13888147524电气设备安装基础
仪器仪表与测量
一、电工仪表与测量
1.直流开尔文电桥的工作原理
直流开尔文电桥的工作原理如图1-36所示。与惠斯顿电桥不同，被测电阻Rx与标准电阻R₄共同组成一个桥臂，标准电阻Rn和R₃组成另一个桥臂，Rx与Rn之间用一阻值为r的导线连接起来。为了消除接线电阻和接触电阻的影响，Rx与Rn都采用两对端钮，即电流端钮C1,C2,Cn1,Cn2,电位端钮P1,P2,Pn1,Pn2。桥臂电阻R₁、R₂、R₃、R₄都是阻值大于10Ω的标准电阻，R是限流电阻。调节各桥臂电阻，使检流计指零，即Ip=0。则I₁=I₂,I₃=I4。根据基尔霍夫第二定律可写出三个回路电压方程。
由式(1-5)可知，用开尔文电桥测量电阻时，Rx由两项决定。其中第一项与惠斯顿电桥相同，第二项称为“校正项”。为了使开尔文电桥平衡时，求解Rx的公式与惠斯顿电桥相同，必须使校正项等于零。所以，要求R3/R1=R4/R₂,
同时使r→0。为满足上述条件，开尔文电桥在结构上采取了以下措施：
1)将R₁与R₃、R₂与R₄采用机械联动的调节装置，使R3/R4的变化和R4/R₂的变化保持同步，从而满足R3/R₁=R4/R₂。
2)连接Rx与Rn的导线，尽可能采用导电性良好的粗铜母线，使r→0。
用开尔文电桥测量小电阻时，接线电阻和接触电阻的影响是怎样被消除的呢?下面从三个方面加以分析：
1)电流端钮C1和C1的接触电阻以及接线电阻都串联在电源电路中，它只影响电流I的大小，但不影响电桥的平衡，故与测量结果无关。
2)另一电流端钮C,2和C2的接触电阻是与r串联的，由于r很小，故也不会影响测量结果。
3)电位端钮P1、P2、P1、P2的接触电阻和接线电阻可以分别归并到标准电阻R₂、R4、R₁、R₃中。而这四个电阻的阻值均大于10Ω,远远大于电位端钮的接触电阻和接线电阻，从而使它们的影响小到可以忽略的程度。
综上所述，直流开尔文电桥可以较好地消除接触电阻和接线电阻的影响，从而在测量1Ω以下的小电阻时，能够获得较高的准确度。
2.QJ103型直流开尔文电桥
QJ103型直流开尔文电桥的面板如图1-37所示。四个桥臂电阻做成固定倍率形式，通过机械联动转换开关的转换，可得到×100、×10、×1、×0.1和×0.01五个固定倍率，并保持R₃/R₁=R₄/R₂。标准电阻Rn的数值可在0.01~0.11Ω范围内连续调节，其调节旋钮与读数盘一起装在面板上。测量时，调节倍率旋钮和Rn的调节旋钮使电桥平衡。
检流计指零时，被测电阻=倍率数×读数盘读数。
QJ103型直流开尔文电桥的测量范围是0.0011～11Ω,使用1.5～2V的直流电源，并备有外接电源用的接线端子。
直流开尔文电桥的使用方法如下：
1)被测电阻有电流端钮和电位端钮时，要与电桥上相应的端钮相连接。要注意电位端钮总是在电流端钮的内侧，且两电位端钮之间的电阻就是被测电阻。如果被测电阻没有电流端钮和电位端钮，则应自行引出电流和电位端钮。2)直流开尔文电桥工作时的电流较大，故测量时导线电阻的接线动作要迅速，以免电池耗电量过大。
二、电子仪表与测量
1.通用示波器
电子示波器是一种能够直接显示电压(或电流)变化波形的电子仪器。使用示波器不仅可以直观地观察被测电信号随时间变化的全过程，而且还可以通过它显示的波形来测量电压或电流，以及进行频率和相位的比较、描绘特性曲线等。电子示波器的种类很多，除通用示波器外，还有能同时显示两个以上波形的多踪示波器；利用取样技术，将高频信号转换为低频信号进行显示的取样示波器；采用记忆示波管，具有储存和记忆信号功能的记忆示波器。此外，还有具有特殊功能的特种示波器，如电视示波器、矢量示波器、高压示波器等。
(1)通用示波器的组成如图1-39所示，它主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、扫描及整步系统、电源五部分组成。
1)示波管：是示波器的核心，其作用是把所需观测的电信号变换成发光的图形。
2)Y轴偏转系统：由衰减器和Y轴放大器组成，其作用是放大被测信号。
3)X轴偏转系统：由衰减器和X轴放大器组成，其作用是放大锯齿形扫信号或外加电压信号。X轴放大器把由扫描发生器送来的扫描信号放大后送到》偏转板，并控制电子束在水平方向的运动。
4)扫描及整步系统；扫描发生器的作用是产生频率可调的锯齿波电压，作为X轴偏转板的扫描电压。整步系统的作用是引入一个幅度可调的电压，用以控制扫描电压与被测信号电压保持同步，使屏幕上显示出稳定的波形。
5)电源：由变压器、整流及滤波等电路组成，其作用是向整个示波器供电。
(2)示波管的基本结构示波管是示波器的核心。
1)电子枪的作用是发射电子束，轰击荧光屏使之发光。电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极组成。灯丝主要用于加热阴极。阴极的主要作用是在灯丝加热作用下发射电子。控制栅极是通过调节负电压的高低，来控制通过小孔的电子束强弱，从而改变荧光屏上光点的亮度。第一阳极A1和第二阳极A2上加的是正电压，它们的作用：一是吸引由阴极发射来的电子，使之加速；二是使电子束聚焦。这是由于阴极发射的电子束受到阳极正电压的吸引，一方面产生加速运动，另一方面各电子之间要相互排斥而散开，使得电子束在荧光屏上不能聚成焦点，造成图像模糊不清。第一阳极与第二阳极之间形成的空间电场，可以把电子束聚焦成一个细束，使荧光屏上电子束所到之处呈现一细小清晰的亮点，这个过程叫“聚焦”。改变A1与A2之间的电位差，其空间电场分布会发生变化，能改变聚焦的效果。
2)荧光屏的作用是显示被测波形。荧光屏位于示波管的前端，在玻璃内壁上涂有一层荧光粉，荧光粉在高速电子束的撞击下能发光。发光的强弱与激发的电子数量多少和速度快慢有关。电子数量越多、速度越快，产生的光点越亮，否则反之。荧光粉在电子束停止撞击后，其发光仍能持续一段时间，这种现象叫“余辉”。荧光粉的余辉时间及发光的颜色也不同。常见的颜色有绿色、蓝色和白色。余辉时间分为短余辉、中余辉、长余辉，对应了不同的示波器的种类。
3)偏转系统的作用是使电子束有规律地移动，从而在荧光屏上显示出被测波形。目前示波管大多采用静电偏转系统，它包括垂直偏转板Y和水平偏转板X。靠近电子枪垂直放置的一对偏转板为Y轴偏转板，离电子枪较远水平放置的一对为X轴偏转板。
(3)示波原理电子束从电子枪中发射出来后，受到阳极正电压的吸引，经偏转系统向荧光屏方向加速前进，若偏转板上不加电压，则电子束只能直射向荧光屏的中央，使荧光屏中央出现一个光点。
若在Y轴偏转板上加直流电压，则在两块偏转板之间就会产生一个自上而向下的电场。当电子束向荧光屏方向加速运动穿过该电场时，受到电场力的作用产生向上的偏转；如果所加偏转电压的极性改变，则电子束将向下偏转。X轴偏转的原理与Y轴偏转的原理相同，可使电子束向左或向右偏转。在X轴偏转板和Y轴偏转板同时施加电压后，在两个电场力的共同作用下，电子束就可以上下左右的移动。由于荧光屏的余辉和眼睛视觉暂留的综合作用，就能在荧光屏上看到亮点所描绘出的各种波形。
一般情况下，被测电压都加在Y轴偏转板上，而在X轴偏转板上加随时间线性变化的锯齿波扫描电压；这时，由于电子束在作垂直运动的同时，又匀速沿水平方向移动，因而在荧光屏上扫描出被测电压随时间变化的波形。如果锯齿波扫描电压的周期与被测电压的周期完全相等，扫描电压每变化一次，荧光屏上就出现一个完整的被测波形。如果锯齿波扫描电压周期是被测电压周期的整数倍，荧光屏上会稳定地显示出若干个被测信号的波形。为达到上述目的，调节扫描电压的频率可以通过调节示波器面板上的“扫描范围”和“扫描微调”旋钮来实现。
实际上，由于锯齿波扫描电压和被测电压来自两个电源，两个电压周期的整数倍关系很难长时间保持绝对稳定，因此，需要利用同步作用来保持上述整数倍关系。同步作用是把信号电压送入扫描发生器，使锯齿波扫描电压的频率受到被测信号的控制而使两者同步。这个起同步作用的信号电压叫做“同步电压”。同步电压越大，同步作用越强。同步电压除可取自被测信号外，还可以取自示波器内部的正、负电源。同步电压的选择和大小调节由示波器面板上的“同步选择”和“同步调节”旋钮来实现。
(4)示波器的使用以CA8020A型示波器为例介绍其使用方法及注意事项，其面板如图1-41所示。
1)面板说明：
①示波管：
电源——主电源开关，当此开关开启时发光二极管发亮。
辉度——调节轨迹或亮点的亮度。
聚焦——用于聚焦轨迹或亮点。
光迹旋转——用来调整水平轨迹与刻度线平行。
辅助聚焦——与聚焦配合，调节光迹的清晰度。
②垂直轴：
Y1(X)输入——在X-Y模式下，作为X轴输入端。
Y2(Y)输入——在X-Y模式下，作为Y轴输入端。
AC——垂直轴输入信号的交流耦合输入方式。
GND垂直放大器的输入接地，同时与示波器输入端断开。
DC垂直轴输入信号的直流耦合输入方式。
垂直衰减开关——调节垂直偏转灵敏度为5mV/div～5V/div,分10挡。
Y1移位——调节通道1光迹在屏幕上的垂直位置。
Y2移位——调节通道2光迹在屏幕上的垂直位置。
③触发：
触发源选择——选择内或外触发源。
极性——触发信号的极性选择。“+”为上升沿触发，“-”为下降沿触发。
触发电平——显示一个同步稳定的波形，并设定一个波形的起始点。
触发方式——选择触发扫描的方式。
④时基：
水平扫描速度开关——水平扫描速度为0.2μs/div～0.5s/div。
水平微调——微调水平扫描时间。当顺时针旋转到底为校正位置。
扫描扩展——×1时未被扩展，×10时扫描倍率被扩展10倍。
2)单通道测量电压幅值的操作：将开关和控制部分的旋钮置于适当位置后，接通电源，测量前应调整。
①接通电源，电源指示灯亮约20s后，屏幕出现光迹。如果60s后还没有出现光迹，应检查开关和控制旋钮的设置。
②分别调节亮度、聚焦，使光迹亮度适中清晰。
③调节通道位移旋钮，用螺钉旋具调节光迹旋转电位器使光迹与水平刻度平行。
④用10:1探头将信号输入至Y1(或Y2)输入端。
⑤根据输入信号的幅度，适当调节Y1衰减挡位，使信号在垂直方向幅度适中；调节水平扫描速度开关，使信号在水平方向能显示出一个或几个周期的波形；调节触发电平使波形稳定(如果是峰值自动，无需调节)。
⑥调节水平移位旋钮，使波形底部在屏幕上的某一水平坐标上；调节垂直移位旋钮，使波形在顶部屏幕垂直方向的坐标上，从而读出底部和顶部之间的格数，按下面的公式计算被测信号的幅度，即
Vp-p=垂直方向的格数x垂直偏转因数
式中垂直偏转因数由垂直衰减挡位决定。
3)时间差的测量：对两个相关信号时间差的测量，可以按下列步骤进行：
①将参考信号和一个待比较信号分别馈入“Y1”和“Y2”输入插座。
②根据信号频率，将垂直方式置于"交替”或“断续"。
③设置触发源至参考信号通道。
④调节电压衰减器和微调控制器，使其显示合适的幅度。
⑤调节电平使波形显示稳定。
