大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)03電表設(shè)計(jì)與制作

1、實(shí)驗(yàn) 4 電表設(shè)計(jì)與制作本實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，請同學(xué)們自行查閱資料完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 掌握改裝電表的原理和校準(zhǔn)電表的方法。2 學(xué)會設(shè)計(jì)單量程電表（直流電流表、直流電壓表）。3 學(xué)習(xí)用萬用表檢查電路故障的方法?！緝x器用具】HG61303 型數(shù)字直流穩(wěn)壓電源、 GDM-8145 型數(shù)字萬用表、滑線變阻器、 FBZX21 型電阻箱、 C31-V 型電壓表、 C31-A 型電流表、 FB715 型物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置、可調(diào)電阻及導(dǎo)線若干【實(shí)驗(yàn)原理】1. 將微安表頭改裝成較大量程的電流表將微安表頭改裝成較大量程的電流表時，表頭與分流器并聯(lián)，被測電流的一部分流過分流器，一部分流經(jīng)表頭，由表頭

2、直接指示，這樣，由表頭和分流器組成的整體就可量度較大的電流。最簡單的單量程電流表的原理圖如圖4-1所示，分流器只有一個電阻R1 。為方便計(jì)算，圖中加入了一附加的可調(diào)電阻R0，使表頭 G 與 R0串聯(lián)起來，構(gòu)成了一量限為I g 、等效內(nèi)阻為rg 的表頭（本實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié) R 0使得rgrgR0）。如果要將量程為1.8k I g 的表頭改裝成量程為I 1 的電流表，分流電阻R1 的計(jì)算公式為：圖 4-1 微安表頭的擴(kuò)程方法R1I grg（ 4-1）I1Ig如果要將微安表改裝成有m 個量程（分別為I 1 ， I 2 ，?）的電流表，則分流器中應(yīng)有 m 個電阻， 選用分流器中不同阻值的分流電阻，可以得到

3、不同量程的電流檔。按照歐姆定律，可計(jì)算出各個分流電阻的阻值。2. 將微安表頭改裝成電壓表將微安表頭改裝成電壓表時，表頭與分壓器串聯(lián)，被測電壓的一大部分降落在分壓器上，一小部分降落在表頭上，這樣，由表頭和分壓器組成的整體就可量度較大的電壓。最簡單的單量程電壓表的原理圖如圖4-2 所示，分壓器只有一個電阻R2 ，如果要將量程為I g 、等效內(nèi)阻為 r g（ rg rg R01.8k ）的表頭改裝成量程為U1的電壓圖 4-2改裝電壓表的方法表，分壓電阻R2 的計(jì)算公式為：UR2I1r g（ 4-2）g如果要將微安表改裝成有n 個量程（分別為U 1 ， U 2 ，?）的電壓表，則分壓器中應(yīng)有 n 個電

4、阻，選用分壓器中不同阻值的分壓電阻，可以得到不同量程的電壓檔。按照歐姆定律，可計(jì)算出各個分壓電阻的阻值。3. 將微安表頭改裝成歐姆表微安表頭也可以改裝成測量電阻的歐姆表，方法是將等效內(nèi)阻為r g 的微安表頭與內(nèi)阻為rE 的電源 E 、可調(diào)電阻R3 連接起來， 就可構(gòu)成一個歐姆表(本實(shí)驗(yàn)歐姆表各檔電阻均采用可調(diào)電阻，故省去了調(diào)零電阻 )，如圖24-3所示。由圖可知，歐姆表的總內(nèi)阻為 R 內(nèi)r g rER3 ，當(dāng)歐姆表的a 、 b 兩圖 4-3改裝歐姆表的方法端接入待測電阻Rx 時，電路中的電流為E（ 4-3）IR 內(nèi)Rx當(dāng) E 和 R 內(nèi) 一定時，由（ 4-3 ）式可知，電表讀數(shù)I 與 Rx 之

5、間有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此電表經(jīng)定標(biāo)后即可直接讀出Rx 值。在具體設(shè)計(jì)制作歐姆表時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（ 1）當(dāng) Rx0 時（即 a 、 b 之間短接），若調(diào)節(jié) R 3 使指針偏轉(zhuǎn)到表頭滿刻度的位置，則此時有以下關(guān)系：IEIgR 內(nèi)即ER 內(nèi)（ 4-4）I g這時，可把指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度位置定為歐姆表的零值刻度。如果歐姆表的電源是干電池，則當(dāng)出現(xiàn) E 下降、 rE 變大的情況時，可調(diào)節(jié) R 3 使（ 4-4 ）式仍然成立，即當(dāng) a 、b 短接時，仍能保證指針剛好指在零歐姆位置。（ 2）當(dāng) Rx時（即 a 、 b 之間開路），回路電流為零，這時指針指在表頭的零刻度位置上，這個位置可定為歐姆表的無窮大值

6、刻度。由此可見，相對于電壓表和電流表而言，歐姆表的刻度尺是反向標(biāo)度的。（ 3）當(dāng) RxR 內(nèi) 時，根據(jù)（4-3 ）、（ 4-4 ）式有IEI g（ 4-5）2R內(nèi)2這時，指針應(yīng)指在表頭標(biāo)度尺的正中央位置上，這位置的歐姆表刻度數(shù)值稱為中值電阻R 中 ，顯然， R 中 有以下關(guān)系：RR 內(nèi)E（ 4-6）中I g由（ 4-6 ）式可見，中值電阻的大小是取決于電源電動勢E 和表頭量限 I g 的。選用不同的 E 和 I g 時，歐姆表的中值電阻就不同，依據(jù)這一點(diǎn)，我們可以設(shè)計(jì)一個多量程的歐姆表，以用來測量不同阻值的電阻，如“1 ”檔、“10 ” 檔、“100 ” 檔、“ 1K ”檔、“ 10K ”檔等

7、等。這里有兩點(diǎn)需要注意：歐姆表的標(biāo)度尺刻度是不均勻的。這可以從（ 4-3）式看出，當(dāng)RxR 中 時，標(biāo)度尺刻度越來越密，讀數(shù)誤差越大，而當(dāng) RxR 中 時，指針接近滿刻度， I隨 Rx的變化不明顯，因而測量誤差也很大，只有當(dāng)R x 在0.1R 中 10 R 中 范圍內(nèi)時， 測量才比較準(zhǔn)確，因此，圖 4-4 改裝低量程歐姆表的方法應(yīng)根據(jù)待測電阻的大小選擇合適的檔來測量；110 ” 檔、“100 ” 檔時，由于中值電阻較小，電路中的在設(shè)計(jì)歐姆表的“”檔、“電流將大于表頭量限I g ，因此需要在圖4-3 的電路中給表頭并聯(lián)一個電阻R 以擴(kuò)大表頭的量程，如圖 4-4所示。例如，若歐姆表電源的電動勢為E

8、 1.5 V ，要求歐姆表“100 ”檔 的 中值 電 阻 為1.5k ， 則 由 （ 4-6 ） 式 可 計(jì) 算 出表頭 擴(kuò) 程 后 電路中 的 總 電 流 為E1.5V4-4 所示的電路計(jì)算出需并聯(lián)的電阻的大小。I1mA ，再根據(jù)圖R 中1.5K4. 改裝表的校準(zhǔn)在改裝電表的工作完成后，還需要對改裝表進(jìn)行校準(zhǔn)，并作出改裝表的校準(zhǔn)曲線。校準(zhǔn)電表的過程，實(shí)際就是將改裝表的示數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)表的示數(shù)進(jìn)行比較的過程。例如，校準(zhǔn)電流表的辦法是：將改裝表與一個用作標(biāo)準(zhǔn)的電流表串聯(lián)起來接進(jìn)電路中，給電路通以可調(diào)節(jié)大小的電流(注意不得超過改裝表的量程)，當(dāng)改變電流的大小使得改裝表的示數(shù)I x 按刻度作等間隔變化時

9、，讀出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表的示數(shù)I S ，由此可得到各刻度的電流修正值I xI SI x ，作出I xI x 曲線，即為該電流表的校準(zhǔn)曲線，如圖4-5 所示。這里應(yīng)注意三點(diǎn)：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表的示數(shù)正好為待校準(zhǔn)量程的量限時，改裝表應(yīng)正好滿偏；校準(zhǔn)時應(yīng)以改裝表為自變量，讀出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)；電表的校準(zhǔn)曲線應(yīng)為折線狀。根據(jù)電表的校準(zhǔn)曲線可以修正電表的讀數(shù)，得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。由校準(zhǔn)曲線找出最大誤差（如圖 4-5 中的I m ），可計(jì)算出改裝表的準(zhǔn)確度等級a (參見實(shí)驗(yàn)三)。圖 4-5 改裝電流表的校準(zhǔn)曲線【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】1 設(shè)計(jì)一個單量程直流電流表要求將一個量程為I g100A 、內(nèi)阻為 r g 約為 1.8K的

10、表頭改裝成量程為5mA 的電流表，完成電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算。2 電流表校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)電壓表校準(zhǔn)電路，說明所需儀器、實(shí)驗(yàn)步驟。3 設(shè)計(jì)一個單量程直流電壓表要求將一個量程為I g100A 、內(nèi)阻為r g 約為 1.8K的表頭改裝成量程為5mA 的電流表，完成電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算。4 電壓表校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)（要求同2）5 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前必須完成14項(xiàng)，寫出設(shè)計(jì)方案，經(jīng)老師檢查合格，可進(jìn)行制作與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。6 制作并校準(zhǔn)設(shè)計(jì)好的單量程電表（ 1）測量表頭內(nèi)阻 rg 的準(zhǔn)確值。（ 2）制作已設(shè)計(jì)好的電表，注意實(shí)驗(yàn)室所提供的電阻均為可調(diào)電阻，學(xué)生需調(diào)節(jié)電阻到所需大小，連接好改裝表的電路。（ 3）連接好校準(zhǔn)電路，利

11、用實(shí)驗(yàn)室給出的數(shù)字電表或指針式電表作為標(biāo)準(zhǔn)電表，校準(zhǔn)改裝表的 5mA 檔和 5V檔，作出校準(zhǔn)曲線。實(shí)驗(yàn)提示（以電流表校準(zhǔn)為例）：首先校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表和改裝表的零點(diǎn)；然后校準(zhǔn)量程，使標(biāo)準(zhǔn)表對應(yīng)5mA ，觀察改裝表是否剛好滿刻度，若不是，調(diào)節(jié)分流電阻箱使改裝表滿刻度和標(biāo)準(zhǔn)表對應(yīng)5mA 同時滿足，記下此時的電阻箱讀數(shù) R 。隨后校準(zhǔn)刻度，在被校準(zhǔn)的刻度盤上，均勻選取11 個校準(zhǔn)點(diǎn)（包括零點(diǎn)，其示數(shù)為 I x ），從小到大依次在校準(zhǔn)各點(diǎn)的刻度上，記下標(biāo)準(zhǔn)表相應(yīng)的讀數(shù)I，再由大到小重I ,取平均值 I 0II復(fù)一遍，記下標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)2，數(shù)據(jù)填入下表。（ 4）描繪電表校準(zhǔn)曲線，并計(jì)算改裝表的準(zhǔn)確度等級a。實(shí)驗(yàn)提示

12、：以改裝電流為例。表頭內(nèi)阻r g =，準(zhǔn)確度等級 a=級，刻度格為格。改裝表電路圖為；校準(zhǔn)電路圖為。分流電阻 R 計(jì)算值為（以 rg =1.8k作為計(jì)算）；實(shí)際值（電阻箱讀數(shù)）R 為（分流電阻箱必須調(diào)節(jié)到同時滿足表頭滿偏和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)對應(yīng)5mA ）。標(biāo)準(zhǔn)表型號，檔位，準(zhǔn)確度。5mA 電流表校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（電流單位：mA ）Ix00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0I0I0I00I I 0 I x00【注意事項(xiàng)】1. 測量表頭內(nèi)阻時，通過表頭的電流值不得超過表頭的量限，更不允許電流反向。2. 注意使用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表電壓、電流功能時正確選擇接線端口。3. 實(shí)驗(yàn)電壓應(yīng)從零緩慢升起。4. 校準(zhǔn)前先校正改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表的零點(diǎn)。5. 選擇標(biāo)準(zhǔn)表的級別要比被校表高 2 級以上。 例如被校表為 1.5 級，則應(yīng)選 0.5 級以上的電表作為標(biāo)準(zhǔn)表?！舅伎紗栴}】1. 校正電流表時，如果發(fā)現(xiàn)改裝表的讀數(shù)相對于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)都偏高，試問要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)值，此時改裝表的分流電阻應(yīng)調(diào)大還是調(diào)?。繛槭裁?？2. 校正電壓表時，如果發(fā)