什么是仪表？

一米 是为准确检测并以人类可读的形式显示电量而构建的任何设备。通常，这种“可读形式”是视觉上的：指针在刻度上的运动、排列成“条形图”的一系列灯或由数字组成的某种显示。在电路的分析和测试中，有专门用来精确测量电压、电流和电阻等基本量的仪表。还有很多其他类型的仪表，但本章主要介绍基本三种的设计和操作。

大多数现代仪表在设计上都是“数字”的，这意味着它们的可读显示是数字形式。较旧的仪表设计本质上是机械的，使用某种指针装置来显示测量量。在这两种情况下，使显示单元适用于（相对）大量电压、电流或电阻的测量所应用的原理是相同的。

什么是仪表运动？

仪表的显示机制通常被称为运动 ，借用它的机械性来移动 沿着刻度的指针，以便可以读取测量值。尽管现代数字仪表没有运动部件，但“运动”一词可能适用于执行显示功能的同一基本设备。

电磁流量计运动

数字“机芯”的设计超出了本章的范围，但机械仪表的机芯设计非常好理解。大多数机械运动都基于电磁原理：通过导体的电流会产生垂直于电流轴的磁场。电流越大，产生的磁场越强。

如果允许导体形成的磁场与另一个磁场相互作用，则两个磁场源之间将产生物理力。如果这些源中的一个相对于另一个可以自由移动，那么当电流通过导线时，它就会这样做，运动（通常是抵抗弹簧的阻力）与电流强度成正比。

最早制造的仪表机芯被称为检流计 ，并且通常在设计时考虑到最大灵敏度。一个非常简单的检流计可以由悬挂在一根绳子上的磁针（例如磁罗盘的针）制成，并放置在一圈线圈中。通过线圈的电流将产生磁场，该磁场将使针偏转指向地球磁场的方向。下图展示了一个古董弦振镜：

这些仪器在当时很有用，但除了作为概念验证和基本实验设备外，在现代世界中几乎没有地位。它们极易受到任何形式的运动以及地球自然磁场的任何干扰。现在，术语“电流计”通常是指任何设计为具有出色灵敏度的电磁计机芯，而不一定是照片中所示的粗糙设备。

现在可以进行实用的电磁仪表运动，其中一个旋转的线圈悬挂在强磁场中，免受大部分外部影响。这种仪器设计通常被称为永磁体、动圈 , 或 PMMC 运动：

在上图中，仪表运动“指针”显示为指向满量程的 35% 左右的某个位置，零表示满量程位于弧线的左侧，而满量程则完全位于弧线的右侧。测量电流的增加将驱使指针进一步指向右侧，而减小将导致指针向下落回其左侧的静止点。仪表显示屏上的弧线标有数字，以指示被测数量的值，无论该数量是多少。

换句话说，如果需要 50 µA 的电流将指针完全向右驱动（使其成为“50 µA 全量程移动”），则刻度将在最左端写入 0 µA，在最左端写入 50 µA。非常正确，刻度中间标有 25 µA。很有可能，刻度会被分成更小的刻度标记，可能每 5 或 1 µA，以便观察运动的人能够从指针的位置推断出更精确的读数。

仪表机芯背面会有一对金属接线端子，供电流进出。大多数仪表运动都是极性敏感的，一个方向的电流驱动指针向右，另一个方向驱动指针向左。某些仪表机芯的指针位于刻度扫描的中间而不是左侧，从而实现对任一极性的测量：

常见的极性敏感机芯包括 D’Arsonval 和 Weston 设计，这两种都是 PMMC 类型的仪器。通过导线的一个方向的电流会在针机构上产生顺时针扭矩，而另一个方向的电流将产生逆时针扭矩。

一些仪表运动是极性的-in 敏感，依靠未磁化的可移动铁叶片对静止的载流导线的吸引力使针偏转。此类仪表非常适合测量交流电 (AC)。如果连接到交流电源，极性敏感的运动只会无用地来回振动。

静电计运动

虽然大多数机械仪表运动基于电磁（电流流过导体产生垂直磁场），但也有一些基于静电：即电荷在空间中产生的吸引力或排斥力。这与某些材料（如蜡和羊毛）摩擦在一起时表现出的现象相同。如果在空气间隙的两个导电表面之间施加电压，就会有一个物理力将两个表面吸引在一起，从而能够移动某种指示机制。

该物理力与板间施加的电压成正比，与板间距离的平方成反比。该力也与极性无关，使其成为一种对极性不敏感的仪表运动：

不幸的是，静电引力产生的力非常 对于普通电压来说很小。事实上，它是如此之小，以至于这种仪表运动设计对于在一般测试仪器中使用是不切实际的。通常，静电计运动用于测量非常高的电压（数千伏）。

然而，静电计运动的一大优点是它具有极高的阻力，而电磁运动（依赖于电流通过电线产生磁场）的阻力要低得多。正如我们将在后面更详细地看到的那样，更大的电阻（导致从被测电路汲取的电流更小）有助于获得更好的电压表。

阴极射线管

在称为阴极射线管的设备中可以看到静电电压测量的更常见应用 , 或 CRT .这些是特殊的玻璃管，非常类似于电视屏幕管。在阴极射线管中，一束在真空中传播的电子束被电子束两侧成对金属板之间的电压偏转偏离了它们的轨道。

由于电子带负电，它们往往被负极板排斥并被吸引到正极板。两个极板上的电压极性反转将导致电子束向相反方向偏转，从而使这种类型的仪表“移动”极性敏感：

质量比金属板小得多的电子通过这种静电力非常快速且容易地移动。当电子撞击管子的玻璃端时，可以追踪它们的偏转路径，在那里它们撞击磷化学物质涂层，发出从管子外看到的发光光。偏转板之间的电压越大，电子束就会从其直线路径“弯曲”得越远，从管端中心看到的发光点就越远。

此处显示了 CRT 的照片：

在真正的 CRT 中，如上图所示，有两对偏转板，而不仅仅是一对。为了能够使电子束围绕屏幕的整个区域而不是直线扫过，电子束必须在多个维度上偏转。

尽管这些电子管能够准确地记录小电压，但它们体积庞大且需要电力才能运行（与电磁仪表运动不同，后者更紧凑，并由通过它们的测量信号电流的功率驱动）。它们也比其他类型的电计量设备脆弱得多。通常，阴极射线管与精密的外部电路结合使用，形成一个更大的测试设备，称为示波器 ，它能够显示电压随时间变化的图表，对于电压和/或电流水平动态变化的某些类型的电路来说，这是一个非常有用的工具。

全量程指示

无论仪表的类型或仪表移动的大小，都会有一个额定的电压或电流值来提供满量程指示。在电磁运动中，这将是旋转指针所需的“满刻度偏转电流”，使其指向指示刻度的确切末端。在静电运动中，满量程额定值将表示为导致由板致动的针的最大偏转的电压值，或将电子束偏转到边缘的阴极射线管中的电压值指示画面。在数字“运动”中，它是导致数字显示器上“满计数”指示的电压量：当数字不能显示更大的数量时。

电表设计人员的任务是进行给定的电表移动并设计必要的外部电路，以在某个指定的电压或电流量下进行满量程指示。大多数仪表运动（静电运动除外）都非常敏感，仅以伏特或安培的一小部分给出满量程指示。这对于大多数电压和电流测量任务来说是不切实际的。技术人员经常需要的是能够测量高电压和电流的仪表。

通过将灵敏的仪表机芯作为电压或电流分配器电路的一部分，机芯的有用测量范围可以扩展到测量比单独机芯所能指示的水平大得多的水平。精密电阻器用于创建适当分压电压或电流所需的分压器电路。您将在本章中学到的一课是如何设计这些分压器电路。

评论：

• “运动 ”是仪表的显示机制。
• 电磁运动的工作原理是电流通过电线产生磁场。电磁流量计运动的示例包括 D'Arsonval、Weston 和铁叶片设计。
• 静电运动的原理是两个板之间的电场产生的物理力。
• 阴极射线管 (CRT) 使用静电场弯曲电子束的路径，通过电子束撞击玻璃管末端时产生的光来指示电子束的位置。

相关工作表：

• 电流表设计工作表
• 电压表设计工作表