第1章 电工电子测量技术的基本知识

1.1 常用电工仪表的性能与特点

1.磁电式仪表

磁电式仪表结构如图1-1-1所示。磁电式仪表有一个永久磁铁（马蹄形磁钢），在其磁极间放有一个圆柱形铁芯，磁极和铁芯这样放置是为了在气隙中获得一个辐射形均匀磁场。可动线圈绕在一个矩形的铝框架上可以在气隙中自由偏转。当被测电流经产生反抗力矩的螺旋弹簧（即游丝）引入通过线圈时，线圈在永久磁铁的磁场中受力而偏转。

磁电式仪表的主要特性是：刻度均匀，准确度高，可以制成0.1级的标准表。由于永久磁铁有较强的磁场，所以测量机构的灵敏度高，受外磁场的影响小。仪表本身消耗的功率小，对外电路的影响也小。它的缺点是只适于测直流，且由于电流要经过游丝所以过载能力低，当电流超过仪表的额定值时游丝会过热而失去弹性以致毁坏仪表。

磁电式仪表可用作直流电路的电流表，直流电压表，许多常用仪表的测量机构，检流计以检测微电流或作为指零仪表。

2.电磁式仪表

电磁式仪表结构如图1-1-2所示。铁片B1 和B2 放在固定线圈内。铁片B1 与转轴相连可以自由转动，铁片B2则是固定不动的。被测电流通过固定线圈产生磁场，铁片B1和B2同时被磁化互相排斥。B1受到B2的排斥而使仪表的转动部分产生偏转，被测电流方向改变线圈产生的磁场方向也随之改变，但B1所受到的力总是B2对它的斥力，因此仪表活动部分所受到的转动力矩的方向，并不因被测电流方向改变而改变。转动力矩决定于B1所受到的斥力，该斥力与B1和B2的磁化程度有关，即由线圈内的磁场强度的平方所决定，而线圈内的磁场强度是与线圈的电流成正比的，即瞬时力矩由电流i的平方决定。活动部分有一定惯性所以其偏转角与一周期内的平均力矩一一对应。活动部分在被测电流变化一个周期内的平均力矩则决定于电流i的平方在一个周期内的平均值（也即被测电流有效值的平方），所以电磁式仪表可用来测量交流电路的电流或电压的有效值。

电磁式仪表由于线圈内部有铁芯所以有磁滞和涡流现象，这就造成直流读数和交流读数不一样，且读数受频率和波形的影响，即测定不同频率或波形的同一有效值时，其偏转会有些不同。用于测量直流时，要注意由于磁滞的关系，当被测量缓慢增加时电磁式仪表给出较低的读数，而当被测量减小时它又给出较高的指示值，并且每次测量值都和该次测量前仪表铁芯的磁场状态有关。

电磁仪表的优点是构造简单，价格低廉，可用于交直流，能测量较大电流和允许较大的过载。由于电磁式测量机构中线圈的阻抗随被测电流的频率而变，所以不能用分流电阻来扩大量程式，为改变量程是将线圈绕组分段，利用串联和交联改接来达到。用这种仪表测量电压或电流具有非线性（平方）的标尺特性。电磁式仪表的准确度也较低，最高仅0.2级。

3.电动式仪表

电动式仪表结构如图1-1-3所示。固定线圈能在线圈内产生较为均匀的磁场，可动线圈和转轴相连，可以在固定线圈内转动。当固定线圈和可动线圈都通电流时，可动线圈受到固定线圈的磁场对它的作用力而产生偏转。

电动式仪表用作电压表和电流表时，转矩与电流或电压的平方成正比，为使刻度均匀些要适当设计K（γ）。而用作瓦特计时则要求K（γ）基本上为常数，以具有近似线性的刻度。因此，电动式仪表不论是电压表、电流表或功率表，其刻度都是不均匀的，尤其在小刻度指示值时，仪表的灵敏度是较低的。由于仪表内部没有铁磁物质，所以精度较高且交直流读数一样，可用直流分度和校准，所以可用作交流的标准表。它能测量交流量的有效值，与电磁式仪表相比较波形和频率的影响较小。通常使用的频率范围在2.5kHz以下。这种仪表功率损耗较大，直接用来测量电路的电压、电流常会改变电路的状态，一般作标准表用，其过载能力也低，而且转矩较小读数易受外磁场影响，所以通常都加有磁屏蔽防护。有时为了增加转动力矩而在可动线圈和固定线圈之间加上铁芯，这就是铁磁电动式仪表，但引进铁芯，也就引起了磁滞和涡流问题，使仪表的准确度降低。

电动式仪表的优点是适用于交直流，同时由于没有铁芯，所以准确度较高。其缺点是受外界磁场的影响大（本身的磁场很弱），不能承受较大过载。

作为瓦特计来测量电路的功率是电动式仪表的一个主要用途，在使用瓦特计时要注意以下几个问题。

（1）接线时要注意端钮的极性。

（2）瓦特计的量程是电流线圈的电流量限和电压线圈支路的电压量限的乘积。

（3）仪表损耗。瓦特计在使用时有两种接法，在图1-1-4（a）所示的接法中，电压支路两端的电压等于负载的电压加上电流线圈的压降，所以，适用于高阻抗负载。在图1-1-4（b）中，瓦特计电流线圈的电流等于负载电流再上电压线圈支路电流，适用于低阻抗负载。

4.感应式仪表

感应式仪表结构如图1-1-5所示。其测量机构的活动部分是一个导电圆盘（或环或其他类似的结构），转轴通过盘的中心并与其垂直，固定部分是两个（或两个以上）用以产生磁通的磁路2、3，导电圆盘可在磁路的气隙中转动。当穿过圆盘的磁通φI＇、φU、φI″随时间变化时，在圆盘中就会产生感应电流（涡流），磁通与圆盘中涡流间的电磁场力作用于盘上就形成仪表的转动矩。

若在测量机构中去掉反作用弹簧，则当作用力矩与阻尼力矩相等时导电盘将作匀速转动。若阻尼力矩是由通过导电盘的恒定磁通产生，则阻尼力矩将与转速成正比，也即转速与作用力矩（即功率）成正比。这样在一定时间内转盘的转速就反映电负载在这段时间内消耗的电能量，这就是电度表的原理。电度表的转数一般是用一个计数器记录的。

感应式电表的转动力矩较大，结构也较牢固，由于采用了铁芯，本身磁场较强对外磁场不敏感，由于负载电流不经活动部分，所以过载能力较强。但它的力矩与频率有很大的关系，所以一般只在用于标称频率电路中。由于有铁磁物质及导电盘，其磁性及电阻率随温度变化较大，又由于存在非线性元件（铁），电压、电流的大小，负载的功率因数角均会影响准确度，所以其准确度不高。