《电磁测量技术》课件 李宝树 第二章

工作原理工作原理转动转矩转动转矩m的产生的产生反作用力矩反作用力矩mmaa的产生的产生在线圈和指针转动时螺旋弹在线圈和指针转动时螺旋弹簧被扭紧而产生阻转矩簧被扭紧而产生阻转矩mmaa线圈通入电流i电磁力f线圈受到转矩m线圈和指针转动弹簧的弹簧的ttcc与指针的偏转角与指针的偏转角成正比即成正比即mmaaww当弹簧的反作用力矩ma与线圈受到的转矩m达到平衡时可动部分停止转动此时有当弹簧的反作用力矩与转动力矩达到平衡即当弹簧的反作用力矩与转动力矩达到平衡即m转动部分便停止转动转动部分便停止转动仪表的标度尺上作均匀刻度
(4)阻尼时间。当检流计工作在临界阻尼状态时，从最大偏转 状态切断电源开始，到指示回到零位所需要的时间。 (5)自然振荡周期。当检流计的指示偏转到刻度终点时，断开 外电路，从这一瞬间算起，检流计可动部分摆动一周所需要的时 间。
3.使用检流计应注意的事项 (1) 要求水平放置的检流计使用前应调好水平，校准零点。
m SQ i dt SQQ 0 或写成： Q CQ m
式中CQ为电量冲击常数。在CQ确定之后，利用冲击检流计便可 以测量脉冲电量，从而间接测量一些与电量有关的量。

第二节
用直流电位差计测量电压
直流电位差计是根据电位补偿原理制成的测量电压的精密仪 器，它是将被测量和已知标准量进行比较而确定被测量大小的比 较式仪器。
五、磁电系检流计 1.结构 为了提高截流机的灵敏度，在结构上采取了一系列的措施： (1)采用张丝或吊丝取代游丝， 将动圈悬挂起来，可以减小反作用 力矩，消除摩擦力矩，同时使可动 部分双向偏转。 (2)采用无铝框动圈，减轻可 动部分的质量。检流计的阻尼力矩 可通过调节外电路的电阻来满足要 求。
(3)采用光点多次反射，增加 单位偏转角在标尺上的位移长度。
U Rm Rg Ig
Ig
Rg
Rm
2.多量程电压表 如图2-7所示是一个三量程电压表 的电路，在确定电压量程以后，分压电 阻可分别计算如下：

图2-6 单量程电压表

U R1 1 Rg Ig R2 U2 Rg R1 Ig
R1
R2
R3
U U U U1 2 Rg ( 1 Rg ) 2 Ig Ig Ig U3 R3 Rg R1 R2 Ig
提供移植可变标准电压UN的方式有两种： 1.定电流方式：固定电流值，通过改变电阻值实现标准电压 的改变；
2.定电阻方式：固定电阻值，通过改变电流值实现标准电压 的改变。 EN a b + Ux K 二、直流电位差计的工作原理
直流电位差计中使用了标准电池、标准 电阻，它们的准确度级别很高，因此，提高 RN 了电位差计的准确度。如图2-11所示，先将 K合到a，接如标准电池EN，调节RP ,改变电 I Rp 流I(也可调节RN)使电阻RN上的电压降与标 准电池的电动势EN相等，这时检流计读数 为零，有：
IS
Rg Ig
故
RS
Ig
即
Is I Ig 图2-3 1 I Rg Ig 1 I 1 Rs Rg 其中： n Ig n 1
Rg
Ig
Rg
I
单量程电流表
即
1 Rs Rg n 1
I 其中： n Ig
1 n 1
欲将表头量程扩大到n倍时，分流电阻应为表头内阻的 量程I越大，分流电阻RS就越小。 2.多量程电流表 多量程电流表有两种形式。
Ig
R1 R2 I1 I2
S
I1
。
Ig
Rg
R1 R2
Rg
R3
I2
S
I3
R3

图2-4
I3


图2-5

闭路式多量程电流表
开路式多量程电流表
开路式多量程电流表：用转换开关改变独立分流电阻，从而 改变量程。其优点是个分流电阻互不干扰，缺点是转换开关的接 触电阻包含在分流电阻当中，特别是当转换开关接触不好时，容 易损坏表头。 比路式多量程电流表：开关接触电阻是在总电流支路内，不 会影响分流比例，开关断开时也无危险。 I
二、磁电系电流表 1.单量程电流表 磁电系测量机构可以直接用来测量电流，但测量上限不能超 过表头灵敏度，当被测电流超过表头灵敏度时，可通过分流电阻 来扩大量程，如图所示，分流电阻的计算方法如下： RS 设表头灵敏度为Ig，表头内阻为Rg， 需要扩大量程到电流I，求分流电阻RS。 由于
RS I S Rg I g
一、电压补偿 要测未知电压Ux，原则上可以让它和一个可以改变的电压UN 相比较，如图2-10，调节UN，使检流计指零，这就表示在这个回 路中两电压大小相等、方向相反。故在数值上有：
Ux=UN
这时，我们称电路达到补偿。在补偿条件下，如果UN的数值已知 则Ux即可求出。据此原理构成的测量电压或电动势的仪器叫电位 差计，也叫“直流补偿器”。
G
EN + 标 准
K
未 知
+ Ux -
RN
Rx
R I
Rp +
E
-
图2-12 直流电位差计原理线路
直流电位差计的实际线路比较复杂,但其基本单元就是上述三 个回路。如图2-12所示,其中工作电源E、变阻器Rp、标准电阻RN
和R构成工作电流回路；通过Rp可以调节电流I的大小，电流I在标 准电阻RN上产生的电压用标准电池的电动势EN来校准；电流I在标 准电阻R上产生的电压用来补偿被测电压.当开关K合在“标准”一 边时，标准电池EN、标准电阻RN和检流计G构成校准工作电流回 路；当开关K合在“未知”一边时,被测电压Ux、标准电阻R和检流 计G构成测量回路。

图2-5

闭路式多量程电流表
( R1 R2 ) I 2 I g ( Rg R1 R2 R3 )
从而有
R1 R2
Ig I2
( Rg R1 R2 R3 )
当量程为I1时，分流电阻为 R1
R1 ( I1 I g ) I g ( Rg R2 R3 ) Ig R1 ( Rg R1 R2 R3 ) I1 R1 I1 I g ( Rg R1 R2 R3 )
g
图2-5的三量程电流表的分流电阻计 算如下： 当量程为I3时，分流电阻为 R1 R2 R3
R1 R2 R3 I g Rg I3 I g
Rg
R1 I1
R2 I2
R3 I3
S
当量程为I2时，分流电阻为 R1 R2
( R1 R2 )( I 2 I g ) I g ( Rg R3 )
3. 磁电系表头参数及测量
(1) 表头灵敏度 表头灵敏度是指表头的满偏电流，即表头的电流量程，用Ig 表示。 Ig的范围一般在几十微安到几毫安之间， Ig的值越小，灵 敏度越高。 (2) 表头内阻 表头内阻是两个游丝的支流电阻和线圈的直流电阻之和。用 Rg表示。 表头灵敏度和表头内阻都可以用实验的方法进行测量。

图2-7
U1
U2
U3

多量程电压表
U3 U U2 U U U1 Rg ( 1 Rg ) 2 3 Ig Ig Ig Ig
电压表灵敏度 电压灵敏度是电压表任一量程的内阻与该量 程电压的比值，用SU表示，单位是Ω/V。
SU R1 Rg U1 R1 R2 Rg U2 R1 R2 R3 Rg U3 1 Ig
(2) 检流计的标尺不使用电流表度，而是按指针末端的线位 移表度，单位为mm。 (3) 选择合适的灵敏度。 (4) 不允许用欧姆表或电桥测量检流计的内阻，否则因过流 会损坏检流计。 (5) 用完检流计，要用止动器锁定检流计的可动部分或将检 流计的线圈短接。
(6) 搬动检流计时，要注意轻拿轻放，避免振断张丝。
3.使用电流表应注意的事项 (1)电压表必须并入电路中。 (2)注意电压表的极性，要求电压表的“+”端接高电位，“-”端接 低电位。 (3)正确选择仪表的量程，测量时尽量使指针在半偏以上。 (4)选择内阻合适的仪表，希望电压表内阻越大越好。 四、磁电系仪表的技术特性 (1)准确度高，最高可达0.05级。 (2)灵敏度高。 (3)功耗小。 (4)刻度均匀。 (5)过载能力强。 (6)只能用来测量直流。
电磁测量与检测技术
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第二章
第一节
直流电压和电流的测量
用磁电系仪表直接测量
一、磁电系测量机构 1.结构 (1) 固定部分 马蹄形永久磁铁、极 掌NS及圆柱形铁心等。 (2) 可动部分 铝框及线圈，两根半 指针 轴O和O，螺旋弹簧及 指针。 极掌与铁心之间的空气隙 的长度是均匀的，其中产生均 匀的辐射方向的磁场。
动圈
小镜
张丝
N
永久磁铁
S
永久磁铁
图2-8
检流计结构示意图
(4)增大动圈面积，减小气隙。
2.检流计的主要参数 (1)内阻。检流计的内阻包括动圈、张丝或吊丝、引线的电阻 和接线端钮的接触电阻。 (2)电流常数。灵敏度的倒数成为电流常数，它表示检流计的 可动部分每单位偏转所需的电流值。 (3)外临界电阻。检流计工作在临界状态下的外接电阻称为外 临界电阻。外接电阻一般要稍大于外临界电阻，使检流计工作在 微欠阻尼状态。
2. 工作原理
N
S
F
M = Ma
当弹簧的反作用力矩与转动力矩达到平衡即M = Ma 时，可 转动部分便停止转动，
KI = Wα
即指针的偏转角
K α I SI I W
结论: 指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比。 仪表的标度尺上作均匀刻度。 (3) 阻尼力矩的产生
当线圈通入电流而发生偏转时，铝框切割磁通，在框内感应 出电流，其电流再与磁场作用，产生与转动方向相反的制动力， 于是可转动部分受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。
然后，依次求出R2和R3。
3.使用电流表应注意的事项 (1)电流表必须串入电路中。 (2)注意电流表的极性，要求电流从电流表的“+”端流入，从“ 端流出。 (3)正确选择仪表的量程，测量时尽量使指针在半偏以上。 (4)选择内阻合适的仪表，希望电流表内阻越小越好。
三、磁电系电压表 1.单量程电压表 磁电系测量机构能直接测量的电压很小，当被测电压超过表 头两端能够承受的电压时，需要用分压电阻与表头串联来扩大量 程，如图2-6 所示 S
I
N
O
永久磁铁
螺旋弹簧
I
(1) 转动转矩M 的产生 线圈通入电流 I 电磁力 F 线圈受到转矩 M 线圈和指 针转动， F 线圈受到的转矩 M = KI (2) 反作用力矩Ma的产生 在线圈和指针转动时，螺旋弹 簧被扭紧而产生阻转矩Ma。 弹簧的TC与指针的偏转角成正比，即 Ma= W 当弹簧的反作用力矩Ma与线圈受到的转矩M达到平衡时，可 动部分停止转动，此时有
五、直流电位差计的应用 直流电位差计能够直接测量电压，与其它电路配合还能以较 高的准确度测量电流、电阻、功率等。
(1)测量电压 直流电位差计能够直接测 量电压,但测量上限一般最高约
2V。对于大于2V的电压，必须 使用电阻分压箱。图2-13所示 分压电路的分压比为
U R2 K U x R1 R2
被 测 电 压 Ux -
用电位差计测得U后，不难算出Ux。
+
R1 接至电位差 计“未知”端 R2
U
图2-13 测高电压的电路
不过，分压箱的使用将增加测量误差，并对未知电压源构成 了一个负载，它要从被测电路中吸取电流，因而分压电路的总电
六、冲击检流计 冲击检流计的结构与灵敏检流计相仿，区别仅在于它的线圈 较扁而宽，从而线圈的转动惯量较大，自由振荡周期较长（T0可 达20s以上）。其运动特性见图2-9。
i,α
αm t
图2-9 冲击检流计的运动特性
可以证明：当冲击检流计的自然振荡周期T0比被测脉冲电流 通过的时间τ长得多时，它的第一次最大偏转角αm与脉冲电量 Q成正比，即
为了达到高准确度，消除各种基本误差，实际的电位差计电 路中还要采取许多措施来消除或减小电路中的热电动势、接触电 动势和接触电阻等。
三、直流电位差计的技术特性 (1)准确度高。 (2)量程低，一般不超过2V。 (3)不从被测电路吸收能量，测量电压时，相当于内阻无穷大 的电压表。
四、使用直流电位差计应注意的问题 (1)选择灵敏度合适的检流计。灵敏度过低产生较大误差，过 高则达到平衡困难。 (2)选择稳定的工作电源，否则会产生误差。 (3)注意标准电池、工作电源和被测电压的极性不能接错。 （否则会产生什么后果？） (4)校准工作电流时，要避免长时间给标准电池充放电，以免 损坏标准电池。 (5)按照说明书要求的温度和湿度条件保存和使用。
G
Rx
R E
图2-11用标准电池决定 电流的原理电路
I· N=EN R 因而可定出电流：
I
EN RN
再把K合到b，接入被测电压Ux，调节R使检流计指零，记下活动 端刻度Rx，则得： Ux=IRx
Ux
Rx EN RN
只要标准量具的读数EN、RN、Rx准确度比较高，Ux就比较准确。
直流电位差计线路中包括三个回路： （1 ）产生电流I的电路，也叫工作电流回路； （2）用标准电池校准电流I的电路,也叫校准工作电流回路； （3）测量未知电压的电路，也叫测量回路。