测量机构的组成与原理详解

电测量指示仪表的测量机构是由固定部分和可动部分组成的，以便能将被测量转换为可动部分的偏转角，按可动部分在偏转过程中各元件所完成的功能和作用，可以把测量机构分为以下三个部分。

1.产生转动力矩M的驱动装置

为了使电测量指示仪表的指针能够在被测量的作用下产生偏转，就必须有一个能产生转动力矩的驱动装置。不同类型的仪表，驱动原理也不一样，例如磁电系仪表是利用永久磁铁和通电线圈间的电磁力，以驱动可动部分偏转，而静电系仪表，则利用固定电极板和可动电极板之间的电场力，使可动部分得到转动力矩。

各种电磁力矩的大小除了与电磁场的强弱有关外，还取决于电磁场的分布状况。通常电磁场强弱由被测量的大小决定，而分布状况则与可动部分所处的位置有关。例如电磁系、电动系仪表其转动力矩M是x和α的二元函数，即M＝F（x，α）。而磁电系仪表则由于气隙中磁场比较强，不受可动线圈位置影响，所以磁电系仪表的转动力矩M只与被测量x有关，并且是x的线性函数。

2.产生反作用力矩Mα的控制装置

如果测量机构只有驱动装置，而没有控制装置，则不论被测量x是大还是小，可动部分在转动力矩作用下，总是要偏转到尽头，好像一杆不挂秤砣的秤，不论被测重量多大，秤秆总是向上翘起。为了使被测量x大小不同时，可动部分能转过不同的角度，测量机构上需要设置能产生反作用力矩的控制装置。

图1-4　用弹簧游丝产生反作用力矩

1—指针；2—弹簧游丝；3—轴；4—平衡锤；5—调零器

如图1-4所示的盘形游丝就是一种常用的产生反作用力矩的装置。当可动部分在转动力矩作用下产生偏转时，就会同时扭紧游丝使游丝产生一个与转动力矩方向相反的反作用力矩。游丝是一种弹性材料，所以在弹性范围内反作用力矩的大小正比于扭动游丝的偏转角α即

式中　D——反作用力矩系数，由游丝的材料、外形所决定；

α——可动部分的偏转角。

当转动力矩等于反作用力矩时，即M＝Mα，可动部分就停止。对于磁电系仪表，这时对应的偏转角α可按下式推得，设M＝F（x），则(www.xing528.com)

如果用图形表示，则如图1-5所示，假设转动力矩M是x的函数，而与可动部分所在的位置α无关，转矩曲线是一条与α坐标轴平行的直线。而Mα与α成正比，所以反作用力矩曲线是一条向上倾斜的直线。两线的交点就是可动部分平衡点，对应的角度α就是可动部分停止位置。转动力矩M不同时，例如M＝M′或M＝M″，对应的α也不同。从图1-5中还可以看出，当外界因素（如振动）使可动部分偏离平衡位置时，如图上M1或M2点，将使M≠Mα，从而产生差力矩，这个力矩我们称之为定位力矩Mb，即

定位力矩将力图使仪表的可动部分返回原来的平衡位置。但是由于轴尖与轴承间总是存在摩擦力，可动部分总是没有办法回到原来的平衡点，从而造成仪表的示数误差，这种误差也称为摩擦误差，它是仪表基本误差的一部分。为了减少摩擦误差，可以提高游丝反作用力矩系数D，以便增加定位力矩，也可以想法减轻可动部分的重量，或提高制造精度减少摩擦力矩。

图1-5　转动力矩、反作用力矩与偏转角α的关系

除了用游丝产生反作用力矩外，还可以用张丝、吊丝或重力装置，也有用电磁力产生反作用力矩，例如比率型仪表。

3.产生阻尼力矩Md的阻尼装置

从转动力矩和反作用力矩的关系可知，可动部分受转动力矩作用后，最终总会停在一个平衡位置上，但由于可动部分具有一定的转动惯量，故可动部分达到平衡位置后，并不立即停止，往往要超过平衡点，而定位力矩又会使它返回到平衡位置，这就造成指针在读数位置来回摆动的现象。

为了尽快读数，测量机构必须设有吸收这种振荡能量的阻尼装置，以便产生与可动部分运动方向相反的力矩。应当指出，阻尼力矩是一种动态力矩。当可动部分稳定后，它就不复存在。因此，阻尼力矩并不改变由转动力矩和反作用力矩所确定的偏转角。

常用的阻尼装置有两种，一种是空气阻尼器，利用可动部分运动时带动阻尼翼片，使翼片在一个密封的阻尼箱中运动。从而产生空气阻力作为阻尼力矩。它的结构如图1-6（a）所示。另一种是感应阻尼器，利用可动部分运动时带动一个金属阻尼片，使之切割阻尼磁场的磁力线，从而使阻尼片产生涡流，涡流与磁场形成的电磁力作为阻尼力矩，它的结构如图1-6（b）所示。

图1-6　阻尼器

（a）空气阻尼器；（b）磁感应阻尼器

此外还有油阻尼，这种阻尼装置结构比较复杂，多用于高灵敏度的张丝仪表中。测量机构除了以上三种主要装置外，还应有指示装置，即指针式的指针与度盘、光标式的光路系统和刻度尺、调零器、平衡锤、止动器、外壳等部分。