电气测量2章课件

1、第二章 电流与电压的测量第一节 电流与电压的测量方法第二节 磁电系仪表第三节 磁电系检流计第四节 电磁系仪表第五节 电动系仪表第五节 电动系仪表第六节 测量用互感器第七节 万用电表第八节 直流电位差计第九节 电子系电压表第十节 电流表与电压表的使用Electrical Measure本章要点 本章主要介绍磁电系、电磁系、电动系和电子系四种仪表的结构，以及用它测量电压、电流的方法。这四种仪表不仅可以用来测量电压、电流。而且在配置某些变换器之后，还可以测量其他电磁量或物理量。所以本章内容是从事电气技术工作的人员所必须具备的基本知识。 电压表和电流表的附属装置，包括分流器、附加电阻和互感器的结构原理

2、及其计算方法。也是测量电压和电流必须掌握的技术。 本章还介绍万用表、检流计和电位差计。万用表是现场工作最常用的工具之一，检流计和电位差计则是电压、电流校准和精密测量中常用的仪器。其内容可根据教学时数和专业需要选择讲授或布置学生自学。第一节电流与电压的测量方法一、直接测量： 测量电流、电压一般都用直接测量，即用直读式模拟或数字的电流、电压表。测电流时与被测电路串联，测电压时与被测电路并联，但应注意连接在电路中的位置，如图所示。电流表线圈应接在低电位端电压表接地标志应接在低电位端返回本章首页二、间接测量： 在特殊情况下，可以用间接法测量。例如在已焊好元件的印制板上，通过测量某电阻两端电压求得电流，

3、或测量通过电阻的电流，求出电阻两端的压降。在不断开电路的状态下测量电流第一张幻灯片返回本章首页三、精密测量 可以采用补偿法，例如第八节所述的电位差计。UJ36电位差计 UJ31电位差计返回本章首页 第二节 磁电系仪表一、磁电系仪表结构返回本章首页 二、磁电系仪表工作原理 可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使指针产生偏转，当可动线圈稳定后，可认为驱动力矩等于反作用力矩，并推出仪表偏转角与电流关系为 若与被测电压并联，仪表的内阻为 R ，则仪表偏转角与电压关系为返回本章首页 三、技术性能 1.灵敏度、准确度、表耗功率 由于永久磁铁与铁心间的气隙小，气隙间的磁感应强度比较强，所以磁电

4、系仪表有比较高的灵敏度。且磁感应强度较强时，驱动力矩大，可采用反作用力矩系数比较大的游丝。有较大的定位力矩，使摩擦力矩的影响减小。内部磁场强度大，外磁场影响相对弱，可获得较高的准确度。且表耗功率低，对被测电路的影响小。所以磁电系仪表是一种应用广泛具有高灵敏度、高准确度、低表耗功率的仪表。 2.刻度特性 磁电系仪表的指针偏转角与可动线圈的电流成正比，标尺的刻度均匀等分，易于标尺的制作。 3,使用范围 只能用于测量直流，若在交流范围使用，必须配整流器。返回本章首页四、扩程方法 磁电系仪表作为电流表使用时，可以通过分流器扩大其量程，也可以并联若干个电阻，通过更换输入接头，可组成多量程的电流表。多量程

5、分流器电路分流器电路分流器电路加温度补偿电阻返回本章首页 分流器电阻的计算 按分流器的电路结构，被测电流只有一部分通过 电流表线圈，其余则通过分流器，可以证明通过电流表线圈的电流与被测电流的关系为 如用 n 表示比值 ，它的数值代表电流表并联分流器之后的量程扩大倍数。将上式移项，可推出按量程扩大倍数 n 求得分流器电阻阻值的关系式。即返回本章首页 作为电压表使用时扩大量程方法 磁电系电压表，可以用附加电阻扩大量程。设直接测量的量程为 ，测量机构内阻为 ，串联附加电阻 后，可将电压量程扩大为 ，则 与 的关系可由下式求得 用 m 表示比值 ，其值代表串联附加电阻后电压表量程扩大的倍数，可按m 值

6、求得串联的附加电阻值返回本章首页第三节磁电系检流计 检流计的结构 检流计是一种具有极高灵敏度的电流表，为提高检流计的灵敏度，动圈采用无骨架结构，减少厚度，既减轻动圈重量，又缩短磁路的工作气隙。使气隙中的磁感应强度增大。 可动部分不用轴和轴承的支撑方式，改用张丝或吊丝悬挂动圈，以消除因轴尖所产生的摩擦，使之可在很小的力矩下都能工作。 对非便携式的检流计，还可以用光标代替指针。 返回本章首页光标指示和指针指示的示意图光标式指针式返回本章首页二、可动部分的运动方程 检流计的可动线圈通电后产生力矩为M，并在M作用下绕轴运动，根据牛顿第二定律，力矩M随时要与阻力矩、阻尼力矩以及惯性力矩相平衡，或用转角的

7、运动方程表示为。返回本章首页 三、动圈从静止至稳定过程 动圈从静止到稳定过程所需时间决定于阻尼，动圈无铝制框架，全靠动圈与外电阻所构成的回路产生阻尼。加上可动部分的重量轻、阻力小、没有轴承磨擦力，一旦施加驱动力矩，因惯性冲力会越过平衡点。超过后又会在弹簧游丝定位力矩作用下返回，使动圈左右摇摆不停，不能快速停在平衡位置上，甚至会延续了几分钟或者几十分钟。但如果动圈与外电阻所构成的回路电阻较小，能产生足够大的阻尼，就能避免这种振荡发生。 根据阻尼大小，可动部分的运动状态可能出现过阻尼、欠阻尼和临界阻尼等三种形式。 返回第一张幻灯片本章首页可动线圈运动方程及解的三种形式1.欠阻尼状态2.临界阻尼状态

8、3.过阻尼状态返回本章首页可动线圈三种运动形式所对应的运动曲线曲线1：欠阻尼状态曲线2：过阻尼状态曲线3：临界阻尼状态返回本章首页稳定后动圈的转角第四节 电磁系仪表 一、电磁系仪表的结构 1、吸引型电磁系仪表 2、推斥型电磁系仪表吸引型推斥型返回第一张幻灯片本章首页3、吸引推斥型 线圈内壁装有两个固定铁心、转轴装两个可动铁心。两组铁心于两侧上下排列。通电时两组铁心同时被磁化而相斥，随着偏转角增加斥力减弱。但高端铁心与低端铁心靠近，两者因极性相异而相吸，而且吸力逐渐加强。使得指针在因斥力和吸力共同作用下构成了转动力矩。且不因偏转角增大而影响转动力矩返回本章首页 二、电磁系仪表的工作原理 驱动力矩

9、：吸引型的驱动力矩是利用线圈通电后，对可动铁心产生吸引力，使指针偏转。推斥型则靠线圈同时对固定、可动铁心进行磁化，由于磁化的极性相同，产生互斥而形成驱动力矩。 反作用力矩：采用游丝，设其反作用力矩系数为D。 当驱动力矩与反作用力矩相等时，指针停止转动，可推出，不同电流产生的驱动力矩与仪表偏转角关系为 阻尼力矩：一般采用磁感应阻尼。 返回本章首页 三、电磁系仪表技术性能1使用范围 电磁系仪表既能测量直流，也能测量交流。由于可动铁心受力方向与线圈电流方向无关，线圈电流方向改变时，线圈磁极性和铁心磁极性同时改变，所以能保持受力方向不变。指针与被测电流的关系式也相同， 只要将电流换成交流电流有效值即可

10、，也就是说原来的直流刻度，可以用于测量交流有效值。2刻度特性 刻度是不均匀，于指针偏转角与被测电流的平方成正比，所以标尺呈平方律特性，前密后疏。返回本章首页3、防干扰性能 电磁系仪表由于线圈磁场的工作气隙大，磁场相对比较弱，因此外磁场的影响比较明显，需要进行屏蔽或采用无定位结构。 磁屏蔽 无定位结构 返回本章首页四、电磁系电流表及电压表的扩程方法 改变电流量程，可改变线圈的安匝数。改变电压量程，可改变线圈的附加电阻。改变电压量程改变电流量程返回本章首页双量程电流表可通过外部接柱改变线圈的串并联连接返回本章首页第五节电动系仪表一、电动系仪表的结构返回本章首页二、电动系仪表的工作原理 由固定、可动

11、两组线圈所构成的系统，通电后的磁场能量为可动线圈所受的驱动力矩为根据指针稳定时驱动力矩等于反作用力矩，可求得指针偏转角 作为电流或电压表使用时，如果两线圈通以同一电流，或被测电流的一部分，且互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方或被测电压平方成正比，或与交流电流或电压有效值平方成正比。 如作为功率表使用，指针偏转角正比于被测功率。返回本章首页三、电动系仪表的技术性能 1.使用范围：可用于测量直流也可以测量交流，或交直流两用。准确度高于电磁系。 2.刻度特性：电动系仪表和电磁系一样刻度呈平方律特性，但作为功率表使用时，则其刻度为均匀等分。 3.准确度:由于内部没有铁磁材料，无磁滞和涡流效应

12、，准确度高，但机械结构比较脆弱，过载能力差。 4.抗干扰性能:工作磁场弱，抗干扰性能差。 返回本章首页四、电动系仪表的扩程方法 1.作为小量程电流表使用时，固定线圈与可动线圈串联，作为大量程使用时，由于可动线圈不允许通过大电流，故可动线圈只能与固定线圈并联。 2.作为电压表使用时，可以根据量程大小，串联不同的附加电阻。小量程电流表，固定线圈可与可动线圈串联大量程电流表，固定线圈可与可动线圈并联电压表根据量程串联不同的附加电阻第六节测量用互感器一、互感器的用途互感器主要用于扩大交流电 流表、电压表、功率表和电能表的量程，而且具有如下特点1.隔离高压。2.降低表耗。3.节省设备投资。4.可统一使用

13、5A、100V的标准表芯，配上不同的互感器，可组成各种不同量程的电压、电流表。高压部分低压部分返回本章首页电流互感器外形返回本章首页电流互感器结构（以LMZJ1-0.5为例）1铭牌2一次母线穿孔3铁心，外绕二次绕组，树脂浇注4安装板5二次接线端子返回本章首页电压互感器外形返回本章首页 二、工作原理 电压互感器相当于空载变压器，与电压表联用。被测电压等于接在二次绕组的电压表读数乘以电压互感器的电压变比。注意！电压互感器二次绕组不许短路。 电流互感器相当于短路的变压器，与电流表联用被测电流等于接在二次绕组的电流表读数乘以电流互感器电流变比。注意！电流互感器二次绕组不许开路。返回第一张幻灯片本章首页

14、 三、互感器的误差 1.变比误差：由于负载过大，互感器内压降加大，引起输出电压下降，使得电压比不等于匝数比。或电流互感器二次绕组磁化电流过大，使得电流比不等于匝数比所造成的变比误差。 2.相角误差： 由于绕组内阻抗过大，或铁心材料和气隙的影响，使得磁化电流过大，电压互感器的一、二次绕组的电压相位差，或电流互感器的一、二次绕组的电流相位差不等于180，造成相角误差。返回本章首页四、互感器的使用电压互感器在供电系统中的连接电流互感器在供电系统中的连接返回本章首页电压互感器的一次侧、二次侧在运行中不允许短路，一二次侧都应装设熔断器，以免一次侧短路影响高压供电系统，二次侧短路会烧毁电压互感器； 要正确

15、接线。将电压互感器的一次侧与被测电路并联，二次侧与电压表（或仪表的电压线圈）并联； 为防止故障时二次侧电压升高，电压互感器的二次侧绕组、外壳和铁心要可靠接地，以确保人身和设备安全。电压互感器连接注意点返回本章首页电流互感器连接注意点电流互感器的二次侧在运行中不允许开路，二次侧严禁加装熔断器，需要更换或拆除测量仪表时，用开关先将二次侧短路，更换仪表后，再将开关打开； 电流互感器的二次侧绕组、外壳和铁心要可靠接地，以确保人身和设备安全； 接在同一互感器上的仪表不能太多，否则接在二次侧的仪表消耗的功率将超过互感器二次侧的额定功率，从而导致测量误差增大。 要正确接线。将电流互感器的一次侧与被测电路串联

16、，二次侧与电流表（或仪表的电流线圈）串联返回本章首页 五、钳式电流表 钳式电流表是电流互感器和电流表的组合，可以在不断开交流电路，并在设备仍运行的条件下，测量交流电流。外型内部结构示意返回本章首页钳式电流表的使用测量前先估计被测电流的大小，选择合适的量程； 测量时应将被测载流导线至于钳口中央，以避免增大误差； 钳口要结合紧密； 测量5A以下的较小电流时，为确保读数准确，在条件许可的情况下，可将被测导线多绕几圈再放入钳口进行测量，被测的实际电流值应等于仪表读数除以放进钳口中导线的圈数； 测量完毕后，一定要将仪表的量程开关置于最大量程位置上，以防下次使用时操作者疏忽而造成仪表损坏。第一张幻灯片返回

17、本章首页第七节万用电表一、万用电表的结构 万用表是利用多刀多投转换开关，改变电路连接方式，测量不同量程的电压、电流或电阻，是电气维修中常用的工具。除一般测量电压、电流和电阻外，还可测量电子电路的电平，测量电平实际上就是测量电压，不过是被测值与标准值之比的对数形式表示。 当表示功率电平时，可用负载为600、 1mW作为功率的 0电平。 当表示电压电平时，可用0.775V作为 电压的 0电平。功率电平电压电平返回本章首页500型万用电表外形返回本章首页 二、500型万用表电路 500 型万用表的面板设两个多刀多投转换开关，分别为 ，改变开关位置可以选择测量对象和量程，包括交直流电流和电压、电阻和信

18、号电平，下面仅分析几个电路，其余读者可自行分析。返回第一张幻灯片本章首页 三、直流电流测量电路 测量直流电流左边多投开关置于A档，右边置于50A档，作为直流电流测量电路的基本量程，改变右边开关位置，选用不同分流器，可改变量程为10、100、500mA，分流器采用闭路式，不因开关接触不良而损坏仪表。使用红线所示电路返回本章第一张幻灯片首页 四、直流电压测量电路 测量直流电压右边多投开关置于V档，左边置于 2.5V档，作为直流电压的最小量程，改变左边开关位置，选用不同附加电阻，可改变量程为 10、50、250、500V，附加电阻采用共用式，可减少线绕电阻数量。使用红线所示电路返回本章首页 五、直流

19、电阻测量电路 测量直流电阻右边多投开关置于乘1至乘10k档，左边置于 档，其中乘1至乘1k档使用1.5V电池为电源，乘10k档用10.5V积层电池作电源。返回本章首页直流电阻测量电路原理从简化图可推出通过表头电流返回本章首页第八节直流电位差计一、直流电位差计工作原理 直流电位差计由三个回路组成。其中 回路称为校准回路 回路称为测量回路 回路称为工作电流回路。返回本章首页 校准回路：利用回路中的标准电池用来校准工作电流，当开关 S 合向回路时，调节R改变工作电流，若检流计指零，则说明标准电池的电动势与工作电流在电阻 上的压降 相互补偿，使 。 工作电流回路：包括辅助电源，调节工作电流用的可变电阻

20、、测量电阻和工作调定电阻。工作回路主要任务是提供一个稳定的工作电流，使电阻 和 能得到一个稳定的压降。 测量回路：当开关S合向回路时，调节测量电阻，以改变左端ab二点间的压降（注意：此时不能再调节R，否则工作电流将发生变化），若检流计指零，则表明 为已知从 可求出被测电压值。返回本章首页第一张幻灯片 电位差计特点 1.利用补偿原理:电位差计的平衡是利用电动势互相补偿的原理，因此平衡时不从测量回路的被测电源取用电流，从而消除被测电源的内阻、导线电阻、接触电阻对测量的影响。校准回路也一样，不从标准电池取用电流，保持了标准电池电动势的稳定。 2.采用高准确度的元件：在式 中，由于标准电池的电动势比较

21、稳定，调定电阻和测量电阻的左端ab部分选用高准确度和高稳定度的电阻，所以测量准确度可以达到 0.001%。返回第一张幻灯片本章首页 二、实用电位差计的结构 1.要考虑标准电池的电动势受温度的影响:实用电位差计的工作调定电阻通常由两部分电阻构成，一部分为固定，一部分为可调，可调部分作为温度补偿电阻，以补偿标准电池因温度而发生的变化。 2.要根据测量结果所需要的准确度，选择合适的测量线路和有足够灵敏度的检流计。以保证电路未完全补偿时，能为观察者所觉察。 3.测量电阻应在很宽的范围内变化，而且能够准确读数，例如要读出五位数或六位数，一般可采用十进电阻盘，以便能读出多位读数，但也有用滑线电阻盘的。 返

22、回第一张幻灯片本章首页用电位差计测量电压 用直流电位差计还可以鉴定高准确度（0.5级及以上）的电压表。当被检电压表的量程大于电位差计的量程上限时，也要用精密分压器（R1、R2）将电压表两端的电压U分压，经分压后减小到电位差计的量程范围之内，再进行测量。返回本章首页用电位差计测量电流 测量电流是通过测量已知电阻Rn上的电压降，再间接计算出被测电流选用标准电阻Rn时要注意：1）标准电阻的额定电流应大于被测电流； 2）标准电阻上的压降要保证第一测量盘能读数；3）标准电阻上的压降不能超过电位差计的测量上限。返回本章首页电阻Rx和标准电阻Rn串联。当开关S倒向Rn一边时，测得Rn上的电压为Un，保持电流

23、I不变，将开关S倒向Rx一边时，用电位差计测量出Rx上的电压为Ux，则被测电阻Rx为：用电位差计测量电阻返回本章首页测量时，尽量使标准电阻Rn接近被测电阻Rx ，这样能使调试容易些，并且测量时更准确。用电位差计测量电阻第九节 电子系电压表一、电子电压表的类型 1. 放大-检波式 这种方式采取放大在前，检波在后，通过放大电路提高仪表的灵敏度，可以用来测量微弱电压。但因频率范围受放大器限制，一般只用于低频电压表。 2.检波-放大式 这种方式采取检波在前，放大在后，由于被测电压一开始就转换为直流，所以频率范围不受放大器限制，可用于测量视频、超高频电压，但灵敏度较低。返回本章首页3.调制式 检波在前的

24、电压表灵敏度不高，是由于检波后已将信号转换为直流，只能使用直流放大器，而直流放大器的放大倍数因漂移受到很大限制。调制式则利用斩波器先把直流转换为低频交流，然后用低频交流放大器进行放大，放大后再通过解调恢复为直流，这种方式既能采用检波在前，又能避免使用直流放大器而影响灵敏度。返回本章首页 4.外差式 这种方式先通过混频，将被测频率转换为固定的中频，经中频放大后再通过检波转换为直流。既能解决放大在前频率范围受到限制的缺点，又能解决检波在前仪表的灵敏度不足的问题。多用于高频和超高频的测量。返回本章首页二 电子电压表的检波电路 电子电压表利用检波电路把被测电压的峰值或平均值或有效值转换为直流电压，然后

25、用磁电系进行测量，所以检波电路是电子电压表的核心，它有以下几种形式。1、 峰值检波 开路式峰值检波： 开路式检波电路是利用二极管将电容器充电至峰值，它必须满足以下条件： RC T RCRi T 满足该条件，其指示仪表的指针偏转角将与被测电压峰值成正比。返回第一张幻灯片本章首页 闭路式峰值检波 闭路式检波电路如果满足以下条件：RC T RCRi T 则其指示仪表指针的偏转角将与被测电压交流峰值成正比。闭路式峰值检波电路返回第一张幻灯片本章首页 2、峰-峰值检波 峰- 峰值检波电路利用被测电压的正半波对 充电,充至电压正半波的最大值为止，然后在负半波期间，被测电压与 电压串接后对 充电，因此 电压

26、可充至峰 - 峰值。指示仪表指针偏转角将与被测电压的峰 - 峰值成正比。峰-峰值检波电路第一张幻灯片返回本章首页 3、平均值检波 (1) 半波与全波平均值检波 半波平均值检波特点：由于仪表可动部分的惯性，指针偏转角将正比于交流电压正半波平均值。特点：由于交流电压正半波由二极管形成闭路，指针的偏转角将正比于交流电压负半波平均值。返回本章第一张幻灯片首页 全波平均值检波 电路特点：正、负半波的电压所产生的电流，以同一方向流过电流表P，P的指针偏转角 正比于交 流电压全波平均值。（全波平均值一般是指一个周期内，取电压瞬时值的绝对值平均所得。）返回本章首页 （2）具有负反馈的线性放大器 也就是输出电流

27、平均值，与输入电压平均值成线性的正比关系。返回本章首页具有负反馈的线性平均值检波电路 在线性放大器的基础上将 换成接有指示仪表的全波均值检波，即组成具有负反馈的线性平均值检波电路。在该电路中通过指示仪表的电流等于输出电流的一半，若将它化为平均值。可得 可见，若开环放大倍数足够大，反馈电阻又比较准确，输出到指示仪表的电流将正比于输入电压。返回第一张幻灯片本章首页 4、有效值检波 真正的有效值检波，需要采用能直接反映有效值的传感器，例如热电偶等，才能用来测量任意波形的有效值。而利用正弦波有效值与平均值或峰值的关系，按有效值刻度的平均值或峰值电压表，其刻度只能用于正弦波。返回本章首页三、电子电压表的

28、放大电路 对于放大检波式的电子电压表,因为放大在前，必须采用交流放大器，如用阻容偶合放大器或运算放大器。 对于检波在前的电子电压表，则需要用直流放大器或运算放大器，也可以采用调制方式，通过斩波器将直流调制成一个固定频率的低频交流，然后放大。返回本章首页四、电子电压表实例HFJ8型毫伏计返回本章首页HFJ8型毫伏计总电路图返回第一张幻灯片本章首页 (1)高频检波探头 由于HFJ8型毫伏计是一种超高频电压表，频率上限达300MHz，对检波前的电路结构要特别考究，在超高频下工作的元件和线路，即使是很小的潜布电容，也会对高频段测量产生不利的影响，所以超高频电压表要将全部检波电路装在探头内，尽量把潜布电

29、容减到最小程度。 被测电压经探头中的衰减和检波之后，形成正负的直流信号，分别送电压表内衰减器。由于对信号正负半波分别检波，可用于测量有直流分量的不对称波形。 返回第一张幻灯片本章首页 (2)衰减器 检波器输出的正、负直流电压经探头电缆直接加到衰减器，其中R2R8对正电压衰减，R9R14对负压衰减，调节量程开关可获得七种衰减比，分别为3mV、10mV、30mV、100mV、0.3V、1V、3V七种量程，如果在探头上加接一个1：100的分压器，可将量程扩大100倍，原100mV、0.3V、1V、3V的量程就扩大为10V、30V、100V、300V。 (3)斩波器 斩波器由两个三极管组成，管的导通与截止由多谐振荡器发出的方波控制。方波频率由RP13调节，RP10和RP11可调节加到输入端的方波强