第1节 什么是仪表？(修订中)
仪表 是一种用于以人类可读的形式准确检测和显示电量的设备。通常，这种“可读形式”是视觉的：指针在刻度上的运动、排列成“条形图”的一系列灯，或某种由数字组成的显示。在电路的分析和测试中，有设计用来精确测量电压、电流和电阻的基本量的仪表。还有许多其他类型的仪表，但本章主要介绍基本三种的设计和操作。
大多数现代仪表在设计上都是“数字”的，这意味着它们的可读显示是数字形式的。较旧的仪表设计本质上是机械的，使用某种指针设备来显示测量数量。在任何一种情况下，使显示单元适应（相对）大量电压、电流或电阻 (opens new window)测量的原理都是相同的。
# 1. 什么是仪表机芯？
仪表的显示机制通常被称为_机芯_，借用其机械特性沿刻度_移动_指针，以便读取测量值。尽管现代数字仪表没有移动部件，但术语“移动”可以应用于执行显示功能的相同基本设备。
# 2. 电磁计机芯
数字“机芯”的设计超出了本章的范围，但机械表机芯的设计非常容易理解。大多数机械运动都基于电磁原理：通过导体 (opens new window)的电流会产生垂直于电流轴的磁场。电流越大，产生的磁场越强。
如果允许导体形成的磁场与另一个磁场相互作用，则会在两个场源之间产生物理力。如果这些源中的一个可以相对于另一个自由移动，它会在电流通过导线时这样做，运动（通常抵抗弹簧的阻力）与电流强度成正比。
最初制造的仪表机芯被称为_检流计_，通常在设计时考虑到最大灵敏度。一个非常简单的检流计可以由一根磁化的针（例如罗盘的针）制成，该针悬挂在一根绳子上，并位于一个线圈内。通过线圈的电流会产生磁场，使针头偏离指向地球磁场的方向。下图显示了一个古董弦振计：
这些仪器在当时很有用，但在现代世界中除了作为概念验证和基本实验设备之外几乎没有地位。它们极易受到任何形式的运动以及地球自然磁场中的任何干扰的影响。现在，“检流计”一词通常是指任何设计的电磁计机芯，旨在提供卓越的灵敏度，而不一定是像照片中所示的那种粗制滥造的装置。
现在可以进行实用的电磁仪表移动，其中旋转的线圈悬挂在强磁场中，屏蔽了大部分外部影响。这种仪器设计通常被称为_永磁、动圈_或_PMMC_机芯：
在上图中，仪表运动“指针”显示为指向满量程的 35% 左右，零表示完全位于弧的左侧，而满量程则完全位于弧的右侧。测量电流的增加将推动指针进一步指向右侧，而减少将导致指针回落到左侧的静止点。仪表显示屏上的弧线标有数字，以指示正在测量的量的值，无论该量是多少。
换句话说，如果需要 50 µA 的电流将指针完全向右驱动（使其成为“50 µA 满量程运动”），则刻度的最左端将写入 0 µA，在最左端写入 50 µA非常正确，25 µA 标记在刻度的中间。很可能，刻度会被分成更小的刻度标记，可能每 5 或 1 µA 一次，以便观察运动的人能够从针的位置推断出更精确的读数。
仪表机芯背面有一对金属连接端子，用于电流进出。大多数仪表的运动都是极性_敏_感的，一个电流方向将指针向右驱动，另一个电流向左驱动。一些仪表机芯的指针位于刻度扫描的中间而不是左侧，因此可以测量任一极性：
常见的极性_敏_感机芯包括 D'Arsonval 和 Weston 设计，都是 PMMC 类型的仪器。通过导线的一个方向的电流将在针机构上产生顺时针扭矩，而另一方向的电流将产生逆时针扭矩。
一些仪表的运动是极性_敏_感_的_，依靠未磁化的可移动铁叶片对静止的载流导线的吸引力来偏转指针。这种仪表非常适合测量交流电 (AC)。如果连接到交流电源，对极性_敏_感的运动只会无用地来回振动。
# 3. 静电计运动
虽然大多数机械仪表运动基于电磁学（电流流过导体产生垂直磁场），但少数基于静电学：即电荷在空间中产生的吸引力或排斥力。这与某些材料（如蜡和羊毛）在摩擦时表现出的现象相同。如果通过气隙在两个导电表面之间施加电压，则会有一个物理力将两个表面吸引在一起，从而能够移动某种指示机构。
该物理力与板之间施加的电压成正比，与板之间距离的平方成反比。该力也与极性无关，使其成为一种对极性不敏_感的仪表运动：
不幸的是，静电引力产生的力对于普通电压来说_非常小。_事实上，它是如此之小，以至于这种仪表运动设计对于在一般测试仪器中使用是不切实际的。通常，静电计移动用于测量非常高的电压（数千伏）。
然而，静电计运动的一大优点是它具有极高的电阻，而电磁运动（取决于通过电线的电流以产生磁场）的电阻要低得多。正如我们将在后面更详细地看到的那样，更大的电阻（导致从被测电路中汲取的电流更少）使得电压表更好。
# 4. 阴极射线管
一种更常见的静电电压测量应用是在称为_阴_极射线管_或_CRT_的设备中看到的。这些是特殊的玻璃管，与电视屏幕管非常相似。在_阴_极__射线管中，在真空中行进的电子束由于电子束两侧金属板对之间的电压而偏离其路线。
由于电子带负电，它们往往被负极板排斥并被正极板吸引。两个板上的电压极性反转将导致电子束向相反方向偏转，使这种类型的仪表“移动”极：
质量比金属板小得多的电子在这种静电力的作用下非常快速且容易地移动。当电子撞击管子的玻璃端时，可以追踪它们的偏转路径，在那里它们撞击磷化学涂层，发出在管外可见的光辉。偏转板之间的电压越大，电子束将从其直线路径“弯曲”得越远，从管末端的中心看到的发光点就越远。
此处显示了 CRT 的照片：
在真实的 CRT 中，如上图所示，有两对偏转板，而不仅仅是一对。为了能够使电子束围绕屏幕的整个区域而不是仅仅在一条直线上扫过，电子束必须在多个维度上偏转。
尽管这些电子管能够准确地记录小电压，但它们体积庞大并且需要电力才能运行（与电磁仪表运动不同，后者更紧凑并由通过它们的测量信号电流的功率驱动）。它们也比其他类型的电气计量设备更脆弱。通常，阴极_射线管与精确的外部电路一起使用，以形成一个更大的测试设备，称为_示波器，它能够显示电压随时间变化的图表，对于某些类型的电路来说，这是一个非常有用的工具，其中电压和/或当前水平是动态变化的。
# 5. 满量程指示
无论仪表的类型或仪表移动的大小如何，都会有一个额定的电压或电流值来提供满量程指示。在电磁运动中，这将是旋转指针所必需的“满量程偏转电流”，以使其指向指示刻度的精确末端。在静电运动中，满量程额定值将表示为导致由极板驱动的针的最大偏转的电压值，或_阴_极射线管中将电子束偏转到边缘的电压值指示屏幕。在数字“运动”中，它是导致数字显示屏上“满计数”指示的电压量：当数字无法显示更大的数量时。
仪表设计人员的任务是进行给定的仪表运动，并设计必要的外部电路，以在某些特定的电压或电流量下进行满量程指示。大多数仪表的运动（静电运动除外）都非常敏_感，仅在一小部分伏特或安培时即可提供满量程指示。这对于大多数电压和电流测量任务来说是不切实际的。技术人员通常需要一个能够测量高电压和电流的仪表。
通过将敏_感的仪表机芯作为分压器或电流分配器电路的一部分，机芯的有用测量范围可以扩展，以测量比单独机芯所能指示的更大的电平。精密电阻器用于创建适当分压电压或电流所需的分压器电路。您将在本章中学到的一课是如何设计这些分压器电路。
# 6. 总结
- “机芯”是仪表的显示机制。
- 电磁运动的工作原理是电流通过导线产生磁场。电磁流量计运动的示例包括 D'Arsonval、Weston 和铁叶片设计。
- 静电运动的工作原理是两块板之间的电场产生的物理力。
- 阴_极射线管(CRT) 使用静电场来弯曲电子束的路径，通过光束撞击玻璃管末端时产生的光来指示电子束的位置。
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