顯示記錄儀表和裝置是自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，主要可分為模擬顯示記錄儀表、數(shù)字顯示記錄儀表和計(jì)算機(jī)屏幕顯示記錄裝置等三大類。

模擬顯示儀表出現(xiàn)最早，將一些不能直接或不能精確直接感知的物理量（如溫度、壓力、流量和磁場等）用易于精確觀察的物理量（如線位移、角位移等）來表示，這種方法在工程中稱為物理模擬法，而凡是用物理模擬方法對被測信息實(shí)現(xiàn)顯示的儀表，就稱之為模擬顯示儀表。模擬儀表通常使用指針或記錄筆的偏轉(zhuǎn)角或位移量、光柱（條）的長短變化等方法來顯示被測參數(shù)連續(xù)的變化。

就測量線路而言，模擬顯示儀表一般可分為直接變換式和平衡式兩大類。直接變換式儀表測量線路簡單，價(jià)格較低，但準(zhǔn)確度較低，線性刻度較差，信息能量傳遞效率低，靈敏度不高；平衡式儀表測量線路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高，但準(zhǔn)確度高，靈敏度和信息能量傳遞效率都較高，線性度好。常見的模擬顯示儀表有動(dòng)圈式儀表、自動(dòng)平衡式的電位差計(jì)和自動(dòng)平衡電橋等。

數(shù)字式顯示儀表就是把被測參數(shù)連續(xù)變化的模擬量變換為斷續(xù)的數(shù)字量并以數(shù)碼形式顯示的儀表。數(shù)字式顯示儀表測量速度快，抗干擾性能好，準(zhǔn)確度高，讀數(shù)直觀，具有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)量程切換、自動(dòng)檢測、參數(shù)自整定、濾波、非線性處理以及進(jìn)行各種運(yùn)算等功能，其性能優(yōu)于模擬式顯示儀表，已在一些領(lǐng)域取代了模擬顯示儀表。

屏幕顯示儀表其本質(zhì)上就是配有專門數(shù)據(jù)采集處理接口、專門的顯示屏幕和其他附加裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1．模擬顯示儀表

（1）動(dòng)圈式顯示儀表

動(dòng)圈式顯示儀表是發(fā)展較早的一種模擬式顯示儀表，它是一種直接變換式基于磁電式原理的模擬顯示儀表，可以直接顯示直流毫伏信號，也可以顯示其他可轉(zhuǎn)換為毫伏信號的參數(shù)。

動(dòng)圈式儀表由測量線路和測量機(jī)構(gòu)兩部分組成。其中測量機(jī)構(gòu)是核心，對于不同型號的動(dòng)圈式顯示儀表，其測量線路各有不同，但其測量機(jī)構(gòu)是完全一樣的標(biāo)準(zhǔn)組件。如圖8.1所示，動(dòng)圈式儀表的測量機(jī)構(gòu)由永久磁鋼、張絲、軟鐵心、動(dòng)圈、刻度面板和儀表指針等部件構(gòu)成。支承動(dòng)圈的張絲也是傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線，當(dāng)有電壓信號作用時(shí)，動(dòng)圈通過電流，在磁場作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。扁帶型張絲產(chǎn)生反力矩，起平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用。平衡時(shí)指針的偏轉(zhuǎn)角度與所加的電壓成正比。

動(dòng)圈儀表常與熱電偶配套使用用于溫度測量。為了滿足不同的測量要求和準(zhǔn)確性，動(dòng)圈儀表內(nèi)有由若干個(gè)電阻組成的測量線路。圖8.2為配熱電偶的動(dòng)圈儀表的測量電路。這些電阻包括量程電阻R_串，環(huán)境溫度補(bǔ)償電阻R_T和R_B，阻尼調(diào)整電阻R_并。

根據(jù)動(dòng)圈儀表的工作原理可知，動(dòng)圈的偏轉(zhuǎn)角α應(yīng)與流過動(dòng)圈的電流I成正比，即：

                                      

式中，c為測量機(jī)構(gòu)的電流靈敏度，應(yīng)是一常數(shù)；是熱電偶輸出的電勢信號；是測量回路的總電阻。

若動(dòng)圈儀表需要更換熱電偶的型號或改變原有的測量范圍時(shí)，需要更換R_串，并改變儀表的刻度（量程）。新量程下R_串的阻值如下：

 

                

式中，E₁，E₂分別為改變前后儀表所對應(yīng)的量程值（用電勢大小表示）；R_串1、R_串2分別為改變前后儀表的量程電阻的阻值。

新的調(diào)節(jié)刻度標(biāo)尺計(jì)算如下：

                                           

式中，E_t為儀表刻度對應(yīng)的任一電勢值；L_max為儀表標(biāo)尺長度；L_t為對應(yīng)于E_t時(shí)的儀表刻度的直線長度。

當(dāng)動(dòng)圈儀表與熱電阻配合顯示被測參數(shù)時(shí)，一般通過橋路變換將電阻轉(zhuǎn)換為毫伏信號。工業(yè)上常常使用三線制接法，并規(guī)定每根連接導(dǎo)線的電阻為5Ω，若不足5Ω時(shí)，一定要用錳銅絲電阻補(bǔ)足5Ω，調(diào)整阻值要精確到5Ω±0.01Ω。其他測量線路與配熱電偶的基本相同。

（2）自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)

自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)是一種典型的平衡式顯示儀表，能與輸出信號為電勢（電壓）的各種檢測元件配合，用于測量（顯示）及記錄被測參數(shù)。

 　

自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)的基本原理及其結(jié)構(gòu)如圖8.3所示，它主要由測量電橋（由R₂、R₃、R₄、R_G等組成）、放大器和可逆電機(jī)等部分組成，另外還有記錄用的記錄機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)裝置以及同步電機(jī)等。

由熱電偶或傳感器或變送器輸入的直流電勢（或由直流電流通過輸入端的連接電阻而得的電壓）與測量橋路的a、b端的直流電壓進(jìn)行比較，比較后的電壓差值（即不平衡電壓）經(jīng)過放大器放大后，輸出足以驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)的功率，推動(dòng)可逆電機(jī)帶動(dòng)指示、記錄機(jī)構(gòu)，同時(shí)還帶動(dòng)測量橋路中的滑線電阻R_P的滑觸點(diǎn)，改變滑觸點(diǎn)a在滑線電阻中的位置，直到測量橋路新的a、b端的電壓與輸入電勢平衡為止。如果輸入電勢信號再發(fā)生變化，則又會產(chǎn)生新的不平衡電壓，再經(jīng)放大器放大而驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)，又改變R_P滑觸點(diǎn)的位置，重復(fù)上述過程，直到產(chǎn)生新的平衡位置為止。而與滑觸點(diǎn)相連的指示、記錄機(jī)構(gòu)沿著有分度的標(biāo)尺滑行，滑觸點(diǎn)的每一平衡位置相應(yīng)于標(biāo)尺上的一定數(shù)值，因此，每當(dāng)電路處于平衡狀態(tài)時(shí)，指示機(jī)構(gòu)的指針在標(biāo)尺上指出對應(yīng)的被測參數(shù)變量值。

自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)的測量橋路有兩條支路（上支路和下支路）。目前中國統(tǒng)一設(shè)計(jì)的XW系列電子電位差計(jì)的上支路電流為4mA，下支路電流為2mA。橋路中各電阻的定義及作用如下。

R₃稱為下支路限流電阻，為一固定值，與R₂配合，保證下支路在25℃時(shí)工作電流為2mA。

R₄稱為上支路限流電阻，它與R_np（R_P、R_B和R_M三個(gè)電阻并聯(lián)后的等效電阻）、R_G串聯(lián)，使上支路電流為4mA。

R_G稱為起始電阻。被測電勢的下限值越高，R_G越大。R_G由R_G^’和r_g兩部分串聯(lián)而成，其中r_g作微調(diào)用。

R₂為橋臂電阻，一般情況下，它和R_G配合使用實(shí)現(xiàn)被測電勢下限值的要求。當(dāng)電子電位差計(jì)與熱電偶配套使用測溫時(shí)，R₂可作為熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電阻。

R_P稱為滑線電阻。它是測量系統(tǒng)中的一個(gè)很重要的部件，儀表的示值誤差、記錄誤差、變差、靈敏度以及儀表運(yùn)行的平滑性等都和滑線電阻的優(yōu)劣有關(guān)。對其材料的選用、結(jié)構(gòu)、加工工藝等都有較高的要求。

R_B為工藝電阻，使R_P和R_B并聯(lián)的電阻值等于90Ω。這樣把R_P和R_B作為一個(gè)整體處理，便于設(shè)計(jì)計(jì)算，有利于成批生產(chǎn)。

R_M為量程電阻，它是決定儀表量程大小的電阻，它的大小由儀表測量范圍與所采用的分度號決定。R_M越大，對應(yīng)的儀表量程越大；反之，R_M越小，儀表量程越小。一般情況為了便于儀表量程的微調(diào)，R_M是由R_M^’和r_M串聯(lián)而成，只要調(diào)整r_M的阻值，就可微調(diào)儀表量程。

1）配熱電偶用于顯示和記錄溫度的電子電位差計(jì)的測量橋路的設(shè)計(jì)計(jì)算

熱電偶需要考慮冷端的自動(dòng)補(bǔ)償，因此采用銅補(bǔ)償電阻R_Cu代替一般電子電位差計(jì)中的橋臂電阻R₂。其等效電路如圖8.4所示。

假設(shè)①滑線電阻兩端各有一小段滑觸點(diǎn)滑不過去的部分，其電阻值為，一般為0.03～0.05。

②熱電偶冷端溫度變化所引起的附加電勢與室溫近似成線性關(guān)系。

③標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t₀等于標(biāo)準(zhǔn)室溫（20℃）加上儀表本身的溫升，如對于晶體管儀表，t₀＝20℃＋5℃＝25℃。

④儀表實(shí)際工作環(huán)境溫度等于實(shí)際室溫（一般為0～50℃）加上溫升，t_G＝55℃（為環(huán)境可能出現(xiàn)的溫度上限），t_D＝5℃（為環(huán)境可能出現(xiàn)的溫度下限）。

⑤橋路計(jì)算應(yīng)使熱電偶冷端附加電勢分別在上、下限兩點(diǎn)溫度t_G、t_D得到全補(bǔ)償。

當(dāng)熱電偶冷端溫度由環(huán)境溫度下限t_D變到環(huán)境溫度上限t_G時(shí)，熱電勢將減小E（t_G，t_D），而冷端溫度補(bǔ)償電阻將由變到，下支路電流將由變到。根據(jù)銅電阻阻值隨溫度變化的公式，可以推得：

2）電子電位差計(jì)測量毫伏（毫安）信號時(shí)的測量橋路的設(shè)計(jì)計(jì)算

測量橋路的計(jì)算與配熱電偶的基本相同，只是不需要考慮溫度補(bǔ)償，即R₂采用錳銅絲電阻。

一般情況下，在電壓量程時(shí)，取，即當(dāng)時(shí)，，。

當(dāng)時(shí)，取，即當(dāng)時(shí)，，。

（3）電橋式自動(dòng)平衡顯示儀表

電橋式自動(dòng)平衡顯示儀表（自動(dòng)平衡電橋）可與熱電阻配套測量溫度，也常常用于顯示記錄其他電阻類敏感元件對被測參數(shù)的測量。它將電阻類敏感元件直接接入電橋的一個(gè)橋臂，以電橋平衡的原理進(jìn)行工作。自動(dòng)平衡電橋測量橋路如圖8.5所示。

 " 　

圖8.5中R₂、R₃、R₄為橋路的固定電阻，R₆為起始電阻，R₅為量程電阻，R_P為滑線電阻，R_B為工藝電阻，使其與R_P的并聯(lián)電阻為90Ω。一般也為0.03～0.05。R_t為被測熱電阻，，表示整個(gè)儀表刻度范圍內(nèi)熱電阻的電阻變化值。R_t1、R_t0分別是相應(yīng)于儀表標(biāo)尺終點(diǎn)和起點(diǎn)時(shí)熱電阻的電阻值。。I_t0為n＝0時(shí)流過熱電阻的電流，I_t1是n＝1時(shí)流過熱電阻的電流，I_tm是流過熱電阻電流的最大值，且規(guī)定。R₁是連接熱電阻的三線制的導(dǎo)線電阻，并規(guī)定R₁=2.5Ω。

自動(dòng)平衡電橋的工作原理是測量橋路自身的平衡。若電路處于平衡狀態(tài)，則有：，其中，r₁、r₂分別是R₅、R_P和R_B并聯(lián)后的等效電阻R_np在滑觸點(diǎn)左邊和右邊部分的電阻值。當(dāng)溫度升高時(shí)，R_t增大，電橋平衡被破壞，U_ab>0，經(jīng)過放大器A放大以后，驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)M，使滑線電阻的滑動(dòng)觸頭向左移動(dòng)，使r₂減小，r₁增大，直到平衡等式再次成立，U_ab＝0，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，橋路實(shí)現(xiàn)了新的平衡；反之，亦然。

可以看出，與自動(dòng)平衡電位差計(jì)相比，兩者的平衡原理是相同的，但測量橋路的作用是不同的。自動(dòng)平衡電位差計(jì)的測量橋路在反饋環(huán)節(jié)中，而自動(dòng)平衡電橋的測量橋路則是作為比較環(huán)節(jié)而存在；自動(dòng)平衡電位差計(jì)中被測電壓與由橋路所產(chǎn)生的不平衡電壓相互平衡，而自動(dòng)平衡電橋中是滑線電阻的反饋觸點(diǎn)與被測電阻對應(yīng)，而使橋路的輸出達(dá)到平衡；達(dá)到平衡時(shí)，自動(dòng)平衡電橋的測量橋路處于平衡狀態(tài)；而自動(dòng)平衡電位差計(jì)的測量橋路處于不平衡狀態(tài)。

平衡電橋橋臂中的各電阻的計(jì)算較為復(fù)雜，一般按不同的量程對橋路進(jìn)行計(jì)算。如圖8.6為測量橋路的等效電路。

 

設(shè)為橋路下支路臂比。

1）對于中量程（）的電橋，取。

取，并規(guī)定，。根據(jù)電橋平衡原理，可推得：

式中，為在儀表刻度起點(diǎn)時(shí)，橋路上支路的總電阻。中量程的平衡電橋測量溫度的范圍很寬，一般情況下，取，。

2）對于小量程（）的電橋，取。

由于這是較小，上支路電流因受被測電阻熱效應(yīng)的影響不能取得太大，必須小于6mA，一般為3mA，而且，要想提高橋路的電壓靈敏度，就要減小，所以一般有和。其他的計(jì)算與中量程的計(jì)算方法基本相同。

3）對于大量程（）的電橋，取。

大量程應(yīng)提高，常采用和。用中量程的計(jì)算方法，可得大量程的計(jì)算公式。其中R_np、R₅和R₆的計(jì)算公式同中量程的計(jì)算公式。上支路的總電阻為：。而且為了方便，通常取，。

2．?dāng)?shù)字顯示儀表

數(shù)字顯示儀表的原理框圖如圖8.7所示。包括前置放大器、模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器（A/D）、非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換以及顯示裝置等部分。

 

（1）前置放大

    前置放大的作用是把檢測元件的輸出信號放大并變換到A/D轉(zhuǎn)換器所需的電壓值。如果檢測元件是非線性的，則可以在前置放大電路中增加線性化處理電路。

（2）A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換是數(shù)字顯示儀表的關(guān)鍵單元之一，它的主要任務(wù)是把連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)字量，具體包括采樣和量化（編碼）兩個(gè)過程。

將模擬量轉(zhuǎn)換為一定碼制的數(shù)字量稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)代表著其分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高，則量化誤差越小；A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號的范圍越小，量化誤差也越小。

（3）標(biāo)度變換

對于過程參數(shù)測量的數(shù)字顯示儀表，一般要求用被測變量的形式和數(shù)值顯示，這就需要進(jìn)行標(biāo)度變換。在A/D單元之前改變模擬轉(zhuǎn)換部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)，稱為模擬量的標(biāo)度變換；在A/D單元之后改變數(shù)字部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)，稱為數(shù)字量的標(biāo)度變換。

標(biāo)度變換實(shí)際上是一種系數(shù)運(yùn)算，即使被測變量的值和輸出的數(shù)字量一致，其系數(shù)的大小是按照“數(shù)值一致”的要求，預(yù)先整定好一次輸入的，這個(gè)系數(shù)在一個(gè)量程范圍內(nèi)或一次測量中是固定不變的。

（4）非線性處理

    非線性處理是檢測中的一重要問題，通常可采用的方法包括硬件直接線性化、反饋線性化、分段線性化和查表線性化等方法。