3.1.2 各种仪表的工作原理
如前所述，电工指示仪表的规格品种很多，分类方法也很多。按仪表的工作原理可分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、整流系、静电系、热电系及铁磁电动系等。下面简单介绍磁电系、电磁系和电动系等类仪表的结构及其工作原理。
（1）磁电系仪表
磁电系测量机构是磁电系仪表的核心，只要在其基础上配合不同的测量线路，就能组成各种不同的直流电流表和电压表。
①测量机构 磁电系测量机构主要由固定的磁路系统和可动的线圈两部分组成，如图3-7所示。固定的磁路系统包括永久磁铁1、固定在磁铁两极的极掌2以及处于两个极掌之间的圆柱形铁芯3。圆柱形铁芯3固定在仪表的支架上，采用这种结构是为了减少磁阻，并使极掌2和铁芯3间的空气隙中产生均匀的辐射型磁场。这个磁场的特点是，沿着圆柱形铁芯3的表面，磁感应强度处处相等，而方向则与圆柱形表面垂直。圆柱形铁芯3与极掌2间留有一定的气隙，使可动线圈4能在气隙中转动。
图3-7 磁电系仪表结构图
1—永久磁铁；2—极掌；3—圆柱形铁芯；4—线圈；5—游丝；6—指针；7—平衡锤；8—调零器
可动部分由绕在铝框架上的可动线圈（线圈）4、线圈两端装的转轴、与转轴相连的指针6、平衡锤7以及游丝5所组成。整个可动部分支承在轴承上，线圈位于环形气隙之中。在矩形框架的两个短边上固定有转轴，转轴分前后两个半轴，每个半轴的一端固定在矩形框架上，另一端则通过轴尖支承于轴承中。在前半轴上装有指针6，可动部分偏转时，带动指针偏转，用来指示被测量的大小。
当可动线圈通以电流后，在永久磁铁的磁场作用下，产生转动力矩并使线圈转动。反作用力矩通常由游丝产生。磁电系仪表的游丝一般有两个，且绕向相反，游丝的一端与可动线圈相连，另一端则固定在支架上，其作用是既产生反作用力矩，同时又将被测电流导入和导出可动线圈。
仪表的阻尼力矩由铝制的矩形框架产生。高灵敏度的指示仪表为了减轻可动部分的重量，通常采用无框架可动线圈，并在可动线圈中加短路线圈，利用短路线圈中产生的感应电流与磁场相互作用产生阻尼力矩。
为了使仪表指针起始在“零”的位置，通常还有一个“调零器”，如图3-7（a）中的8所示。“调零器”的一端与游丝相连。如果在仪表使用前其指针不指在零位，则可用起子轻轻调节露在表壳外面的“调零器”的螺杆，使仪表指针逐渐趋近于零位。
②工作原理 磁电系测量机构是根据通电线圈在磁场中受到电磁力矩而发生偏转的原理制成的，如图3-8所示，当可动线圈中通入电流时，载流线圈在永久磁铁的磁场中将受到电磁力的作用而偏转。通过线圈的电流越大，线圈受到的转矩越大，仪表指针偏转的角度也越大。此转矩的大小为：
图3-8 磁电系测量机构原理示意图
M=K1I
式中 M——转矩；
I——通入可动线圈的电流；
K1——系数。
此电磁转矩M使得转轴带动指针偏转，同时旋转弹簧随转轴旋转，产生反作用力矩Mf。游丝扭得越紧，反作用力矩也越大。显然旋转弹簧的反作用力矩Mf与指针的偏转角α成正比，即：
Mf=Kfα
当线圈受到的转动力矩与反作用力矩大小相等时，线圈就停留在某一平衡位置，指示出被测量的大小。即：
M=Mf
这时，偏转角
上式说明，指针偏转角与仪表所通电流成正比，所以磁电式仪表的刻度是线性的。
③性能特点 由磁电系仪表的结构及原理可以看出，磁电系仪表具有准确度和灵敏度都很高、功率消耗小并且刻度均匀的优点。但是磁电系仪表只能直接测量直流信号，只有加上整流器（整流电路）之后才能用于交流测量，而且过载能力小。所以磁电系仪表多用于制造便携式的直流电流表和直流电压表。
（2）电磁系仪表
目前，安装式交流电流表、电压表，大都采用电磁系测量机构。电磁系测量机构主要由通过电流的固定线圈和可动的软磁铁片组成。根据其结构形式的不同，可分为吸引型和排斥型两类。下面我们以吸引型电磁系仪表为例来说
明其结构与工作原理。
①仪表结构 吸引型电磁系仪表的结构如图3-9所示。固定线圈1和装在转轴上的偏心可动铁片2组成产生转动力矩的装置。转轴上还装有指针、阻尼片和游丝等。
图3-9 吸引型电磁系仪表的结构
1—固定线圈；2—可动铁片；3—指针；4—阻尼片；5—游丝；6—永久磁铁；7—磁屏蔽
游丝的作用是产生反作用力矩，但不通过电流。阻尼片和永久磁铁共同组成磁感应阻尼器。为了防止永久磁铁的磁场对线圈磁场的影响，在永久磁铁前面加装了用导磁性能良好的材料制成的磁屏蔽。
②工作原理 吸引型电磁系仪表的工作原理如图3-10所示。当固定线圈通电后，线圈产生的磁场将可动铁片磁化，对铁片产生吸引力，使固定在同一转轴上的指针随之发生偏转，同时游丝产生反作用力矩。线圈中电流越大，磁化作用越强，指针偏转越大。当游丝产生的反作用力矩与转动力矩相平衡时，指针就稳定在某一位置，指示出被测量的大小。
图3-10 吸引型电磁系仪表的工作原理
显然，当流过线圈的电流方向改变时，线圈产生的磁场极性及可动铁片被磁化的极性也同时改变，但它们之间的作用力仍是吸引力，转动力矩方向不变，保证了指针偏转方向不会改变。所以，电磁系仪表可用来组成交直流两用仪表。
对电磁系仪表来讲，其转动力矩取决于固定线圈的磁场和可动铁片被磁化后的磁场强弱，而它们磁场的强弱又与被测电流有关。由此可见，电磁系仪表转动力矩的大小应与线圈磁势的平方成正比。若通入直流电，则仪表的转动力矩为
M=K1I2
与磁电式仪表相同，旋转弹簧产生的反作用力矩也与指针的偏转角成正比，即
Mf=Kfα
当转动力矩与反力矩平衡时，指针停止偏转，即
若通交流电，仪表内仍然可以产生相互排斥的作用力，因为当电流方向改变时，可动铁片和固定铁片的磁化方向也随之改变，由它们产生的转动力矩的瞬时值仍然与电流瞬时值的平方成正比，又因为转动力矩与电流的平方成正比，所以电流方向改变时，转动力矩的方向不变。习惯上用平均力矩来衡量仪表的偏转，其平均力矩为
式中，I为交流电的有效值，K1与K均为常数。可以推导得出，仪表的偏转角仍然与电流的平方成正比，只是该电流指的是交流电的有效值。换句话说，电磁系仪表测交流量时，仪表的指示值为交流量的有效值。
③性能特点 电磁系仪表既可测量直流，又可测量交流，同时可直接测量较大的电流，其过载能力强，制造成本较低。但是，由于电磁系仪表转动力矩与被测电流的平方成正比，所以电磁系仪表的标度尺刻度是不均匀的
起始段分布较密，而末段分布稀疏。同时，工作时容易受到外磁场的影响，因此在结构上应加抗干扰装置。
（3）电动系仪表
当用通有电流的固定线圈建立的磁场，来代替固定的永久磁铁之后，原先的磁电系测量机构就变成了电动系测量机构。电动系测量机构广泛用于制造交流电流表、电压表、功率表、相位表及频率表等。
①仪表结构 电动系仪表的测量机构如图3-11所示。它有两个线圈，固定线圈（简称定圈）和可动线圈（简称动圈）。定圈分为两个部分，平行排列，其作用有两个，一是获得较均匀的磁场，二是便于改换电流量程。动圈与转轴固定连接，一起放置在定圈的两部分之间。游丝的作用有两个：一是产生反作用力矩；二是引导电流。阻尼力矩由空气阻尼器产生。
图3-11 电动系仪表的结构
1—固定线圈；2—可动线圈；3—指针；4—阻尼针；5—游丝；6—阻尼盒
②工作原理 电动系测量机构是利用两个通电线圈之间产生电动力相互作用的原理制成的。如图3-12所示，当在固定线圈中通入电流I1时，将产生磁场，其磁感应强度B1与电流I1成正比。同时在可动线圈中通入电流I2，于是可动线圈中的电流I2就受到固定线圈磁场B1的作用力，产生转动力矩，从而推动可动部分发生偏转。
图3-12 电动系仪表的工作原理
转动力矩的大小可表示为：
M=K1I1I2
转动力矩将带动转轴和指针一起偏转。同时旋转弹簧将产生反作用力矩，与指针的偏转角成正比，即
Mf=Kfα
当游丝产生的反作用力矩与转动力矩相等时，指针停留在某一位置，指示出被测量的大小。偏转角为：
上式说明，当测直流电时，偏转角与两个线圈所通电流的乘积成正比，依此可以刻出表盘，但表盘刻度不均匀。
指针的偏转方向取决于两个电流的方向，改变其中任何一个线圈的电流方向即可改变指针的偏转方向。如果固定线圈和可动线圈的电流同时改变，则指针的偏转方向不变。因此，电动式仪表既可以测量直流量，也可以用来测量交流量。
当电动式仪表通入正弦交流电i1和i2时，与电磁式仪表相似，其转动力矩的瞬时值与两电流的瞬时值乘积成正比，同样，习惯上用平均值衡量被测量，则其平均力矩为
式中，I1和I2为交流电的有效值，cosφ为交流电i1和i2相位差的余弦。
当用电动式仪表测量交流电时，其偏转角为
从上式可以看出，测交流电时，偏转角不仅与交流电的有效值有关，还与两电流相位差的余弦成正比。因此，可以用电动式仪表来测量交流电功率。
③性能特点
a.由于电动式仪表机构内没有铁磁物质，几乎不受涡流和磁滞的影响，因此其准确度较高，可达0.1级。
b.电动系仪表可以作交直流两用，并且能测量非正弦电流的有效值。
c.由于它有两个线圈，所以能构成多种仪表，测量多种参数。
d.仪表读数易受外界磁场的影响，本身消耗功率大，且过载能力小。
e.制成的功率表标度尺刻度均匀，而制成的电流表或电压表标度尺刻度不均匀。