大學物理實驗講義實驗電表設計與制作

實 驗 4 電 表 設 計 與 制 作本實驗屬于設計性實驗，請同學們自行查閱資料完成設計性實驗報告?！緦嶒災康摹?．掌握改裝電表的原理和校準電表的方法。2．學會設計單量程電表（直流電流表、直流電壓表） 。3．學習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型物理設計性實驗裝置、可調(diào)電阻及導線若干【實驗原理】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，由表頭直接指示，這樣，由表圖4-1微安表頭的擴程方法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，構成了一量限為Ig、等效內(nèi)阻為rg的表頭（本實驗要求調(diào)節(jié)R0使得rgrgR01.8kΩ）。如果要將量程為Ig的表頭改裝成量程為I1的電流表，分流電阻R1的計算公式為：R1Igrg（4-1）I1Ig如果要將微安表改裝成有m個量程（分別為I1，I2，?）的電流表，則分流器中應有m個電阻，選用分流器中不同阻值的分流電阻，可以得到不同量程的電流檔。按照歐姆定律，可計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

圖4-2 改裝電壓表的方法器只有一個電阻R2，如果要將量程為Ig、等效內(nèi)阻為rg（rgrgR01.8kΩ）的表頭改裝成量程為U1的電壓表，分壓電阻R2的計算公式為：R2U1rg（4-2）Ig如果要將微安表改裝成有n個量程（分別為U1，U2，?）的電壓表，則分壓器中應有n個電阻，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，可計算出各個分壓電阻的阻值。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 圖4-3 改裝歐姆表的方法法是將等效內(nèi)阻為rg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，就可構成一個歐姆表(本實驗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)rgrER3，當歐姆表的a、b兩端接入待測電阻Rx時，電路中的電流為E（4-3）IR內(nèi)Rx當E和R內(nèi)一定時，由（4-3）式可知，電表讀數(shù)I與Rx之間有一一對應的關系，因此電表經(jīng)定標后即可直接讀出 Rx值。在具體設計制作歐姆表時，應注意以下幾點：（1）當R0時（即a、b之間短接），若調(diào)節(jié)R使指針偏轉(zhuǎn)到表頭滿刻度的位置，x3則此時有以下關系：即R內(nèi)E（4-4）Ig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，則當出現(xiàn)E下降、rE變大的情況時，可調(diào)節(jié)R3使（4-4）式仍然成立，即當a、b短接時，仍能保證指針剛好指在零歐姆位置。（2）當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度的。（3）當Rx R內(nèi)時，根據(jù)（4-3）、（4-4）式有EIgI（4-5）2R內(nèi)2這時，指針應指在表頭標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中有以下關系：R中E（4-6）R內(nèi)Ig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Ig的。選用不同的E和Ig時，歐姆表的中值電阻就不同，依據(jù)這一點，我們可以設計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”檔等等。圖4-4改裝低量程歐姆表的方法這里有兩點需要注意：①歐姆表的標度尺刻度是不均勻的。這可以從（4-3）式看出，當RxR中時，標度尺刻度越來越密，讀數(shù)誤差越大，而當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Rx在0.1R中~10R中范圍內(nèi)時，測量才比較準確，因此，應根據(jù)待測電阻的大小選擇合適的檔來測量；②在設計歐姆表的“1”檔、“10”檔、“100”檔時，由于中值電阻較小，電路中的電流將大于表頭量限Ig，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E1.5V，要求歐姆表“100”檔的中值電阻為1.5kΩ，則由（4-6）式可計算出表頭擴程后電路中的總E1.5V1mA，再根據(jù)圖4-4所示的電路計算出需并聯(lián)的電阻的大小。電流為I1.5KR中改裝表的校準在改裝電表的工作完成后，還需要對改裝表進行校準，并作出改裝表的校準曲線。校準電表的過程，實際就是將改裝表的示數(shù)與標準表的示數(shù)進行比較的過程。例如，校準電流表的辦法是：將改裝表與一個用作標準的電流表串聯(lián)起來接進電路中，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)，當改變電流的大小使得改裝表的示數(shù)Ix按刻度作等間隔變化時，讀出相應的標準表的示數(shù)IS，由此可得到各刻度的電流修正值IxISIx，作出IxIx曲線，即為該電流表的校準曲線，如圖4-5所示。圖4-5改裝電流表的校準曲線這里應注意三點：①當標準表的示數(shù)正好為待校準量程的量限時，改裝表應正好滿偏；②校準時應以改裝表為自變量，讀出相應的標準表的讀數(shù)；③電表的校準曲線應為折線狀。根據(jù)電表的校準曲線可以修正電表的讀數(shù)，得到較準確的結(jié)果。由校準曲線找出最大誤差（如圖 4-5中的 Im），可計算出改裝表的準確度等級 a(參見實驗三)。【實驗內(nèi)容與要求】1．設計一個單量程直流電流表要求將一個量程為 Ig 100 A、內(nèi)阻為rg約為1.8K 的表頭改裝成量程為 5mA的電流表，完成電路設計、參數(shù)計算。2．電流表校準方案設計：設計電壓表校準電路，說明所需儀器、實驗步驟。3．設計一個單量程直流電壓表要求將一個量程為

Ig

100

A、內(nèi)阻為

rg約為

1.8K

的表頭改裝成量程為

5mA的電流表，完成電路設計、參數(shù)計算。4．電壓表校準方案設計（要求同5．進入實驗室前必須完成 1~4

2）項，寫出設計方案，經(jīng)老師檢查合格，可進行制作與

`校準實驗。6．制作并校準設計好的單量程電表1）測量表頭內(nèi)阻rg的準確值。2）制作已設計好的電表，注意實驗室所提供的電阻均為可調(diào)電阻，學生需調(diào)節(jié)電阻到所需大小，連接好改裝表的電路。3）連接好校準電路，利用實驗室給出的數(shù)字電表或指針式電表作為標準電表，校準改裝表的5mA檔和5V檔，作出校準曲線。實驗提示（以電流表校準為例）：首先校準標準表和改裝表的零點；然后校準量程，使標準表對應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準表對應5mA同時滿足，記下此時的電阻箱讀數(shù)R。隨后校準刻度，在被校準的刻度盤上，均勻選取11個校準點（包括零點，其示數(shù)為Ix），從小到大依次在校準各點的刻度上，記下標準表相應的讀數(shù)I，再由大到小重復一遍，記下標準表讀數(shù)I,取平均值I0II，數(shù)據(jù)填入下表。（4）描繪電表校準曲線，并計算改裝表的準確度等級a。2實驗提示：以改裝電流為例。表頭內(nèi)阻rg=，準確度等級a=級，刻度格為格。改裝表電路圖為；校準電路圖為。分流電阻R計算值為（以rg=1.8k作為計算）；實際值（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準表讀數(shù)對應5mA）。標準表型號，檔位，準確度。5mA電流表校準數(shù)據(jù)（電流單位：mA）00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.00000 0【注意事項】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。注意使用數(shù)字標準表電壓、電流功能時正確選擇接線端口。實驗電壓應從零緩慢升起。校準前先校正改裝表和標準表的零點。5.選擇標準表的級別要比被校表高2級以上。例如被校表為1.5級，則應選0.5級以上的電表作為標準表?！舅伎紗栴}】校正電流表時，如果發(fā)現(xiàn)改裝表的讀數(shù)相對于標準表的讀數(shù)都偏高，試問要達到標準表的數(shù)值，此時改裝表的分流電阻應調(diào)大還是調(diào)小？為什么？校正電壓