kHz， 只能用來測正弦交流電的電壓。交流電壓擋的量程改變與直流電壓相同， 靈敏度較直流電壓擋低。,4. 電阻的測量 測量電阻時， 萬用表打到電阻擋。 把待測電阻分別與萬用表的兩個表筆相接觸， 則待測電阻與萬用

34、表內(nèi)的干電池、 調(diào)節(jié)電阻、 表頭形成一個閉合回路， 如圖12-17所示， 萬用表面板上的“+”端接內(nèi)部電源的負極， 而“”端接內(nèi)部電源的正極， 這樣回路中將有電流產(chǎn)生， 使得指針偏轉， 指示被測電阻值。,圖12-17 測量電阻的原理電路圖,從圖12-17可以看出， 被測電阻越大， 回路電流越小， 偏轉角越小。 當被測電阻為零時， 偏轉角最大； 被測電阻無窮大時， 偏轉角為零。 因此， 測量電阻時， 萬用表的刻度剛好與測量電壓、 電流時的刻度方向相反。 表盤上的刻度與量程擋之間成比例關系， 比如對于10擋， 指示值乘以10即為當前所測電阻值。,實際測量時， 首先要將萬用表調(diào)零， 方法是將萬用表打

35、到電阻擋， 兩個表筆短接， 若指針偏轉后指在0刻度， 說明該萬用表不需要調(diào)零； 否則應轉動調(diào)節(jié)電位器， 使指針指到零。 每換一個量程， 需要調(diào)零一次。 如果調(diào)零后指針調(diào)不到0刻度， 則說明表內(nèi)電池不足或接觸不良， 需要更換電池或維修。,為了提高測量電阻的準確性， 應盡量使用刻度盤的中間段， 因此需要選擇合適的量程。 使用電阻擋測量電阻時應特別注意， 不要帶電測量， 以免外電路電壓在電阻測量電路中產(chǎn)生電流， 燒壞萬用表。 測量低電阻時， 要注意表筆的接觸電阻； 測量大電阻時， 應注意 不要與人體形成并聯(lián)電路。 測量結束后， 應將轉換開關轉到高電壓擋， 避免造成電池的浪費。,2.4.2 數(shù)字式萬用

36、表 數(shù)字式萬用表由轉換開關、 測量電路、 模數(shù)轉換器、 數(shù)字顯示電壓表等幾大部分組成。 其中轉換開關、 測量電路的功能與模擬式萬用表相同， 模數(shù)轉換器是把測量電路測出的模擬信號轉換成數(shù)字信號， 數(shù)字顯示電壓表接受來自模數(shù)轉換器的數(shù)字信號， 采用七段數(shù)碼、 液晶等顯示電路進行電壓數(shù)值顯示。,由于電壓表內(nèi)部采用了半導體集成技術， 所以數(shù)字式萬用表電流擋的內(nèi)阻可以做得很小， 電壓擋內(nèi)阻則可以做得很大， 電阻擋流過的電流又可以很小， 從而減少了對被測電路的影響。 數(shù)字式萬用表內(nèi)部沒有機械損耗， 杜絕了機械損耗所引起的讀數(shù)誤差， 它的準確度和靈敏度比模擬式萬用表要高得多。 此外， 它還具有測量速度快，

37、易于讀取等優(yōu)點。,圖12-18為DT830型數(shù)字式萬用表的外形圖。 用數(shù)字式萬用表測量電阻時， 黑表筆（一般接COM端）接內(nèi)電源負極， 紅表筆（接其余三個輸入插孔中的一個）接正極， 正好與模擬式萬用表的接法相反。 數(shù)字式萬用表的使用方法與模擬式萬用表基本相同。,圖12-18 DT830型數(shù)字式萬用表的外形圖,12.5 電 橋,在工程與科研實踐中， 電阻、 電感、 電容和阻抗的測量是經(jīng)常遇到的問題。 例如， 磁電式儀表可以測量直流電阻， 但準確度比較低， 特別是測量小于1 的電阻時， 由于接觸電阻和測量導線電阻的影響使得測量無法進行。,工程應用中需要測量的電阻范圍非常廣泛， 從10-6 1012

38、 ， 無論精度還是大小， 萬用表均無法達到， 而且前面講過的儀表不能進行電感、 電容、 阻抗等的測量。 本節(jié)要介紹的電橋是專門用來進行電阻、 電容、 電感等電參數(shù)精確測量的電工儀表。 直流電橋用來精確測量電阻， 交流電橋用來精確測量電感、 電容、 阻抗等電參數(shù)。,12.5.1 直流電橋 直流電橋的外形如圖12-19所示。 根據(jù)結構不同， 直流電橋分為單電橋、 雙電橋和單雙電橋。 單電橋比較適合測量中值電阻（110 6 ）； 雙電橋適合測量低值電阻（1 以下）。,圖12-19 直流電橋外形圖,1. 直流單電橋 直流單電橋又稱為惠斯登電橋， 其原理圖如圖12-20所示， 。 其中Rx、 R2、 R

39、3、 R4構成四個電橋的橋臂， Rx為被測電阻， 其余三個臂連接標準可調(diào)電阻。 電橋的一個對角線ac上接直流電源E， 另外一個對角線bd上接檢流計。,圖12-20 直流單電橋原理電路圖,測量時， 調(diào)節(jié)某個橋臂的電阻使得檢流計的電流為零， 即Ubd =0， 這時電橋平衡， 則 Ix=I2, I3=I4 由此可得,IxRx=I4R4 I2R2=I3R3,將上兩式相比， 得被測電阻,（12-22）,在實際的電橋線路中， 上式中R2/R3的值是10n， 提供一個相對固定的比例系數(shù)， 因此這兩個電阻所在的橋臂又稱為比例臂。 R4的值可以由零開始連續(xù)調(diào)節(jié)， 稱為比較臂。 實際上R2/R3和R4已制成相應的

40、讀數(shù)盤， 測量時， 調(diào)節(jié)讀數(shù)盤的轉換開關， 使得檢流計為零， 此時兩表盤的乘積即為被測電阻的值。,2. 直流雙電橋 由于受接觸電阻和導線電阻的影響， 用單電橋測量1 以下的電阻時誤差仍然很大， 所以測量低值電阻要采用雙電橋。 雙電橋又稱為凱爾文電橋， 其原理電路如圖12-21所示， R1、 R2、 R3、 R4是橋臂電阻， 也把電位端的接線電阻和導線電阻接在其中； R為跨線電阻， 電流端的接線電阻和導線電阻接在其中， 阻值很小， 可以通過大電流； Rx和Rn分別是被測電阻和標準電阻， 而且是四個端鈕結構的電阻。 這種接線方式消除了接線電阻和導線電阻的影響。,圖12-21 直流雙電橋的原理電路圖

41、,雙電橋的平衡條件與單電橋基本相同， 其原理是要對圖12-21進行Y-變換， 讀者可自行分析。 電橋平衡時， 有,（12-23）,實際測量時， 直流雙電橋與單電橋的讀數(shù)相同。 R2/R3和Rn也已制成相應的讀數(shù)盤， 測量時， 調(diào)節(jié)讀數(shù)盤的轉換開關使得檢流計為零， 此時兩表盤的乘積即為被測電阻的值。 但接線時應該注意， 雙電橋的標準電阻與被測電阻各有一對電流接頭（Cn1 、 Cn2 和Cx1 、 Cx2 ）和一對電壓接頭（ Pn1 、 Pn2 和Px1 、 Px2 ）， 電流接頭統(tǒng)一接在電壓接頭的外邊且接線應盡量短、 粗和接觸要緊密。 另外， 直流雙電橋的工作電流較大， 要選擇適當容量的直流電源

42、， 測量過程要迅速以免耗電量過大。,12.5.2 交流電橋 交流電橋可用來測量電阻、 電感、 電容、 阻抗等多種參數(shù)， 又被稱為萬能電橋。 它也是將被測對象與標準器件進行比較的儀器， 具有較高的測量準確度。 圖12-22為QS18型萬能電橋的外形圖。,圖12-22 QS18型萬能電橋的外形圖,1. 電容的測量 圖12-23為測量電容時的原理電路圖， 若電橋平衡， 則可得,則,（12-24）,（12-25）,（12-26）,圖12-23 測量電容的原理電路圖,測量時， 測量選擇開關打到“C”位置。 將被測電容連成電橋（維恩電橋）形式， 然后旋動量程開關在合適的位置上， 一般被測值應該為量程的2/

43、3。 損耗倍率開關放在D0.01（一般電容器）或D1（大電解電容器）的位置； 損耗平衡盤放在1左右的位置， 損耗微調(diào)按逆時針旋到底； 將靈敏度旋鈕調(diào)節(jié)逐步增大， 使表針偏轉略小于滿刻度； 然后調(diào)節(jié)標準器件的讀數(shù)盤、 損耗平衡盤和靈敏度旋鈕， 反復調(diào)節(jié)使得表針的偏轉為零。,例如， 要測量500 pF左右的電容， 可選擇1000 pF的量程。 若讀數(shù)盤的第一位指在0.4， 第二位指在0.078， 則被測電容為10000.478=478 pF， 即 被測值Cx=量程開關指示值電橋的讀數(shù)值 若損耗倍率開關放在D0.01， 平衡旋鈕的指示為0.2， 則此電容元件的損耗D=0.01 0.2=0.012，

44、即 被測量的損耗Dx=損耗倍率指示損耗平衡旋鈕的指示值,2. 電感的測量 測量電感時， 將萬能電橋接成電容電感電橋（麥克斯韋電橋）， 如圖12-24所示。 同理， 電橋平衡時， 可得,(12-27),(12-28),(12-29),圖12-24 測量電感的原理電路圖,測量時， 測量選擇開關打到“L”位置。 估計一下被測電感的大小， 選擇合適的量程； 根據(jù)所測電感的種類， 將損耗倍率開關放在合適的位置。 比如對空芯線圈， 開關應放在Q1； 高Q值濾波線圈， 則應放在D0.01； 迭片芯線圈， 應放在D1位置。 損耗平衡盤與電容測量時相同， 首先放在1左右， 調(diào)節(jié)靈敏度按鈕增大， 使電表的偏轉略小

45、于滿刻度。 然后調(diào)節(jié)讀數(shù)盤開關、 損耗平衡盤和靈敏度旋鈕， 使得靈敏度得到足夠測量精度的分辨率， 表針的指示為零， 電橋打到平衡。,例如， 要測量的電感大約為80 mH， 則可選擇100 mH的量程。 若電橋的讀數(shù)第一位為0.8， 第二位為0.098， 則被測電感為100（0.8+0.098）=89.8 mH， 即 被測電感Lx=量程開關指示值電橋讀數(shù)值 損耗倍率開關放在Q1位置， 損耗平衡旋鈕指示為2.5， 則被測電感的Q=12.5=2.5， 即 被測量的損耗Qx=損耗倍率指示值損耗平衡旋鈕的指示值 如果損耗倍率開關放在D位置， 則損耗Q=1/D。,3. 電阻的測量 測電阻時， 將萬能電橋接

46、成電阻電橋（惠斯登電橋）， 如圖12-25所示。 電橋平衡時， 有,(12-30),圖12-25 測量電阻的原理電路圖,測量時， 首先轉動選擇量程開關， 若選擇1 或10 的 量程， 則接內(nèi)1 kHz電源； 若選擇100 10 M等 量程時， 則接內(nèi)9 V干電池。 將測量選擇開關放在相應的位置， 調(diào)節(jié)電橋讀數(shù)盤旋鈕及靈敏度旋鈕使得電橋指針為零。,例如量程開關放在100 位置， 電橋的讀數(shù)第一位為0.8， 第二位為0.089， 則 Rx=100(0.8+0.089)=88.9 即 被測量Rx=量程開關指示值電橋讀數(shù)值 各種電橋的原理基本相同， 但每種電橋的表盤可能會有差異， 實際使用時應參考電橋

47、使用說明書進行讀數(shù)或計算。,12.6 兆 歐 表,12.6.1 工作原理 兆歐表的測量機構示意圖如圖12-26所示。 它有兩個可動線圈， 兩個線圈成一定角度固定在軸上， 固定部分是永久磁鐵。 當線圈通以電流時， 兩個線圈受電磁力作用產(chǎn)生的力矩相反， 一個是轉動力矩， 一個是反作用力矩， 平衡時， 兩力矩相等。 可以證明， 指針的偏轉與兩電流的比值成正比， 即=K(I1/I2)， 所以該測量機構稱為比率計。,不同用途的磁電式比率型測量機構采用不同形狀的鐵心和極掌， 以獲得所需要的不均勻的磁場。 圖12-26(a)所 示為有缺口的鐵心結構, 圖12-26(b）為橢圓形鐵心結構。,圖12-26 兆歐表測量機構示意圖,圖12-27 兆歐表的原理電路圖,利用比率計制成的兆歐表， 其原理電路如圖12-27所示。 由圖可以看出， 被測電阻Rx與測量機構中的可動線圈1串聯(lián)， 流過可動線圈1的電流I1為,流過線圈2的電流為,以上兩式中的Rc和RV為附加電阻， 則,(12-31),由上式可以看出， 兆歐表的偏轉角與發(fā)電機的電壓及線圈的電流無關， 只與被測電阻有關， 兆歐表的指針偏轉直接反映被測電阻的大小。,12.6.2 使用注意事項 選用兆歐表時， 其額定電壓一定要與被測電氣設備或線路的工作電壓相適應， 測量范圍應與被測絕