第二章(電流與電壓的測量)

第二章電流與電壓的測量第一節(jié)電流與電壓的測量方法第二節(jié)磁電系儀表第三節(jié)磁電系檢流計第四節(jié)電磁系儀表第五節(jié)電動系儀表第六節(jié)測量用互感器第七節(jié)萬用電表第八節(jié)直流電位差計第九節(jié)電流表與電壓表的使用

ElectricalMeasure本章要點(diǎn)本章主要介紹磁電系、電磁系和電動系三種儀表，以及用它測量電壓、電流的方法。這三種儀表不僅可以用來測量電壓、電流。而且在配置某些變換電路之后，還可以用于測量其他電磁量或作為指示器件。是從事電氣技術(shù)的人員應(yīng)具備的基本知識。電壓表和電流表的附屬裝置，包括分流器、附加電阻和互感器的結(jié)構(gòu)原理及其計算方法。也是測量電壓和電流必須掌握的技術(shù)。本章還介紹萬用表、檢流計和電位差計。萬用表是現(xiàn)場工作最常用的工具之一，檢流計和電位差計則是校準(zhǔn)和精密測量中常用的儀器。其內(nèi)容可根據(jù)教學(xué)時數(shù)和專業(yè)需要選擇講授或布置學(xué)生自學(xué)。第一節(jié) 電流與電壓的測量方法

一、直接測量：

測量電流、電壓一般都用直接測量，即用直讀式模擬或數(shù)字的電流、電壓表。測電流時與被測電路串聯(lián)，測電壓時與被測電路并聯(lián)，但應(yīng)注意連接在電路中的位置，如圖所示。電流表線圈應(yīng)接在低電位端電壓表接地標(biāo)志應(yīng)接在低電位端

二、間接測量：在特殊情況下，可以用間接法測量。例如在已焊好元件的印制板上，通過測量某電阻兩端電壓求得電流，或測量通過電阻的電流，求出電阻兩端的壓降。在不斷開電路的狀態(tài)下測量電流按照工作原理分類型式符號被測量的種類磁電式整流式電磁式電動式電流的種類與頻率電流、電壓、電阻電流、電壓電流、電壓電流、電壓、電功率、功率因數(shù)、電能量直流工頻和較高頻率的交流直流和工頻交流直流及工頻與較高頻率的交流一、磁電系儀表結(jié)構(gòu)

第二節(jié)磁電系儀表1.結(jié)構(gòu)螺旋彈簧IINS指針永久磁鐵圓柱形鐵心O'O線圈(1)固定部分馬蹄形永久磁鐵、極掌NS及圓柱形鐵心等。(2)可動部分鋁框及線圈，兩根半軸O和O

，螺旋彈簧及指針。極掌與鐵心之間的空氣隙的長度是均勻的，其中產(chǎn)生均勻的輻射方向的磁場。2.工作原理(定性分析)線圈通入電流

I

電磁力

F線圈受到的轉(zhuǎn)矩M=k1IFSNF線圈通入電流

I

電磁力

F

線圈受到轉(zhuǎn)矩

M

線圈和指針轉(zhuǎn)動，

儀表的標(biāo)度尺上作均勻刻度。結(jié)論:

指針偏轉(zhuǎn)的角度a與流經(jīng)線圈的電流I成正比。

3.用途測量直流電壓、直流電流及電阻。游絲變形

反作用力矩Ma轉(zhuǎn)矩M=反作用力矩Ma,a固定二、磁電系儀表工作原理

可動線圈通電后，由于線圈在磁場中受到電磁力矩的作用使指針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)可動線圈穩(wěn)定后，可認(rèn)為驅(qū)動力矩等于反作用力矩，并推出儀表偏轉(zhuǎn)角與電流關(guān)系為若與被測電壓并聯(lián)，儀表的內(nèi)阻為

R

，則儀表偏轉(zhuǎn)角與電壓關(guān)系為三、技術(shù)性能

1.靈敏度高、準(zhǔn)確度高、表耗功率低由于永久磁鐵與鐵心間的氣隙小，氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較強(qiáng)，所以磁電系儀表有比較高的靈敏度，可測到0.1μA。且磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)時，驅(qū)動力矩大，可采用反作用力矩系數(shù)比較大的游絲。得到較大的定位力矩，使摩擦力矩的影響減小。同時內(nèi)部磁場較大，外磁場的影響被削弱。還因為通過儀表的電流小，能降低表耗功率，對被測電路的影響小。所以磁電系儀表是一種應(yīng)用廣泛具有高靈敏度高準(zhǔn)確度低表耗功率的儀表。2.具有均勻等分的刻度磁電系儀表的指針偏轉(zhuǎn)角與可動線圈的電流成正比，標(biāo)尺的刻度均勻等分，易于標(biāo)尺的制作。四、電流表分流器

磁電系儀表可以通過分流器擴(kuò)大其量程，也可以并聯(lián)若干個電阻，更換輸入接頭，可組成多量程的電流表。多量程分流器電路分流器電路分流器電路加溫度補(bǔ)償電阻

分流器電阻的計算

按分流器的電路結(jié)構(gòu)，被測電流只有一部分通過電流表線圈，其余則通過分流器，可以證明通過電流表線圈的電流與被測電流的關(guān)系為

如用n

表示比值，它的數(shù)值代表電流表并聯(lián)分流器之后的量程擴(kuò)大倍數(shù)。將上式移項，可推出按要求的量程擴(kuò)大倍數(shù)n

求分流器電阻值的關(guān)系式。即可知，需擴(kuò)大的量程愈大，則分流電阻應(yīng)愈小。例1:有一磁電式電流表，當(dāng)無分流器時，表頭的滿標(biāo)值電流為5mA，表頭電阻為20

。今欲使其量程（滿標(biāo)值）為1A，問分流器的電阻應(yīng)為多大？五、電壓表的附加電阻

擴(kuò)大電壓表量程可以串聯(lián)附加電阻，設(shè)直接測量的量程為，測量機(jī)構(gòu)內(nèi)阻為，串聯(lián)附加電阻后，可將電壓量程擴(kuò)大為，則與的關(guān)系可由下式求得

用m表示比值，其值代表串聯(lián)附加電阻后電壓表量程擴(kuò)大的倍數(shù)，可按m值求得串聯(lián)的附加電阻值需擴(kuò)大的量程愈大，則串聯(lián)電阻應(yīng)愈大。[例2]

有一伏特計，其量程為50V，內(nèi)阻為2000

。今欲使其量程擴(kuò)大到360V，問還需串聯(lián)多大電阻的分壓器？解：

上一頁下一頁返回U負(fù)載+–R0RV+–U0第三節(jié) 磁電系檢流計一、結(jié)構(gòu)檢流計是一種具有極高靈敏度的電流表，為提高檢流計的靈敏度，動圈采用無骨架結(jié)構(gòu)，減少厚度，既減輕動圈重量，又縮短磁路的工作氣隙。使氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。 可動部分不用軸和軸承的支撐方式，改用張絲或吊絲懸掛動圈，以消除因軸尖所產(chǎn)生的摩擦，使之可在很小的力矩下都能工作。對非便攜式的檢流計，還可以用光標(biāo)代替指針。

光標(biāo)指示和指針指示的示意圖光標(biāo)式指針式

由光標(biāo)指示示意圖可知，光標(biāo)在標(biāo)尺上移動的距離d等于檢流計的靈敏度SI可表示為實際應(yīng)用中，采用平面鏡多次反射的方法來增大d，右圖所示。光點(diǎn)式檢流計結(jié)構(gòu)示意圖提高磁電系檢流計的靈敏度有下列方法：1.取消軸承軸尖，改用張絲或吊絲——減小摩擦，減小W

；2.減小空氣隙，增加線圈匝數(shù)——增加

0

；3.取消指針，改用光標(biāo)指示器——增加標(biāo)尺長度。

二、可動部分的運(yùn)動特性

檢流計的靈敏度高，動圈不用鋁制框架，沒有框架的阻尼效果，全靠動圈與外電阻構(gòu)成的回路產(chǎn)生阻尼。動圈一旦施加了驅(qū)動力矩，就會因為慣性沖力擺過平衡點(diǎn)，加上可動部分的重量輕、阻力小，又沒有軸承磨擦力，所以在定位力矩作用下，會在平衡點(diǎn)左右搖擺不停，不能很快停在平衡位置上，這種搖擺甚至?xí)永m(xù)了幾分鐘或者幾十分鐘。

根據(jù)阻尼大小，可動部分的運(yùn)動狀態(tài)可能出現(xiàn)如圖所示的三種形式。

三、可動部分的運(yùn)動方程

設(shè)檢流計的可動線圈通電后產(chǎn)生力矩為M，并在M作用下繞軸運(yùn)動，根據(jù)牛頓第二定律，力矩M隨時要與阻力矩、阻尼力矩以及慣性力矩相平衡，或用轉(zhuǎn)角的運(yùn)動方程表示。

當(dāng)阻尼系數(shù)不同時，方程的解將有三種不同形式，并分別稱為過阻尼、欠阻尼和臨界阻尼?？蓜泳€圈運(yùn)動方程及解的三種形式1.欠阻尼狀態(tài)2.臨界阻尼狀態(tài)3.過阻尼狀態(tài)返回本章首頁沖擊檢流計一、結(jié)構(gòu)與磁電系檢流計的結(jié)構(gòu)基本相同，但可動部分的轉(zhuǎn)動慣量大；檢流計工作分為兩個階段：1.脈沖電流階段——脈沖電流所含的電量Q在極短的時間對檢流計沖擊；2.自由運(yùn)動階段——全部電量沖擊后，可動部分自由振蕩運(yùn)動，最后衰減至初始位置。二、原理考慮到在

期間，

=0，因此沖擊檢流計可動部分的運(yùn)動方程式令Qi

m1

m2t0t0電流脈沖階段自由運(yùn)動階段

t1上式兩邊在區(qū)間[0，

]積分在區(qū)間[0，

]內(nèi)，

=0。因此有在區(qū)間~內(nèi)，i

=0。因此有由初始條件(1)求解此方程，并令t0=0?？紤]到

<0，得這是一個衰減的正弦函數(shù)，各次峰值均與電量Q成正比。實際中，常把

m1與電量Q的關(guān)系寫成Q=CQ

m1。CQ稱作檢流計的電量沖擊常數(shù)，并且用實驗的方法測量出CQ。因此式（3）的實際意義不大。一般由第一次峰值

m1測量電量Q，即

m1=SQ

m1。SQ稱作檢流計的電量靈敏度。系數(shù)Sq可通過對式（3）求極值的的方法，求出

(t)的第一個極值所需的時間t1和極值

m1。

由于CQ與

及p都有關(guān)，因此CQ的大小與外回路的總等效電阻有關(guān)。這樣在每次使用沖擊檢流計測電量之前，都要先測定此測量條件下的CQ。

CQ的測定方法是用一已知電量Q作用于沖擊檢流計，讀出其最大偏轉(zhuǎn)

m1

，則CQ=Q/

m1。第四節(jié)電磁系儀表一、電磁系儀表的結(jié)構(gòu)

電磁系儀表結(jié)構(gòu)有吸引型和推斥型兩種形式吸引型推斥型二、電磁系儀表的工作原理驅(qū)動力矩：吸引型的驅(qū)動力矩是利用線圈通電后，對可動鐵心產(chǎn)生吸引力，使指針偏轉(zhuǎn)。推斥型則靠線圈同時對固定、可動鐵心進(jìn)行磁化，由于磁化的極性相同，產(chǎn)生互斥而形成驅(qū)動力矩。可推出儀表偏轉(zhuǎn)角與電流關(guān)系為反作用力矩：采用游絲，設(shè)其反作用力矩系數(shù)為D，則阻尼力矩：一般采用磁感應(yīng)阻尼。三、電磁系儀表技術(shù)性能

1.由于指針偏轉(zhuǎn)角與被測電流的平方成正比，所以標(biāo)尺呈平方律特性，前密后疏。

2.如果通以交流電，則與瞬時值平方成正比，或交流有效值平方成正比，所以電磁系儀表可用于測量交流，并于直流共用同一標(biāo)尺。

3.改變電流量程，可改變線圈的安匝數(shù)。改變電壓量程，可改變線圈的附加電阻。改變電流量程改變電壓量程返回本章首頁第五節(jié) 電動系儀表一、電動系儀表的結(jié)構(gòu)二、電動系儀表的工作原理

由固定、可動兩組線圈所構(gòu)成的系統(tǒng)，通電后的磁場能量為可動線圈所受的驅(qū)動力矩為根據(jù)指針穩(wěn)定時驅(qū)動力矩等于反作用力矩，可求得指針偏轉(zhuǎn)角作為電壓或電流表使用時，如果兩線圈電流都等于被測電流，且互感變化率為常數(shù)，則指針偏轉(zhuǎn)角與被測電流平方成正比，或與交流有效值平方成正比。如作為功率表使用，指針偏轉(zhuǎn)角正比于被測功率。三、電動系儀表的技術(shù)性能

1.和電磁系一樣刻度呈平方律特性，可用于測量直流也可以測量交流，或交直流兩用。準(zhǔn)確度高于電磁系。

2.作為小量程電流表使用時，固定線圈與可動線圈串聯(lián)，但作為大量程使用時，由于可動線圈不允許通過大電流，故可動線圈只能與固定線圈并聯(lián)。

3.作為電壓表使用時，可以根據(jù)量程大小，串聯(lián)不同的附加電阻。小量程電流表，固定線圈可與可動線圈串聯(lián)大量程電流表，固定線圈可與可動線圈并聯(lián)電壓表根據(jù)量程串聯(lián)不同的附加電阻返回本章首頁第六節(jié) 測量用互感器一、互感器的用途互感器主要用于擴(kuò)大交流電流表、電壓表、功率表和電能表的量程，而且具有如下特點(diǎn)1.隔離高壓。2.降低表耗。3.節(jié)省設(shè)備投資。4.可減少指示儀表的規(guī)格，可統(tǒng)一使用4A、100V的表芯，配上不同的互感器，可組成各種不同量程的電壓、電流表。高壓部分低壓部分二、工作原理

電壓互感器相當(dāng)于空載變壓器，與電壓表聯(lián)用，被測電壓等于接在二次繞組的電壓表讀數(shù)乘以電壓互感器的電壓變比。注意！電壓互感器二次繞組不許短路。電流互感器相當(dāng)于短路的變壓器，與電流表聯(lián)用被測電流等于接在二次繞組的電流表讀數(shù)乘以電流互感器電流變比。注意！電流壓互感器二次繞組不許開路。

三、互感器的誤差

1.變比誤差：由于負(fù)載過大互感器輸出電壓下降，使得電壓比不等于匝數(shù)比?；螂娏骰ジ衅鞫卫@組磁化電流過大，使得電流比不等于匝數(shù)比所造成的變比誤差。

2.相角誤差：由于繞組內(nèi)阻抗過大，或鐵心材料和氣隙的影響，使得磁化電流過大，電壓互感器的一、二次繞組的電壓相位差，或電流互感器的一、二次繞組的電流相位差不等于90°，造成相角誤差。四、互感器的連接電壓互感器在供電系統(tǒng)中的連接電流互感器在供電系統(tǒng)中的連接五、鉗式電流表鉗式電流表是電流互感器和電流表的組合，可以在不斷開交流電路，并在設(shè)備仍運(yùn)行的條件下，測量交流電流。外型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意返回本章首頁

鉗形電流表的使用上一頁下一頁返回第七節(jié) 萬用電表一、萬用電表的結(jié)構(gòu)

萬用表是利用多刀多投轉(zhuǎn)換開關(guān)，改變電路連接方式，測量不同量程的電壓、電流或電阻，是電氣維修中常用的工具表。除一般測量電壓、電流和電阻外，還可測量電子電路的電平，但測量電平實際上就是測量電壓，不過是用對數(shù)形式表示而已。

當(dāng)表示功率電平時，用負(fù)載為600Ω，功率為1mW作為0電平。當(dāng)表示電壓電平時，用0.775V作為電壓的0電平。500型萬用表外形功率電平電壓電平

MF-30型萬用表的面板圖萬用表外形結(jié)構(gòu)零歐姆調(diào)整機(jī)械零位調(diào)整200100504030201050100200300400500246810101522A-V-Ω0∞Ω10V-dB-10V.mA10V+dBΩ–+500101005002551×10k×1k×100×10×150550500500100VΩμAmAV～~轉(zhuǎn)換開關(guān)用來測量直流電流、直流電壓、交流電壓和電阻等二、500型萬用表電路

500型萬用表的面板設(shè)兩個多刀多投轉(zhuǎn)換開關(guān)，分別為，改變開關(guān)位置可以選擇測量對象和量程，包括交直流電流和電壓、電阻和信號電平，下面僅分析幾個電路，其余讀者可自行分析。

三、直流電流測量電路

測量直流電流左邊多投開關(guān)置于A檔，右邊置于50μA檔，作為直流電流測量電路的基本量程，改變右邊開關(guān)位置，選用不同分流器，可改變量程為10、100、500mA，分流器采用閉路式，不因開關(guān)接觸不良而損壞儀表。使用紅線所示電路直流電流的測量測量直流電流的原理電路RA1RRA2RA3RA4RA5500mA50mA5mA0.5mA50

A

A+-+-

RA1~RA5是分流器電阻，改變轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，就改變了分流器的電阻，從而改變了電流的量程。量程愈大，分流器電阻愈小。直流調(diào)整電位器

四、直流電壓測量電路

測量直流電壓右邊多投開關(guān)置于V檔，左邊置于2.5V檔，作為直流電壓的最小量程，改變左邊開關(guān)位置，選用不同附加電阻，可改變量程為10、50、250、500V，附加電阻采用共用式，可減少線繞電阻數(shù)量。使用紅線所示電路直流電壓的測量RV1~RV3構(gòu)成倍壓器電阻，改變轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，就改變了倍壓器的電阻，從而改變了電壓的量程。量程愈大，倍壓器電阻愈大。測量直流電壓的原理電路RARRV2RV1RV325V5V1V

A+-+-

補(bǔ)償測量法直流電位差計指零儀-標(biāo)準(zhǔn)電壓被測電壓UN++-UX零值法差值法1.原理分為“定流變阻式”和“定阻變流式”采用零值法原理；相對誤差<0.005%第八節(jié) 直流電位差計 直流電位差計由三個回路組成。其中:

回路Ⅰ稱為校準(zhǔn)回路;

回路Ⅱ稱為測量回路;

回路Ⅲ稱為工作電流回路。一、直流電位差計工作原理定流變阻式直流電位差計三個回路工作回路1——產(chǎn)生電流標(biāo)準(zhǔn)回路2——校準(zhǔn)電流測量回路3——產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓+-ER0RNI0ENUxR12G定流變阻式123

RN——標(biāo)準(zhǔn)電阻

EN——標(biāo)準(zhǔn)電池

r——限流電阻

R——標(biāo)準(zhǔn)電阻箱

Ux

——被測電壓校準(zhǔn)回路：利用回路中的標(biāo)準(zhǔn)電池用來校準(zhǔn)工作電流，當(dāng)開關(guān)S合向回路Ⅰ時，調(diào)節(jié)R改變工作電流，若檢流計指零，則說明標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢與工作電流在電阻上的壓降相互補(bǔ)償，使。

工作電流回路：包括輔助電源，調(diào)節(jié)工作電流用的可變電阻、測量電阻和工作調(diào)定電阻。工作回路主要任務(wù)是提供一個穩(wěn)定的工作電流，使電阻和能得到一個穩(wěn)定的壓降。

測量回路：當(dāng)開關(guān)S合向回路Ⅱ時，調(diào)節(jié)測量電阻，以改變左端ab二點(diǎn)間的壓降（注意：此時不能再調(diào)節(jié)R，否則工作電流將發(fā)生變化），若檢流計指零，則表明

從可求出被測電壓值。定流變阻式直流電位差計三個回路工作回路——產(chǎn)生電流標(biāo)準(zhǔn)回路——校準(zhǔn)電流測量回路——產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓+-ER0RNI0ENUxR12G定流變阻式定阻變流式ER0I0RUS

R0

為一組并聯(lián)的高值電阻網(wǎng)絡(luò)，通過此網(wǎng)絡(luò)的投切，可改變R0，進(jìn)而改變I0

此電路比定流式的測量誤差要大綜上所述，由可知，直流電位差計實際上是把標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓EN分成若干份(kEN)，并用它去補(bǔ)償被測電壓。由于電阻在制造工藝上受穩(wěn)定性、線性度的限制，要作到10-5以上的準(zhǔn)確度是非常困難的。電流比較儀式電位差計電流比較儀式電位差計(定阻變流)匝數(shù)比代替電阻比準(zhǔn)確度提高一個數(shù)量級2.直流電位差計的分類和主要技術(shù)特性高電壓型——測量上限2V；輸出電阻20k

；工作電流0.1mA低電壓型——測量上限20mV；輸出電阻20

；工作電流1mA高阻型——輸出電阻10k/V；用于測量大電阻的電壓或高內(nèi)阻的電勢低阻型——輸出電阻100/V；用于測量小電阻的電壓或低內(nèi)阻的電勢實驗室型——實驗室條件下，精密測量便攜型——生產(chǎn)現(xiàn)場的一般測量誤差

=a%

Ux+b

Ua：準(zhǔn)確度；b：附加誤差系數(shù)，取0.2~1.0；

U：讀數(shù)盤上最小步進(jìn)電壓