昆明市電氣設(shè)備安裝作業(yè)培訓(xùn)：儀器儀表與測量
電氣設(shè)備安裝基礎(chǔ)
儀器儀表與測量
一、電工儀表與測量
1.直流開爾文電橋的工作原理
直流開爾文電橋的工作原理如圖1-36所示。與惠斯頓電橋不同，被測電阻Rx與標(biāo)準(zhǔn)電阻R₄共同組成一個(gè)橋臂，標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn和R₃組成另一個(gè)橋臂，Rx與Rn之間用一阻值為r的導(dǎo)線連接起來。為了消除接線電阻和接觸電阻的影響，Rx與Rn都采用兩對端鈕，即電流端鈕C1,C2,Cn1,Cn2,電位端鈕P1,P2,Pn1,Pn2。橋臂電阻R₁、R₂、R₃、R₄都是阻值大于10Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R是限流電阻。調(diào)節(jié)各橋臂電阻，使檢流計(jì)指零，即Ip=0。則I₁=I₂,I₃=I4。根據(jù)基爾霍夫第二定律可寫出三個(gè)回路電壓方程。
由式(1-5)可知，用開爾文電橋測量電阻時(shí)，Rx由兩項(xiàng)決定。其中第一項(xiàng)與惠斯頓電橋相同，第二項(xiàng)稱為“校正項(xiàng)”。為了使開爾文電橋平衡時(shí)，求解Rx的公式與惠斯頓電橋相同，必須使校正項(xiàng)等于零。所以，要求R3/R1=R4/R₂,
同時(shí)使r→0。為滿足上述條件，開爾文電橋在結(jié)構(gòu)上采取了以下措施：
1)將R₁與R₃、R₂與R₄采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)的調(diào)節(jié)裝置，使R3/R4的變化和R4/R₂的變化保持同步，從而滿足R3/R₁=R4/R₂。
2)連接Rx與Rn的導(dǎo)線，盡可能采用導(dǎo)電性良好的粗銅母線，使r→0。
用開爾文電橋測量小電阻時(shí)，接線電阻和接觸電阻的影響是怎樣被消除的呢?下面從三個(gè)方面加以分析：
1)電流端鈕C1和C1的接觸電阻以及接線電阻都串聯(lián)在電源電路中，它只影響電流I的大小，但不影響電橋的平衡，故與測量結(jié)果無關(guān)。
2)另一電流端鈕C,2和C2的接觸電阻是與r串聯(lián)的，由于r很小，故也不會(huì)影響測量結(jié)果。
3)電位端鈕P1、P2、P1、P2的接觸電阻和接線電阻可以分別歸并到標(biāo)準(zhǔn)電阻R₂、R4、R₁、R₃中。而這四個(gè)電阻的阻值均大于10Ω,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電位端鈕的接觸電阻和接線電阻，從而使它們的影響小到可以忽略的程度。
綜上所述，直流開爾文電橋可以較好地消除接觸電阻和接線電阻的影響，從而在測量1Ω以下的小電阻時(shí)，能夠獲得較高的準(zhǔn)確度。
2.QJ103型直流開爾文電橋
QJ103型直流開爾文電橋的面板如圖1-37所示。四個(gè)橋臂電阻做成固定倍率形式，通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換，可得到×100、×10、×1、×0.1和×0.01五個(gè)固定倍率，并保持R₃/R₁=R₄/R₂。標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn的數(shù)值可在0.01~0.11Ω范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)旋鈕與讀數(shù)盤一起裝在面板上。測量時(shí)，調(diào)節(jié)倍率旋鈕和Rn的調(diào)節(jié)旋鈕使電橋平衡。
檢流計(jì)指零時(shí)，被測電阻=倍率數(shù)×讀數(shù)盤讀數(shù)。
QJ103型直流開爾文電橋的測量范圍是0.0011～11Ω,使用1.5～2V的直流電源，并備有外接電源用的接線端子。
直流開爾文電橋的使用方法如下：
1)被測電阻有電流端鈕和電位端鈕時(shí)，要與電橋上相應(yīng)的端鈕相連接。要注意電位端鈕總是在電流端鈕的內(nèi)側(cè)，且兩電位端鈕之間的電阻就是被測電阻。如果被測電阻沒有電流端鈕和電位端鈕，則應(yīng)自行引出電流和電位端鈕。2)直流開爾文電橋工作時(shí)的電流較大，故測量時(shí)導(dǎo)線電阻的接線動(dòng)作要迅速，以免電池耗電量過大。
二、電子儀表與測量
1.通用示波器
電子示波器是一種能夠直接顯示電壓(或電流)變化波形的電子儀器。使用示波器不僅可以直觀地觀察被測電信號(hào)隨時(shí)間變化的全過程，而且還可以通過它顯示的波形來測量電壓或電流，以及進(jìn)行頻率和相位的比較、描繪特性曲線等。電子示波器的種類很多，除通用示波器外，還有能同時(shí)顯示兩個(gè)以上波形的多蹤示波器；利用取樣技術(shù)，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)進(jìn)行顯示的取樣示波器；采用記憶示波管，具有儲(chǔ)存和記憶信號(hào)功能的記憶示波器。此外，還有具有特殊功能的特種示波器，如電視示波器、矢量示波器、高壓示波器等。
(1)通用示波器的組成如圖1-39所示，它主要由示波管、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、掃描及整步系統(tǒng)、電源五部分組成。
1)示波管：是示波器的核心，其作用是把所需觀測的電信號(hào)變換成發(fā)光的圖形。
2)Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由衰減器和Y軸放大器組成，其作用是放大被測信號(hào)。
3)X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由衰減器和X軸放大器組成，其作用是放大鋸齒形掃信號(hào)或外加電壓信號(hào)。X軸放大器把由掃描發(fā)生器送來的掃描信號(hào)放大后送到》偏轉(zhuǎn)板，并控制電子束在水平方向的運(yùn)動(dòng)。
4)掃描及整步系統(tǒng)；掃描發(fā)生器的作用是產(chǎn)生頻率可調(diào)的鋸齒波電壓，作為X軸偏轉(zhuǎn)板的掃描電壓。整步系統(tǒng)的作用是引入一個(gè)幅度可調(diào)的電壓，用以控制掃描電壓與被測信號(hào)電壓保持同步，使屏幕上顯示出穩(wěn)定的波形。
5)電源：由變壓器、整流及濾波等電路組成，其作用是向整個(gè)示波器供電。
(2)示波管的基本結(jié)構(gòu)示波管是示波器的核心。
1)電子槍的作用是發(fā)射電子束，轟擊熒光屏使之發(fā)光。電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽極和第二陽極組成。燈絲主要用于加熱陰極。陰極的主要作用是在燈絲加熱作用下發(fā)射電子�？刂茤艠O是通過調(diào)節(jié)負(fù)電壓的高低，來控制通過小孔的電子束強(qiáng)弱，從而改變熒光屏上光點(diǎn)的亮度。第一陽極A1和第二陽極A2上加的是正電壓，它們的作用：一是吸引由陰極發(fā)射來的電子，使之加速；二是使電子束聚焦。這是由于陰極發(fā)射的電子束受到陽極正電壓的吸引，一方面產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，另一方面各電子之間要相互排斥而散開，使得電子束在熒光屏上不能聚成焦點(diǎn)，造成圖像模糊不清。第一陽極與第二陽極之間形成的空間電場，可以把電子束聚焦成一個(gè)細(xì)束，使熒光屏上電子束所到之處呈現(xiàn)一細(xì)小清晰的亮點(diǎn)，這個(gè)過程叫“聚焦”。改變A1與A2之間的電位差，其空間電場分布會(huì)發(fā)生變化，能改變聚焦的效果。
2)熒光屏的作用是顯示被測波形。熒光屏位于示波管的前端，在玻璃內(nèi)壁上涂有一層熒光粉，熒光粉在高速電子束的撞擊下能發(fā)光。發(fā)光的強(qiáng)弱與激發(fā)的電子數(shù)量多少和速度快慢有關(guān)。電子數(shù)量越多、速度越快，產(chǎn)生的光點(diǎn)越亮，否則反之。熒光粉在電子束停止撞擊后，其發(fā)光仍能持續(xù)一段時(shí)間，這種現(xiàn)象叫“余輝”。熒光粉的余輝時(shí)間及發(fā)光的顏色也不同。常見的顏色有綠色、藍(lán)色和白色。余輝時(shí)間分為短余輝、中余輝、長余輝，對應(yīng)了不同的示波器的種類。
3)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是使電子束有規(guī)律地移動(dòng)，從而在熒光屏上顯示出被測波形。目前示波管大多采用靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，它包括垂直偏轉(zhuǎn)板Y和水平偏轉(zhuǎn)板X。靠近電子槍垂直放置的一對偏轉(zhuǎn)板為Y軸偏轉(zhuǎn)板，離電子槍較遠(yuǎn)水平放置的一對為X軸偏轉(zhuǎn)板。
(3)示波原理電子束從電子槍中發(fā)射出來后，受到陽極正電壓的吸引，經(jīng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)向熒光屏方向加速前進(jìn)，若偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，則電子束只能直射向熒光屏的中央，使熒光屏中央出現(xiàn)一個(gè)光點(diǎn)。
若在Y軸偏轉(zhuǎn)板上加直流電壓，則在兩塊偏轉(zhuǎn)板之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自上而向下的電場。當(dāng)電子束向熒光屏方向加速運(yùn)動(dòng)穿過該電場時(shí)，受到電場力的作用產(chǎn)生向上的偏轉(zhuǎn)；如果所加偏轉(zhuǎn)電壓的極性改變，則電子束將向下偏轉(zhuǎn)。X軸偏轉(zhuǎn)的原理與Y軸偏轉(zhuǎn)的原理相同，可使電子束向左或向右偏轉(zhuǎn)。在X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板同時(shí)施加電壓后，在兩個(gè)電場力的共同作用下，電子束就可以上下左右的移動(dòng)。由于熒光屏的余輝和眼睛視覺暫留的綜合作用，就能在熒光屏上看到亮點(diǎn)所描繪出的各種波形。
一般情況下，被測電壓都加在Y軸偏轉(zhuǎn)板上，而在X軸偏轉(zhuǎn)板上加隨時(shí)間線性變化的鋸齒波掃描電壓；這時(shí)，由于電子束在作垂直運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又勻速沿水平方向移動(dòng)，因而在熒光屏上掃描出被測電壓隨時(shí)間變化的波形。如果鋸齒波掃描電壓的周期與被測電壓的周期完全相等，掃描電壓每變化一次，熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)完整的被測波形。如果鋸齒波掃描電壓周期是被測電壓周期的整數(shù)倍，熒光屏上會(huì)穩(wěn)定地顯示出若干個(gè)被測信號(hào)的波形。為達(dá)到上述目的，調(diào)節(jié)掃描電壓的頻率可以通過調(diào)節(jié)示波器面板上的“掃描范圍”和“掃描微調(diào)”旋鈕來實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上，由于鋸齒波掃描電壓和被測電壓來自兩個(gè)電源，兩個(gè)電壓周期的整數(shù)倍關(guān)系很難長時(shí)間保持絕對穩(wěn)定，因此，需要利用同步作用來保持上述整數(shù)倍關(guān)系。同步作用是把信號(hào)電壓送入掃描發(fā)生器，使鋸齒波掃描電壓的頻率受到被測信號(hào)的控制而使兩者同步。這個(gè)起同步作用的信號(hào)電壓叫做“同步電壓”。同步電壓越大，同步作用越強(qiáng)。同步電壓除可取自被測信號(hào)外，還可以取自示波器內(nèi)部的正、負(fù)電源。同步電壓的選擇和大小調(diào)節(jié)由示波器面板上的“同步選擇”和“同步調(diào)節(jié)”旋鈕來實(shí)現(xiàn)。
(4)示波器的使用以CA8020A型示波器為例介紹其使用方法及注意事項(xiàng)，其面板如圖1-41所示。
1)面板說明：
①示波管：
電源——主電源開關(guān)，當(dāng)此開關(guān)開啟時(shí)發(fā)光二極管發(fā)亮。
輝度——調(diào)節(jié)軌跡或亮點(diǎn)的亮度。
聚焦——用于聚焦軌跡或亮點(diǎn)。
光跡旋轉(zhuǎn)——用來調(diào)整水平軌跡與刻度線平行。
輔助聚焦——與聚焦配合，調(diào)節(jié)光跡的清晰度。
②垂直軸：
Y1(X)輸入——在X-Y模式下，作為X軸輸入端。
Y2(Y)輸入——在X-Y模式下，作為Y軸輸入端。
AC——垂直軸輸入信號(hào)的交流耦合輸入方式。
GND垂直放大器的輸入接地，同時(shí)與示波器輸入端斷開。
DC垂直軸輸入信號(hào)的直流耦合輸入方式。
垂直衰減開關(guān)——調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度為5mV/div～5V/div,分10擋。
Y1移位——調(diào)節(jié)通道1光跡在屏幕上的垂直位置。
Y2移位——調(diào)節(jié)通道2光跡在屏幕上的垂直位置。
③觸發(fā)：
觸發(fā)源選擇——選擇內(nèi)或外觸發(fā)源。
極性——觸發(fā)信號(hào)的極性選擇。“+”為上升沿觸發(fā)，“-”為下降沿觸發(fā)。
觸發(fā)電平——顯示一個(gè)同步穩(wěn)定的波形，并設(shè)定一個(gè)波形的起始點(diǎn)。
觸發(fā)方式——選擇觸發(fā)掃描的方式。
④時(shí)基：
水平掃描速度開關(guān)——水平掃描速度為0.2μs/div～0.5s/div。
水平微調(diào)——微調(diào)水平掃描時(shí)間。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底為校正位置。
掃描擴(kuò)展——×1時(shí)未被擴(kuò)展，×10時(shí)掃描倍率被擴(kuò)展10倍。
2)單通道測量電壓幅值的操作：將開關(guān)和控制部分的旋鈕置于適當(dāng)位置后，接通電源，測量前應(yīng)調(diào)整。
①接通電源，電源指示燈亮約20s后，屏幕出現(xiàn)光跡。如果60s后還沒有出現(xiàn)光跡，應(yīng)檢查開關(guān)和控制旋鈕的設(shè)置。
②分別調(diào)節(jié)亮度、聚焦，使光跡亮度適中清晰。
③調(diào)節(jié)通道位移旋鈕，用螺釘旋具調(diào)節(jié)光跡旋轉(zhuǎn)電位器使光跡與水平刻度平行。
④用10:1探頭將信號(hào)輸入至Y1(或Y2)輸入端。
⑤根據(jù)輸入信號(hào)的幅度，適當(dāng)調(diào)節(jié)Y1衰減擋位，使信號(hào)在垂直方向幅度適中；調(diào)節(jié)水平掃描速度開關(guān)，使信號(hào)在水平方向能顯示出一個(gè)或幾個(gè)周期的波形；調(diào)節(jié)觸發(fā)電平使波形穩(wěn)定(如果是峰值自動(dòng)，無需調(diào)節(jié))。
⑥調(diào)節(jié)水平移位旋鈕，使波形底部在屏幕上的某一水平坐標(biāo)上；調(diào)節(jié)垂直移位旋鈕，使波形在頂部屏幕垂直方向的坐標(biāo)上，從而讀出底部和頂部之間的格數(shù)，按下面的公式計(jì)算被測信號(hào)的幅度，即
Vp-p=垂直方向的格數(shù)x垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)
式中垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)由垂直衰減擋位決定。
3)時(shí)間差的測量：對兩個(gè)相關(guān)信號(hào)時(shí)間差的測量，可以按下列步驟進(jìn)行：
①將參考信號(hào)和一個(gè)待比較信號(hào)分別饋入“Y1”和“Y2”輸入插座。
②根據(jù)信號(hào)頻率，將垂直方式置于"交替”或“斷續(xù)"。
③設(shè)置觸發(fā)源至參考信號(hào)通道。
④調(diào)節(jié)電壓衰減器和微調(diào)控制器，使其顯示合適的幅度。
⑤調(diào)節(jié)電平使波形顯示穩(wěn)定。
