预备知识1电气测量指示仪表测量电气参数（如电压、电流、电阻、功率、频率及相位角等等）的指示仪表称为“电气测量指示仪表。这里将简单地介绍几种实验中常用仪表（磁电式、电磁式及电动式仪表）的工作原理和技术指标。一、工作原理1.磁电式仪表磁电式仪表是利用永久磁铁的磁场和载流线圈的相互作用原理制成的，其结构如图1所示。在永久磁铁和圆柱形铁心的缝隙间装有一个可转动的线圈（称做动圈），线圈的轴尖被套在轴承里。当有电流通过动圈时，在磁场中产生的指针电磁力矩可使动圈转动，同时，与动圈固定在一起的游丝产生反作用力矩。当反作用力矩与电磁力动圈游丝矩相等时，动圈则停在某一位置上，固定在动圈轴?上的指针便在刻度盘上指出被测电流的大小。磁电式仪表与其他机电式指示仪表相比，具铁芯有准确度高、灵敏度高、消耗待测电路功率小及防御外磁场能力强（但怕过载）等一些优点，适合于实验中使用。它主要用于直流电压、直流电流的测量。图12.电磁式仪表电磁式仪表的测量机构有吸引型、排斥型和排斥一吸引型等三种类型。图2所示为排斥型，是根据动、定两个铁片在通有电流的固定线圈所产生的磁场中磁化后的相互作用原理制成的。当有电流通过固定线圈1时，其产生的磁场使得固定铁片2与可动铁片3同时磁化，并且这两个铁片的同一侧是同性的磁极，如图2（b）所示。同性磁极相互排斥，从而使可动铁片3带动转轴及指针转动。当固定在转轴上的游丝4所产生的反作用力矩和转动力矩相等时，指针终将停在某一确定位置上，指示出被测量的数值来。易看出，当固定线圈所通的电流方向改变时，固定铁片2与可动铁片3被磁化了的极性也同时改变，仍为相斥状态，因此，所生转动力矩的方向不变，指针还是向原来的方向偏转。可见，电磁式仪表既可用于直流电流，也可用于交流电流的测量。电磁式仪表具有结构简单、价格便宜、抗过载能力强并可交直流两用等优点，但由于靠待测电流产生的磁场牧弱，易受外磁场影响。1
南开大学出版社 预备知识 §1 电气测量指示仪表 测量电气参数(如电压、电流、电阻、功率、频率及相位角等等)的指示仪表称为“电气测量 指示仪表”。这里将简单地介绍几种实验中常用仪表(磁电式、电磁式及电动式仪表)的工作原 理和技术指标。 一、工作原理 1.磁电式仪表 磁电式仪表是利用永久磁铁的磁场和载流线圈的相互作用原理制成的,其结构如图1所 示。在永久磁铁和圆柱形铁心的缝隙间装有一个可转动的线圈(称做动圈),线圈的轴尖被套 在 图1 轴承里。当有电流通过动圈时,在磁场中产生的 电磁力矩可使动圈转动,同时,与动圈固定在一起 的游丝产生反作用力矩。当反作用力矩与电磁力 矩相等时,动圈则停在某一位置上,固定在动圈轴 上的指针便在刻度盘上指出被测电流的大小。 磁电式仪表与其他机电式指示仪表相比,具 有准确度高、灵敏度高、消耗待测电路功率小及防 御外磁场能力强(但怕过载)等一些优点,适合于 实验中使用。它主要用于直流电压、直流电流的 测量。 2.电磁式仪表 电磁式仪表的测量机构有吸引型、排斥型和排斥—吸引型等三种类型。图2所示为排斥 型,是根据动、定两个铁片在通有电流的固定线圈所产生的磁场中磁化后的相互作用原理制成 的。当有电流通过固定线圈1时,其产生的磁场使得固定铁片2与可动铁片3同时磁化,并且 这两个铁片的同一侧是同性的磁极,如图2(b)所示。同性磁极相互排斥,从而使可动铁片3 带动转轴及指针转动。当固定在转轴上的游丝4所产生的反作用力矩和转动力矩相等时,指 针终将停在某一确定位置上,指示出被测量的数值来。易看出,当固定线圈所通的电流方向改 变时,固定铁片2与可动铁片3被磁化了的极性也同时改变,仍为相斥状态,因此,所生转动力 矩的方向不变,指针还是向原来的方向偏转。可见,电磁式仪表既可用于直流电流,也可用于 交流电流的测量。 电磁式仪表具有结构简单、价格便宜、抗过载能力强并可交直流两用等优点,但由于靠待 测电流产生的磁场较弱,易受外磁场影响。 1
3.电动式仪表56(a)(b)图2由前所述，磁电式仪表的磁场是由永久磁铁建立的。若利用通有电流的固定线圈去代替永久磁铁，便可构成“电动式仪表”。可见，电动式仪表是利用通有21.4电流的固定线圈的磁场与通有电流的可动线圈间相互作用原理制成的，其结构如图3所示。给并行放置的定圈1通入电流I，所产生的磁场将使通有电流I，的动圈2发生转动，直到转动力矩与游丝4所产生的反作用力矩相平衡时为止。此时指针停在某一位置上，a.指示出被测量的数值。当电流I，和I，的方向同时改图3变时，动圈所受电磁力矩的方向不变。可见，电动式仪表也可做成交直流两用的仪表：不仅可以做成电流表、电压表，而且还可做成功率表。电动式仪表准确度等级高，交、直流两用，常作为交直流标准表。但也存在着抗过载能力弱、易受外磁场影响等缺点。二、仪表误差1.仪表正常工作条件（1）仪表指针在测量前要调整到零点。（2）按规定方向放置。表盘上的“一”或“→”号，要求水平放置，“上”号要求垂直放置，60°要求标度盘与水平面成60°角放置。（3）仪表周围的环境温度为20℃，或其他特定温度。仪表对环境温度的适应能力分为A、B、C三组。在表盘上分别用A、金、A表示。例如A组仪表，当环境温度每改变士10℃时，将使仪表产生K%的附加误差（K为仪表的准确度等级，下面将要讲到）。（4)除地磁场外，没有外来磁场。仪表抗外磁场影响的能力分I、Ⅱ、Ⅲ、IV级。例如对直流仪表加上400安匝/米的直流均勾外磁场且在最不利方向的情况下，给各级仪表造成的附加误差分别为0.5%1.0%、2.5%、5.0%。表盘上常用口、口、口、回表示这些等级。（5）对于交流仪表来说，所测电流或电压应该是规定频率范围内的正弦波形电流或电压。此外，如果仪表是在高压电路中使用，还要注意表壳的绝缘强度。例如表盘上所标离表示绝缘强度试验电压为2kV。2
南开大学出版社 3.电动式仪表 (a) (b) 图2 图3 由前所述,磁电式仪表的磁场是由永久磁铁建立 的。若利用通有电流的固定线圈去代替永久磁铁,便 可构成“电动式仪表”。可见,电动式仪表是利用通有 电流的固定线圈的磁场与通有电流的可动线圈间相互 作用原理制成的,其结构如图3所示。给并行放置的 定圈1通入电流I1,所产生的磁场将使通有电流I2 的 动圈2发生转动,直到转动力矩与游丝4所产生的反 作用力矩相平衡时为止。此时指针停在某一位置上, 指示出被测量的数值。当电流I1 和I2 的方向同时改 变时,动圈所受电磁力矩的方向不变。可见,电动式仪 表也可做成交直流两用的仪表;不仅可以做成电流表、电压表,而且还可做成功率表。 电动式仪表准确度等级高,交、直流两用,常作为交直流标准表。但也存在着抗过载能力 弱、易受外磁场影响等缺点。 二、仪表误差 1.仪表正常工作条件 (1)仪表指针在测量前要调整到零点。 (2)按规定方向放置。表盘上的“ 〔 ”或“→”号,要求水平放置,“⊥”号要求垂直放置, ∠60°要求标度盘与水平面成60°角放置。 (3)仪表周围的环境温度为20℃,或其他特定温度。仪表对环境温度的适应能力分为 A、 B、C三组。在表盘上分别用△A 、△B 、△C 表示。例如 A 组仪表,当环境温度每改变±10℃时,将 使仪表产生 K%的附加误差(K 为仪表的准确度等级,下面将要讲到)。 (4)除地磁场外,没有外来磁场。仪表抗外磁场影响的能力分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。例如对直 流仪表加上400[安匝/米]的直流均匀外磁场且在最不利方向的情况下,给各级仪表造成的附 加误差分别为0.5%、1.0%、2.5%、5.0%。表盘上常用□Ⅰ、□Ⅱ、□Ⅲ、□Ⅳ表示这些等级。 (5)对于交流仪表来说,所测电流或电压应该是规定频率范围内的正弦波形电流或电压。 此外,如果仪表是在高压电路中使用,还要注意表壳的绝缘强度。例如表盘上所标☆2 表示绝缘 强度试验电压为2kV。 2
在测量读数时，要使视线垂直于表盘，以免出现“视差”。2.仪表的准确度等级仪表在正常工作条件下进行测量时所具有的误差，成为仪表的基本误差。它是由于结构上和制作上的不完善而产生的，例如仪表轴尖与轴承的摩擦以及刻度线划分不精密等等原因所引起的误差都属于基本误差。仪表按照其基本误差可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个准确度等级。仪表的准确度等级是这样划分的：若该仪表的量限为A㎡，在这个量限内该仪表的最大绝对误差为△m，则定义该仪表的“引用误差”r为：(1)rm=m/AmX100%最后根据引用误差r去套国家的七个准确度等级。例如r一0.8%时，表明这只仪表的准确度等级优于1.0级而不够0.5级，只能定为1.0级，等等。我们使用仪表进行测量时，经常遇到的问题是，已知仪表的准确度等级K，所用量限为A，求测量的绝对误差△m。由（1）式立刻得到：(2)Am=AmXK%例如量限为10A的0.5级电流表，由（2)式知测量电流时所得绝对误差应为0.05A。三、仪表型号、主要规格表示仪表结构型式的代号叫做“型号“，例如我们所用的磁电式直流复射式检流计的型号是“AC15”：我们所用的四量限磁电式直流电压表，其型号是“C32一V”。实验时不仅应该记下所用仪表的型号，还要记下该仪表的主要规格，即：量限、内阻、准确度等级，对于交流电表还应记下其正常的工作频率范围。四、万用表万用表是由磁电式微安表头配以各种测量电路组成的多功能电表，其准确度等级虽然比较低，但功能较多，常可用来测量直流电压、直流电流、交流电压和电阻。有的万用表还可用来测量交流电流、电功率、电感量和电容量等。使用万用表进行测量可归结为选挡、调零、读数、复位四步。下面以测电阻为例来说明万用表的用法。设被测电阻的阻值在30～300Q范围内。图4为500型万用表的面板图。1.选挡：就是根据被测量的种类和估计量值选拨万用表测量转换开关的挡位。欲测本例电阻，图4所示万用表的左右两只转换开关应分别旋至Q和10”位置。2.调零：万用表接入测量电路前，要先看看表针是否指在“机械零点”（即刻度尺的左端点）上，若偏离，可用改锥进行调整。使用欧姆挡位测电阻时，还需要调整“欧姆零点”，即：将两只表笔搭接起来（表示被测电阻为零），调2旋钮，使表针指在欧姆刻度尺的右端点，即0Q处。3.读数：调零完毕，即可将万用表接入测量电路（测电流时串入电路：测电压时并入电路：测电阻时，将待测电阻接在万用表的两只表笔间），按照表针的指示位置在相应的刻度尺上读出测量值。测电压和电流时，表针偏转越接近量限，测量越准确；测电阻时，表针越接近欧姆刻度中心（在刻度尺弧长的中点上，如500型万用表×1挡的欧姆刻度中心为102），测量越准确。测电压和电流时，若表针已偏出刻度尺，表示选挡不要，应立即断电并改挡位。若选挡错误严重（例如误用电流挡去测天电压），也许表针尚未偏到头，万用表已被烧坏。3
南开大学出版社 在测量读数时,要使视线垂直于表盘,以免出现“视差”。 2.仪表的准确度等级 仪表在正常工作条件下进行测量时所具有的误差,成为仪表的基本误差。它是由于结构 上和制作上的不完善而产生的,例如仪表轴尖与轴承的摩擦以及刻度线划分不精密等等原因 所引起的误差都属于基本误差。 仪表按照其基本误差可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个准确度等级。仪表的准确 度等级是这样划分的:若该仪表的量限为Am ,在这个量限内该仪表的最大绝对误差为Δm,则 定义该仪表的“引用误差”rm 为: rm =Δm/Am ×100% (1) 最后根据引用误差rm 去套国家的七个准确度等级。例如rm =0.8%时,表明这只仪表的准确 度等级优于1.0级而不够0.5级,只能定为1.0级,等等。我们使用仪表进行测量时,经常遇到 的问题是,已知仪表的准确度等级 K,所用量限为 Am ,求测量的绝对误差Δm。由(1)式立刻 得到: Δm=Am ×K% (2) 例如量限为10A 的0.5级电流表,由(2)式知测量电流时所得绝对误差应为0.05A。 三、仪表型号、主要规格 表示仪表结构型式的代号叫做“型号”,例如我们所用的磁电式直流复射式检流计的型号 是“AC15”;我们所用的四量限磁电式直流电压表,其型号是“C32-V”。 实验时不仅应该记下所用仪表的型号,还要记下该仪表的主要规格,即:量限、内阻、准确 度等级,对于交流电表还应记下其正常的工作频率范围。 四、万用表 万用表是由磁电式微安表头配以各种测量电路组成的多功能电表,其准确度等级虽然比 较低,但功能较多,常可用来测量直流电压、直流电流、交流电压和电阻。有的万用表还可用来 测量交流电流、电功率、电感量和电容量等。使用万用表进行测量可归结为选挡、调零、读数、 复位四步。下面以测电阻为例来说明万用表的用法。 设被测电阻的阻值在30~300Ω 范围内。图4为500型万用表的面板图。 1.选挡:就是根据被测量的种类和估计量值选拨万用表测量转换开关的挡位。欲测本例 电阻,图4所示万用表的左右两只转换开关应分别旋至 Ω 和“10”位置。 2.调零:万用表接入测量电路前,要先看看表针是否指在“机械零点”(即刻度尺的左端点) 上,若偏离,可用改锥进行调整。使用欧姆挡位测电阻时,还需要调整“欧姆零点”,即:将两只 表笔搭接起来(表示被测电阻为零),调 Ω 旋钮,使表针指在欧姆刻度尺的右端点,即0Ω 处。 3.读数:调零完毕,即可将万用表接入测量电路(测电流时串入电路;测电压时并入电路; 测电阻时,将待测电阻接在万用表的两只表笔间),按照表针的指示位置在相应的刻度尺上读 出测量值。 测电压和电流时,表针偏转越接近量限,测量越准确;测电阻时,表针越接近欧姆刻度中心 (在刻度尺弧长的中点上,如500型万用表×1挡的欧姆刻度中心为10Ω),测量越准确。测电 压和电流时,若表针已偏出刻度尺,表示选挡不妥,应立即断电并改挡位。若选挡错误严重(例 如误用电流挡去测大电压),也许表针尚未偏到头,万用表已被烧坏。 3
10m25~5015200dB1mW6002Y~25ky4000%304020138S10015200102n8A-V-2Oto45-65-1000HzMF500型200000/V0.CMC1KYV中华人民共和国编号量利字250V+28e上海第四电表厂00000256号GB767621050000m1005N0000052500VdB图44.复位：万用表用毕，应将量程转换开关复位至“·”挡，有的万用表不设此空挡，则应拨至交流电压最高挡，这样最为安全。S2实验室常用的元件，电源一、电阻箱电阻箱作为可调的已知电阻而为实验中所常用。图5为ZX21型电阻箱的面板图和内部电路结构图。从面板图上可以看出该电阻箱有六个旋钮和四个接线柱。调节各个旋钮，可获4
南开大学出版社 图4 4.复位:万用表用毕,应将量程转换开关复位至“·”挡,有的万用表不设此空挡,则应拨至 交流电压最高挡,这样最为安全。 §2 实验室常用的元件、电源 一、电阻箱 电阻箱作为可调的已知电阻而为实验中所常用。图5为 ZX21型电阻箱的面板图和内部 电路结构图。从面板图上可以看出该电阻箱有六个旋钮和四个接线柱。调节各个旋钮,可获 4
得自0.1至99999.9Q范围内间隔为0.1Q的任何标称阻值。例如图5（a）中所示阻值为87.654.309.909999.50.900oooox100X10000×1000X101x0.1(a)99999.909.900.90aO0X10000X100X1000LXX0. 1X10(b)图5电阻箱的主要规格：1.调整范围。例如ZX21型电阻箱的调整范围为0.1～99999.9Q。2.准确度等级。电阻箱的准确度等级是依据其标称阻值的允许误差百分数来划分的。通常有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0等几个级别。对于一个a级电阻箱，在环境温度为（20士8)℃，相对湿度小于80%条件下，其允许误差为a%。电阻箱各旋钮的电刷存在着接触电阻，接触电阻的大小依其等级不同而异。例如ZX21型电阻箱（0.1级）每个旋钮的接触电阻不大于0.002Q2。接触电阻和允许误差构成电阻箱的基本误差，常用下式计算：AR_bma%+(3)RR式中a为电阻箱的级别；R为电阻箱的示值；m为实际使用的两引线端钮间的电阻箱旋钮数：5
南开大学出版社 得自0.1至99999.9Ω 范 围 内 间 隔 为 0.1Ω 的 任 何 标 称 阻 值。例 如 图 5(a)中 所 示 阻 值 为 87654.3Ω。 (a) (b) 图5 电阻箱的主要规格: 1.调整范围。例如ZX21型电阻箱的调整范围为0.1~99999.9Ω。 2.准确度等级。电阻箱的准确度等级是依据其标称阻值的允许误差百分数来划分的。通 常有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0 等几个级别。对于一个 a级电阻箱,在环境温度为 (20±8)℃,相对湿度小于80%条件下,其允许误差为a%。 电阻箱各旋钮的电刷存在着接触电阻,接触电阻的大小依其等级不同而异。例如 ZX21 型电阻箱(0.1级)每个旋钮的接触电阻不大于0.002Ω。接触电阻和允许误差构成电阻箱的基 本误差,常用下式计算: ΔR R =a%+ bm R (3) 式中a 为电阻箱的级别;R 为电阻箱的示值;m 为实际使用的两引线端钮间的电阻箱旋钮数; 5