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1、汽车电工电子技术,作者：倪 勇,责任编辑：樊晓燕 出版日期：2009年9月 IDPN：308-2009-146 课件章数：9,第2章,常用仪器仪表,本章要点,1.电工仪表的分类和准确度。 2.常见电工仪表的结构形式及常用电量的测量方法。 3.万用表的分类、结构特点和使用方法。 4.汽车专用示波器的结构、分类、工作原理和使用方法。 5.基本的安全用电常识。,2.1 电工仪表的分类与准确度,2.1.1 电工仪表的分类 电工测量的主要对象为电流、电压、电功率、电能、相位、频率、功率因数、电阻、电容等电工量。用来测量各种电量或磁量的仪器仪表，统称为电工仪表。 电工仪表可以分为两大类：一类是直读式仪表，
2、它具有将被测量转换为仪表可动部分的机械偏转角的特点，并能通过指示器直接读出被测量值；另一类是比较式仪表，主要用于比较法测量中，属于直流比较仪表的有直流电桥、电位差计等，属于交流比较仪表的有交流电桥等。这里着重介绍应用比较广泛的直读式仪表。,直读式仪表分类：,1）按工作原理分 有磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表、铁磁电动系仪表、感应系仪表、静电系仪表等类型。 2）按被测电工量分类 有电流表、电压表、功率表、电度表、功率因数表、频率表、兆欧表等类型。 3）按使用方法分类 有安装式和便携式仪表。安装式仪表是固定安装在开关扳或电气设备的面板上的仪表，又可称为面板式仪表，它广泛用于工业控制系统的运行监
3、视和测量中。便携式仪表是可以携带和移动的仪表，其精度较高，广泛用于电气试验、精密测量及仪表检定等场合。 4）按准确度等级分类 有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0等七个准确度等级类型的仪表。 5）按使用条件分类 有A、B、C三组类型的仪表。A组仪表适应于环境温度为040、湿度为85%条件范围使用；在同样湿度条件下，B组环境温度为-2050；C组环境温度则为-4060。,2.1.2 电工仪表的准确度,各种电工仪表，不论制造得如何精确，它的测量结果与被测量的实际值之间总是存在一定的差值，这种差值被称为仪表误差。误差值的大小反映了仪表本身的准确程度。因此，在仪表的技术参数中，仪表
4、的准确度被用来表示仪表测量过程中产生的误差。 根据仪表误差产生的原因，误差可分为基本误差和附加误差。 仪表在正常工作条件下（指规定温度、放置方式、没有外电场和外磁场干扰等），因仪表结构、工艺等方面的不完善而产生的误差称为基本误差，如由于刻度的不准确、弹簧的永久变形、轴和轴承之间的摩擦和零件位置安装不正确等造成的误差。基本误差是仪表的固有误差。 仪表离开了规定的工作条件（指温度、放置方式、频率、外电场和外磁场等）而产生的误差称为附加误差。附加误差实际上是一种因工作条件改变造成的额外误差。,仪表误差有绝对误差、相对误差、引用误差三种表示方式。 绝对误差指仪表指示值 与被测量的实际值 之间的差值，用
5、表示，即： （2-1） 相对误差指绝对误差与被测量的实际值 的比值的百分数，用 来表示，即： （2-2） 引用误差指绝对误差与仪表最大读数（量限） 比值的百分数，用 来表示，即： （2-4）,2.2 电工仪表的形式,2.2.1 磁电系仪表 磁电系仪表由固定部分和可动部分组成，其结构如图2-2所示。其固定部分为磁路系统，用来产生一个较强的磁场，包括马蹄形永久磁铁、极掌及圆柱形铁心等。极掌与圆柱形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，如图2-3所示。仪表的可动部分包括可动线圈（铝框和线圈）、转轴、游丝及指针等。铝框套在圆柱形铁心上，铝框上绕着线圈，线圈的两个端子各与轴上的两
6、个游丝的一端相接，游丝的另一端固定，便于电流流入线圈。指针也固定在轴上。,图2-2 磁电系仪表结构,当线圈中有电流I通过时，由于与空气隙中磁场的相互作用，线圈的两有效边将受到大小相等、方向相反的力的作用，力的方向由左手定则确定（如图2-3所示），其大小为： （2-6） 式中，N为线圈的匝数；B为空气隙中的磁感应强度；l为垂直于磁场方向的线圈的有效长度。 如果线圈的宽度为，则线圈所受的转动力矩为： （2-7） 式中， 是一个比例常数。,力矩方向为顺时针。在该转矩的作用下，线圈和指针转动起来，同时游丝被扭紧而产生阻转矩。游丝的阻转矩与转轴转过的角度也即指针的偏转角 成正比，即： （2-8） 式中
7、为游丝的反作用系数，与游丝的材质和尺寸有关。 当游丝的阻转矩与转动转矩达到平衡时，可动部分便停止转动。这时有： 即： （2-9） 由上式可知，指针的偏转角度与通入线圈的电流成正比。根据这一结果，就可以在标度盘上做均匀刻度。如果在刻度盘上刻上电流，就成了电流表，可以指示流过线圈的电流。,当线圈流入电流后，在驱动力矩的作用下，转轴带着指针沿顺时针偏转。因转动力矩一定，而游丝对转轴的阻力矩却随转轴转动而增大，所以转轴将加速旋转，直到阻力矩增大到等于转动力矩，这时合力矩虽然等于零，但由于惯性，转轴将继续旋转，从而使接下来的阻力矩大于转动力矩，转轴随之减速，转轴减速到一定位置后将停止并往回转，当回转到零
8、合力矩位置时，由于惯性还会继续回转，那么转动力矩又大于阻力矩，使转轴回转一定位置后停止，又重新开始顺时针转动，这样不断地重复前面的过程。这一过程实际上是转轴在合力矩为零的位置做阻尼运动，而且是小阻尼运动，其持续时间比较长。我们看到的现象就是指针在平衡位置附近不停地左右摆动，直到能量耗尽而停止。在测量时，就需等待指针停止摆动再读数。实际设计时，可采取一定方式增大阻尼，尽量使指针偏转到平衡位置后即停下来。,图2-4 铝框产生阻力矩原理图,磁电系仪表具有刻度均匀、灵敏度高、功率消耗小的优点，但由于电流必须流经游丝，动圈的导线又很细，以致磁电系仪表不能承受较大的电流，否则将引起游丝过热，使弹性减弱从而
9、使仪表精度下降，甚至被烧毁。 磁电系仪表只能测量直流。因为永久磁场产生的磁场方向恒定不变，只有通过直流电流才能产生稳定的偏转。如果线圈中通入交流电，则由于电流方向不断改变，转动力矩也是交变的，可动部分由于惯性赶不上电流和转矩的迅速交变而静止不动，得不到读数。 如果通过线圈的电流方向变化，从图2-3可知，转轴和指针将逆时针旋转，但指针将被限位零件挡住，不指示电流。所以使用磁电系测量机构组成的直流仪表需注意极性。 磁电系仪表主要用于直流电路中测量电流和电压，加上变换器后还可用于交流电量及其他量的测量。,2.2.2 电磁系仪表,电磁系仪表根据结构形式的不同，可分为吸引型和排斥型。,图2-5 扁线圈吸
10、引型电磁系仪表结构,图2-6 吸引型仪表工作原理,图2-7 圆线圈排斥型电磁系仪表结构,图2-8 转动力矩的产生,当通电电流产生的磁场将铁片磁化后，两铁片的磁场均与线圈的磁势成正比，排斥力来自两铁片的互相作用，因此，可以认为铁片上相互作用的排斥力或转轴的转矩与通入线圈的电流的平方成正比。即转动力矩为： （2-10） 式中 为与线圈、铁片尺寸和形状以及它们的相对位置有关的系数。 在通入交流电流时，仪表可动部分的偏转决定于平均转矩，转动转矩与交流电流有效值I的平方成正比，同样 。和磁电系仪表一样，产生阻力矩的也是连在转轴上的游丝，因此阻力矩为： 当阻力矩与转动转矩达到平衡时，可动部分即达到平衡位置
11、。这时有 即： （2-11） 由上式可知，指针的偏转角与直流电流或交流电流有效值的平方成正比，所以刻度是不均匀的。小电流处刻度密，大电流处刻度疏。,2.2.3 电动系仪表,当固定线圈通过电流I1时，其内部产生磁场（如图2-10所示），可动线圈中通有电流I2，该电流与固定线圈内部的磁场（设磁感应强度为B）发生相互作用，产生大小相等、方向相反的两个力，其大小与磁感应强度B和电流I2的乘积成正比，而B可以认为与电流I1成正比，所以作用在可动线圈上的力或仪表的转动力矩与两线圈的电流I1和I2的乘积成正比，即：,当两线圈中通入交流电流 和 时，转动力矩与两电流的瞬时值的乘积成正比。因为两个电流是不断变化
12、的，所以此时的转动力矩也是变化的。但仪表可动部分的偏转决定于该变化力矩的平均值，从理论上推导出该平均力矩为： （2-13） 式中，I1和I2是交流电流i1和i2的有效值； 是i1和i2之间的相位差。当游丝产生的阻转矩 与驱动转矩达到平衡时，可动部分便停止转动。这时有： 即 （直流） （2-14） 或 （交流） （2-15） 电动系仪表的优点是交、直流两用且准确度高。其缺点是易受外界磁场的影响（因为无铁心，内部磁场较弱），不能承受较大的电流（因为可动线圈的电流必须由游丝引入）。,2.3 电流、电压、功率的测量,2.3.1 电流测量 电流表是一种具有显示流过自身电流大小能力的装置。要测量流过某一负
13、载的电流，必须将电流表与被测电路串联，如图2-11（a）所示。 图2-11 电流的测量电路 为了使电路的工作不因接入电流表而受影响，电流表的内阻必须很小。因此，如果不慎将电流表并联在电路的两端，则电流表将被烧毁，在使用时必须特别注意。测量直流电流通常采用磁电系仪表做成的电流表，测量交流电流主要采用电磁系仪表做成的电流表。,2.3.2 电压测量,电压表是一种具有显示加在其两端电压大小的能力的一种装置。要测量某一负载两端的电压，必须将电压表与被测负载并联，如图2-12（a）所示。 图2-12 电压测量电路 测量直流电压通常采用磁电系仪表做成的电压表，测量交流电压主要采用电磁系仪表做成的电压表。,2
14、.3.3 功率测量,除电流和电压外，功率的测量也是最基本的电工测量之一。直流功率的测量应能反映被测负载电压和电流的乘积，交流功率的测量除应反映负载电压和电流的乘积外，还应反映负载的功率因数。因此用来测量功率的仪表必须有两个线圈：一个用来反映负载的电压，与负载并联，称为电压线圈；另一个用来反映负载的电流，与负载串联，称为电流线圈。电动式仪表具有两个线圈，常用的功率表都是用电动式测量机构做成的。 电动系功率表由电动系测量机构和附加电阻Rs构成。测量机构的固定线圈A的匝数较少，导线较粗，与负载串联，作为电流线圈，可动线圈D的匝数较多，导线较细，它和一个高值电阻Rs（称为倍压器）串联后与负载并联，作为
15、电压线圈如图2-13（a）所示，功率表接入电路中的电路符号如图2-13（b）所示。,（a）原理示意图 （b）电路图 图2-13 电动系功率表,2.4 万用表,万用表可测量多种电量，虽然准确度不高，但是使用简单，携带方便，特别适用于检查线路和修理电器设备。 万用表的种类很多，根据所应用的测量原理和测量结果显示方式的不同，可分为模拟式万用表和数字式万用表两大类。 模拟式万用表是先通过一定的测量机构将被测量的模拟电量转换成电流信号，再由电流信号去驱动表头指针偏转，从表头的刻度上即可读出被测量的值，如图2-14所示。 数字式万用表是先由模数（A/D）转换器将被测模拟量变换成数字量，然后由电子计数器进行
16、计数，最后把测量结果用数字直接显示在显示器上，如图2-15所示。,图2-14 模拟式万用表的测量过程,图2-15 数字式万用表的测量过程,数字式和模拟式万用表间的差异 :,（1）数字式万用表的测量精度比模拟式万用表高。 （2）数字式万用表的内阻比模拟式万用表内阻高得多，因此在进行电压测量时，数字式万用表更接近理想条件。 （3）模拟式万用表表盘上的电阻值刻度线从左到右密度逐渐变疏，即刻度是非线性的。 （4）测量直流电流或电压时，模拟式万用表若正、负极接反，指针就反转，而数字式万用表能自动判别并显示出极性。 （5）模拟式万用表是根据指针和刻度盘来读数的，容易产生人为误差，而数字式万用表是数字显示，消除了这类人为误差。,2.4.1 模拟式万用表结构、原理及使用,1表盘 图2-16所示是MF47型模拟式万用表，（a）图为万用表外
