《电器测量技术》磁电系测量机构（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《电器测量技术》磁电系测量机构-讲义 1. 熟悉磁电系测量机构的结构和工作原理。 2. 熟悉磁电系测量机构的技术特性。 3. 掌握磁电系测量机构的应用范围。 知识点一 结构和工作原理 1、 结构 通常的磁电系测量机构由固定的磁路系统和可动线圈部分组成，其结构如图1所示。 图1 磁电系测量机构的结构示意图 磁路系统由永久磁铁、固定在磁铁两极的极掌和处于两个极掌之间的圆柱形铁心组成。圆柱形铁心固定在仪表支架上，使两个极掌与圆柱形铁心之间的空隙中形成均匀的辐射状磁场。 可动部分由绕在铝框架上的可动线圈、指针、平衡锤和游丝组成。可动线圈两端装有两个半轴支承在轴承上，而指针、平衡锤及游丝的一端固定安装在半轴上。当可动部分发生转动时，游丝变形产生与转动方向相反的反作用力矩。另外，游丝还具有把电流导人可动线圈的作用。 磁电系测量机构根据其磁路系统的结构形式不同，分为外磁式、内磁式和内外磁式三种，如图2所示。外磁式的永久磁铁在可动线圈的外部。内磁式的永久磁铁则在可动线圈的内部。为使气隙中磁场均匀和减小漏磁，在内磁式的永久磁铁外面要加装一个闭合的导磁环。由于内磁式结构紧凑、受外磁场影响较小，所以近年来得到广泛应用。内外磁式在可动线圈的内部和外部都用永久磁铁，因此气隙磁场更强，仪表的灵敏度更高，结构更紧凑·受外磁场的影响更小。 图2 磁电系测量机构的磁路结构 2、 工作原理 磁电系测量机构的基本原理是利用可动线圈中的电流与气隙中磁场的相互作用产生电磁力，使可动线圈在力矩的作用下发生偏转，因此称这个力矩为转动力矩。可动线圈的转动使游丝产生反作用力矩，当反作用力矩与转动力矩相等时，可动线圈将停留在某一位置上，指针也相应停留在某一位置上。磁电系测机构产生转动力矩的原理如图3所示。 图3 磁电系测量机构产生转动力矩的原理图 转动力矩的大小和方向，可以由安培定理和左手定则确定。设气隙磁场的磁感应强度为B，可动线圈的匝数为N，每一个有效边(能够垂直切割磁感线，产生电磁力的两个边)的有效长度为l。则当线圈中通以电流I时，每一个有效边所受到的电磁力 F=NBlI 电流和磁场方向如图3所示，此时电磁力的方向与线圈平面垂直，使线圈沿顺时针方向转动，其转动力矩M为 M=2Fr=2NBlIr 式中，r——转轴中心到有效边的距离。 由于线圈平面的有效面积 A=2lr 故有 M=NBAI 由于气隙磁场是均匀辐射状的，不管线圈转动到什么位置，磁感应强度B均不变；对于已做好的线圈，其匝数N和有效面积A是不变的。因此，转动力矩的大小与被测电流成正比，其方向决定于电流流进线圈的方向。 线圈的偏转将使游丝产生反作用力矩。反作用力矩Mf的大小与游丝形变大小成正比，即与偏转角α成正比 Mf=Dα 式中，D——游丝的反作用力矩系数(其大小由游丝的材料性质、形状和尺寸决定)。 反作用力矩的方向与转动力矩的方向相反，随着偏转角的增大，反作用力矩也将增大；而转动力矩在被测电流不变时是不变的。当反作用力矩增大到与转动力矩相等时，可动部分达到平衡，此时可动部分将停止在某一平衡位置，指针也就停止在某一偏转角上。根据物体平衡条件Mf=M可得 Dα=NBAI 所以 Α=I 由此可见，指针偏转角α正比于被测电流I的大小。只要把偏转角均匀地刻度在仪表的标度尺上，就可以根据指针在标度尺上停止的位置，直接读出被测电流的数值。 根据指示仪表灵敏度的定义，磁电系测量机构的灵敏度 S= （1） 即对已制成的磁电系仪表来说，其灵敏度是一个常数，因为B、N、A和D这四个量取决于仪表的结构和材料性质，它们都是常数。此外，由式(1)说明，要提高磁电系仪表的灵敏度，必须从结构上和材料上改善其性能，特别是提高气隙磁场的磁感应强度。 当可动线圈转动时，闭合的铝框架切割气隙磁场的磁感线而产生感应电流，这个电流与气隙磁场相互作用，产生一个与可动部分转动方向相反的电磁力矩，这个力矩称为阻尼力矩，如图4所示。当可动线圈静止下来后，铝框架不在切割磁感线，感应电流为零，阻尼力矩也就为零。由此可见，阻尼力矩是在可动部分转动时产生，对可动部分在平衡位置附近的摆动起到抑制作用，使可动部分尽快在平衡位置静止下来。而一旦可动部分静止下来以后，阻尼力矩消失，不影响可动部分的力矩平衡条件，对测量结果没有影响。阻尼力矩对仪表可动部分起到保护作用，可以防止各种原因引起的可动部分的快速摆动，以免损坏轴承及指针等。例如，灵敏度较高的仪表在不使用时，通常把两个接线端钮用导线连接起来(从外部把可动线圈短路)，使可动线圈也构成感应电流的闭合回路，加强阻尼作用，以避免在搬动过程中使可动部分快速摆动，达到保护仪表的作用。 图4 铝框架产生阻尼力矩的示意图 Ie-感应电流；Fe-阻尼力 磁电系测量机构的磁路系统主要由哪几部分组成（ ） A. 永久磁铁、极掌、圆柱形铁心 B. 永久磁铁、线圈、指针 C. 极掌、线圈、游丝 D. 圆柱形铁心、平衡锤、游丝 【答案】A 【解析】磁路系统由永久磁铁、固定在磁铁两极的极掌和处于两个极掌之间的圆柱形铁心组成。 1. 在磁电系测量机构中，游丝的主要作用不包括以下哪一项（ ） A. 产生反作用力矩 B. 把电流导入可动线圈 C. 固定可动部分 D. 增强磁场强度 【答案】D 【解析】游丝的主要作用是产生反作用力矩和把电流导入可动线圈，不涉及增强磁场强度。 2. 下列哪种磁电系测量机构结构形式具有最强的气隙磁场（ ） A. 外磁式 B. 内磁式 C. 内外磁式 D. 都不对 【答案】C 【解析】内外磁式在可动线圈的内部和外部都用永久磁铁，因此气隙磁场更强。 3. 磁电系测量机构中，转动力矩的大小与什么成正比（ ） A. 线圈匝数的平方 B. 被测电流的平方 C. 被测电流的大小 D. 游丝形变的大小 【答案】C 【解析】转动力矩的大小与被测电流成正比，其方向决定于电流流进线圈的方向。 1. 当磁电系测量机构中的可动线圈静止时，阻尼力矩为何值（ ） A. 最大 B. 最小但不为零 C. 为零 D. 取决于线圈材料 【答案】C 【解析】当可动线圈静止下来后，铝框架不在切割磁感线，感应电流为零，阻尼力矩也就为零。 2. 磁电系测量机构的灵敏度与以下哪个因素无关（ ） A. 气隙磁场的磁感应强度 B. 可动线圈的匝数 C. 游丝的反作用力矩系数 D. 外接电阻的大小 【答案】D 【解析】磁电系测量机构的灵敏度与气隙磁场的磁感应强度、可动线圈的匝数、有效面积和游丝的反作用力矩系数有关，与外接电阻大小无关。 3. 磁电系测量机构指针的偏转角与什么成正比（ ） A. 线圈匝数 B. 气隙磁场的磁感应强度 C. 被测电流的大小 D. 游丝形变的大小 【答案】C 【解析】指针偏转角α正比于被测电流I的大小。 · 磁电系测量机构的核心结构：磁电系测量机构由固定磁路系统（永久磁铁、极掌、圆柱形铁心）和可动部分（绕在铝框架上的线圈、指针、平衡锤、游丝）组成。磁路系统形成均匀辐射状磁场，可动线圈通过游丝导入电流，转动时游丝产生反作用力矩，铝框架切割磁感线产生阻尼力矩，确保指针快速稳定指示。 · 转动力矩与平衡原理：转动力矩由可动线圈电流与磁场的相互作用产生，公式为 M=NBAI，方向由电流方向决定。游丝的反作用力矩 Mf =Dα 与偏转角成正比，当 M=Mf 时，指针停止在平衡位置，偏转角 α 与被测电流 I 成正比，实现电流的线性测量。 · 阻尼力矩的作用与机制：阻尼力矩由铝框架转动时感应电流与磁场的相互作用产生，方向与转动方向相反，抑制指针摆动。线圈静止后，感应电流消失，阻尼力矩随之消失，不影响测量精度。此机制可防止指针因惯性损坏轴承或指针，提高仪表耐用性。 知识点二 技术特性 1. 准确度高。磁电系测量机构由于采用了永久磁铁，且工作气隙比较小，所以气隙酸场的磁感应强度B较大，可以在很小的电流作用下，产生较大的转动力矩。因此，可以减小由于摩擦、外磁场等原因引起的误差，提高了仪表的准确度。磁电系测量机构的准确度可以达到 0.1~0.05 级。 2. 灵敏度高。仪表消耗的功率很小。磁电系测量机构的灵敏度可以达到1μA/div采用悬丝或张丝结构的光点式磁电系检流计的灵敏度可以高达10-10μA/div。 3. 表盘标度尺的刻度均匀，便于读数。 4. 过载能力小。由于被测电流通过游丝(或悬丝、张丝)导入可动线圈，如果电流大，容易引起游丝发热使弹性发生变化，产生不允许的误差，甚至可能因过热而烧毁游丝另外，可动线圈的导线横截面很小，电流过大也会使线圈发热甚至烧毁， 5. 只能测量直流，这是因为永久磁铁产生的磁场方向恒定不变，所以只有通入直流电流才能产生恒定的偏转。如果在磁电系测量机构中直接通入交流电流，则所产生的转动力矩也是交变的，可动部分由于惯性作用而来不及转动，指针只能在零位左右摆动，得不到正确读数。 磁电系测量机构准确度可以达到（ ）级。 A. 0.5 - 0.2 B. 0.1 - 0.05 C. 1.0 - 0.5 D. 2.0 - 1.0 【答案】B 【解析】磁电系测量机构由于采用了永久磁铁，且工作气隙比较小，气隙磁场的磁感应强度B较大，能在小电流下产生较大转动力矩，可减小误差，准确度能达到0.1 - 0.05级。 1. 磁电系测量机构的灵敏度可以达到（ ） A. 10μA/div B. 1mA/div C. 1μA/div D. 100μA/div 【答案】C 【解析】磁电系测量机构消耗功率小，其灵敏度可达1μA/div ，采用悬丝或张丝结构的光点式磁电系检流计灵敏度更高。 2. 磁电系测量机构表盘标度尺刻度的特点是（ ） A. 刻度不均匀 B. 刻度均匀 C. 前半段均匀，后半段不均匀 D. 前半段不均匀，后半段均匀 【答案】B 【解析】磁电系测量机构表盘标度尺刻度均匀，这样的设计便于使用者准确读数。 3. 磁电系测量机构过载能力小的原因是（ ） A. 仪表外壳材质不坚固 B. 被测电流通过游丝导入可动线圈，电流大易使游丝发热弹性变化甚至烧毁，且可动线圈导线横截面小 C. 内部电路设计不合理 D. 使用的永久磁铁磁性不足 【答案】B 【解析】被测电流通过游丝（或悬丝、张丝）导入可动线圈，电流大时游丝易发热使弹性变化产生误差甚至烧毁，同时可动线圈导线横截面小，电流过大也会使线圈发热烧毁，所以过载能力小。 1. 磁电系测量机构只能测量直流的原因是（ ） A. 内部没有交流转换装置 B. 永久磁铁产生的磁场方向恒定，通入直流才能产生恒定偏转，通交流指针无法正确读数 C. 制造工艺限制无法测量交流 D. 成本考虑未设计测量交流功能 【答案】B 【解析】永久磁铁产生的磁场方向恒定不变，通入直流电流能产生恒定偏转，若直接通入交流电流，转动力矩交变，可动部分因惯性来不及转动，指针只能在零位左右摆动，得不到正确读数。 2. 磁电系测量机构减小误差的主要原因是采用了（ ） A. 大型变压器 B. 永久磁铁且工作气隙小 C. 高精度电阻 D. 先进的集成电路 【答案】B 【解析】磁电系测量机构采用永久磁铁，且工作气隙较小，气隙磁场的磁感应强度B较大，能在小电流下产生较大转动力矩，从而减小因摩擦、外磁场等原因引起的误差。 3. 采用悬丝或张丝结构的光点式磁电系检流计的灵敏度可以高达（ ） A. 1μA/div B. 10μA/div C. 10⁻¹⁰μA/div D. 100μA/div 【答案】C 【解析】磁电系测量机构中，采用悬丝或张丝结构的光点式磁电系检流计灵敏度极高，可高达10⁻¹⁰μA/div 。 · 准确度特点：磁电系测量机构准确度高，可达0.1 - 0.05级。这得益于采用永久磁铁且工作气隙小，气隙磁场磁感应强度大，小电流下能产生较大转动力矩，有效减小了摩擦、外磁场等引起的误差，适用于对测量准确度要求较高的场合。 · 灵敏度特性：灵敏度高是磁电系测量机构的重要特性，仪表消耗功率小，灵敏度可达1μA/div ，光点式检流计更是高达10⁻¹⁰μA/div 。这使得它能检测到微小的电流变化，在精密测量和微弱信号检测领域有广泛应用。 · 过载与测量类型限制：磁电系测量机构过载能力小，被测电流通过游丝导入可动线圈，电流大易使游丝和线圈发热损坏。且只能测量直流，因为永久磁铁磁场方向恒定，通交流时指针无法稳定指示读数，这些特点限制了其使用范围和条件。 知识点三 应用范围 磁电系测量机构主要用于直流仪表，在直流标准表、便携式和安装式仪表中都得到广泛应用。 磁电系测量机构的过渡电量是直流电流，只要把被测电量通过测量线路按一定关系变换为直流电流，就可以用它来构成不同功能、不同量程的仪表。如万用表的交流电压挡，就是利用二极管整流电路，把交流电压变换为直流电流对交流电压进行测量的。另外，磁电系测量机构配上变换器，可以用于交流功率或频率、相位等非电量的测量；配上温差电偶，可以测量温度；配上应变电阻片，可以测量压力等。正因为磁电系测量机构的应用十分广泛，所以它在电工仪表中占有十分重要的地位。 磁电系测量机构主要用于哪种类型的仪表（ ） A. 交流仪表 B. 直流仪表 C. 交直流两用仪表 D. 高频仪表 【答案】B 【解析】磁电系测量机构主要用于直流仪表，在直流标准表、便携式和安装式仪表中都得到广泛应用。 1. 磁电系测量机构的过渡电量是什么（ ） A. 直流电压 B. 直流电流 C. 交流电压 D. 交流电流 【答案】B 【解析】磁电系测量机构的过渡电量是直流电流，只要把被测电量通过测量线路按一定关系变换为直流电流，就可以用它来构成不同功能、不同量程的仪表。 2. 万用表的交流电压挡是利用什么电路把交流电压变换为直流电流进行测量的（ ） A. 整流电路 B. 滤波电路 C. 稳压电路 D. 放大电路 【答案】A 【解析】万用表的交流电压挡，就是利用二极管整流电路，把交流电压变换为直流电流对交流电压进行测量的。 3. 磁电系测量机构配上什么可以用于交流功率或频率、相位等非电量的测量（ ） A. 整流器 B. 变换器 C. 电容器 D. 电感器 【答案】B 【解析】磁电系测量机构配上变换器，可以用于交流功率或频率、相位等非电量的测量。 1. 磁电系测量机构配上什么可以测量温度（ ） A. 热电偶 B. 温差电偶 C. 压电传感器 D. 光电传感器 【答案】B 【解析】磁电系测量机构配上温差电偶，可以测量温度。 2. 磁电系测量机构配上什么可以测量压力（ ） A. 应变电阻片 B. 热敏电阻 C. 光敏电阻 D. 气敏电阻 【答案】A 【解析】磁电系测量机构配上应变电阻片，可以测量压力。 3. 磁电系测量机构在电工仪表中占有重要地位的原因是（ ） A. 结构简单 B. 价格便宜 C. 应用十分广泛 D. 测量精度高 【答案】C 【解析】正因为磁电系测量机构的应用十分广泛，所以它在电工仪表中占有十分重要的地位。 · 磁电系测量机构的应用类型：磁电系测量机构主要用于直流仪表，在直流标准表、便携式和安装式仪表中广泛应用。其过渡电量是直流电流，通过将其他电量变换为直流电流，可构成多种功能、量程的仪表，在电工测量领域作用关键。 · 磁电系测量机构测量非电量的方式：磁电系测量机构配上不同元件可测量非电量。配上变换器能测量交流功率、频率、相位等；配上温差电偶可测量温度；配上应变电阻片能测量压力。这拓展了磁电系测量机构的应用范围，满足多样化测量需求。 · 万用表交流电压挡测量原理：万用表交流电压挡利用二极管整流电路，把交流电压变换为直流电流，再由磁电系测量机构对直流电流进行测量。通过这种电量变换，实现了利用磁电系测量机构对交流电压的测量，是磁电系测量机构应用的典型例子。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$