萬用表原理與使用

本文格式為Word版，下載可任意編輯——萬用表原理與使用第一章萬用表原理與使用

萬用表是一種最常用的測量儀表，以測量電壓、電流和電阻三大參量為主，因此也稱為三用表，國家標(biāo)準(zhǔn)中稱為復(fù)用表。有些萬用表還可以用來測量交流電流、交流電壓、電容、電感及半導(dǎo)體三極管的直流電流放大倍數(shù)等。

萬用表的種類好多，根據(jù)測量結(jié)果的顯示方式的不同，可分為模擬式(指針式)和數(shù)字式兩大類，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都是用一塊表頭(模擬式)或一塊液晶顯示器(數(shù)字式)來指示讀數(shù)，用轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)各種不同測量目的的轉(zhuǎn)換。

第一節(jié)模擬式萬用表

模擬式萬用表的測量過程是先通過一定的測量電路，將被測電量轉(zhuǎn)換成電流信號，再由電流信號去驅(qū)動(dòng)磁電式表頭指針的偏轉(zhuǎn)，在刻度尺上指示出被測量的大小。測量過程如圖1．1．1所示。由此可見，模擬式萬用表是在磁電式微安表頭的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的。

圖1．1．1模擬式萬用表的測量過程

一、磁電式微安表頭

模擬式萬用表的核心部件是磁電式微安表頭。磁電式表頭利用磁場中通電線圈受磁場力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)的原理工作，利用線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定在線圈上的指針轉(zhuǎn)動(dòng)而指示出流過線圈的電流的大小。

磁電式表頭結(jié)構(gòu)如圖1．1．2所示，它由固定和可動(dòng)兩部分組成。固定部分由永久磁鐵、極掌N和S極、固定在極掌中間的圓柱形鐵芯、機(jī)械零位調(diào)理器和表盤組成。極掌與圓柱形鐵芯間的空氣隙是均勻的。永久磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)磁場，圓柱形鐵芯將磁場集中在鐵芯和氣隙中。機(jī)械零點(diǎn)調(diào)理器的作用是：當(dāng)線圈沒有電流流過時(shí)，指針若不指在表盤刻度尺的零位，可人工轉(zhuǎn)動(dòng)零位調(diào)理器，使指針轉(zhuǎn)至零位。

圖1．1．2磁電式表頭結(jié)構(gòu)

可動(dòng)部分由鋁框、線圈、前后兩根半軸、兩個(gè)螺旋彈簧和指針組成。線圈繞在鋁框上，鋁框固定在兩個(gè)半軸上，軸上裝有指針，兩個(gè)半軸可在軸承中轉(zhuǎn)動(dòng)。鋁框可以圍圍著圓柱形鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈的兩頭與裝在兩個(gè)半軸上的螺旋彈簧的一端相接，螺旋彈簧另一端固定在半軸上，螺旋彈簧除了產(chǎn)生抵擋力矩外，還是將電流引入和引出的通路。

磁電式表頭指針的偏轉(zhuǎn)角度能快速、確鑿無誤地指示出被測量的大小，主要是以下幾個(gè)力矩綜合作用的結(jié)果。1．轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

該力矩是通電線圈受磁場力的作用而產(chǎn)生的，如圖1．1．3所示，當(dāng)線圈通過電流時(shí)，它在均勻磁場中就會受到磁場力的作用，根據(jù)左手定則可以確定力的方向是與線圈平面相垂直的，并且產(chǎn)生在線圈兩邊。這兩個(gè)大小相等方向相反的力就會對線圈形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小可由下式計(jì)算

M=F·b

式中：F——線圈兩邊分別所受的力(C邊或D邊)；

b——線圈的寬度(C，D邊之間的距離)。

而F=BLNI

式中：B——極掌與鐵芯氣隙中的磁場強(qiáng)度；L——線圈邊長；N——線圈匝數(shù)；

I——線圈中流過的電流。

所以，M=BLNIb，其中L·b=S為線圈面積。

當(dāng)表頭制成后，B，S，N都為固定不變的常數(shù)，令K二BSN，則M=K·I

此式說明，磁電式表頭中旋轉(zhuǎn)力矩的大小與流過線圈的電流的大小成正比。

2．抵擋力矩

該力矩是由螺旋彈簧產(chǎn)生的，當(dāng)線圈受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，拉緊了螺旋彈簧而產(chǎn)生抵擋力矩。當(dāng)?shù)謸趿嘏c轉(zhuǎn)動(dòng)；勺矩相等時(shí)，指針就中止在某一位置上，形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)角。偏轉(zhuǎn)角越大，抵擋力矩也越大，其數(shù)值由下式?jīng)Q定

Mα=ω·α式中：Mα——抵擋力矩；

ω——彈簧的彈性系數(shù)；α——指針偏轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)指針在某一位置中止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，說明旋轉(zhuǎn)力矩與抵擋力矩大小相等方向相反。即M=Mα

因此有KI=ω·αα=(K／ω)I令K／ω=SI，則

α=SI·I

從上式可見，指針偏轉(zhuǎn)角的大小與線圈中流過電流的大小成線性關(guān)系，所以表盤上刻度尺的刻度是均勻的。

SI=α/I

SI稱為表頭的電流靈敏度，其物理意義為：單位電流作用下表針的偏轉(zhuǎn)角度。

3．阻尼力矩

該力矩是由轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框受磁場力的作用而產(chǎn)生的。由于線圈轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)鋁框一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使得穿過鋁框的磁通發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個(gè)感應(yīng)電流方向始終與線圈中流過的電流的方向相反，因而感應(yīng)電流在磁場中產(chǎn)生的力矩也始終與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩方向相反，稱為阻尼力矩，阻尼力矩減小了指針由于慣性作用而來回?fù)u擺的幅度，使指針很快中止在平衡位置上。當(dāng)指針中止在平衡位置時(shí)，阻尼力矩等于零。因此阻尼力矩不影響指針的偏轉(zhuǎn)角，只起到縮短指針搖擺時(shí)間的作用。

4．摩擦力矩

該力矩是當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸與軸承間產(chǎn)生的一個(gè)力矩，這個(gè)力矩將影響指針的指示偏差，由于摩擦力矩的方向永遠(yuǎn)與運(yùn)動(dòng)方向相反，所以偏差可正可負(fù)，且摩擦力矩越大，偏差也越大，測量誤差也越大。為了提高儀表的確鑿度，尋常轉(zhuǎn)軸和軸承的材料都選用優(yōu)質(zhì)、耐磨的合金材料，并經(jīng)過細(xì)心研磨加工。

二、表頭參數(shù)及其測量方法

磁電式表頭是一種直流式檢流計(jì)，它具有兩個(gè)重要的參數(shù)，即表頭靈敏度與表頭內(nèi)阻，這兩個(gè)參數(shù)既是決定儀表確鑿度的重要依據(jù)，也是設(shè)計(jì)萬用表的重要依據(jù)。

1．表頭靈敏度及其測量方法

表頭靈敏度是指表頭指針滿偏時(shí)，流過表頭線圈的電流量，用字母Ig表示。Ig越小，說明表頭靈敏度越高，即表頭線圈流過較小的電流，即可使指針產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)。一般微安表頭的表頭靈敏度在100μA以下。

表頭靈敏度的測量方法如圖1．1．4所示。測量時(shí)，首先將待測表頭與標(biāo)準(zhǔn)微安電流表及限流電阻R0，Rp(可變電阻器)串接在一起，連接到直流穩(wěn)壓電源上，分別調(diào)整電路輸入電壓U與RP，使得被測表頭指示達(dá)滿偏，然后讀出標(biāo)準(zhǔn)微安電流表的讀數(shù)即為被測表頭靈敏度Ig。標(biāo)準(zhǔn)微安表的確鑿度應(yīng)比被測表頭的確鑿度高，量程應(yīng)大于或等于被測表頭的量程。

圖1．1．4表頭靈敏度的測量

2．表頭內(nèi)阻及其測量方法

表頭內(nèi)阻是指表頭線圈和前后兩個(gè)螺旋彈簧的直流電阻之和，記作Rg。由于彈簧的直流電阻遠(yuǎn)小于線圈電阻，所以可認(rèn)為R，近似等于線圈電阻。一般微安表頭的表頭內(nèi)阻為幾百歐姆。常用的表頭內(nèi)阻測量方法有兩種：

(1)半偏法

測量電路如圖1．1．5所示。圖中只是一個(gè)大小可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)電阻箱，Rg為被測表頭內(nèi)阻。調(diào)理直流穩(wěn)壓電源US，和電阻箱R的大小，使待測表頭的電流指示達(dá)最大值Ig(滿偏)，記此時(shí)電阻箱的阻值為Rg，，電壓表讀數(shù)為U0，則滿偏電流為

Ig=U0／(Rl+Rg)保持U0不變，調(diào)理可變電阻箱R，使被測表頭的電流指示為Ig／2(即半偏)，記此時(shí)電阻箱阻值為R2，則

Ig／2=U。／(R2+Rg)

聯(lián)立式(1—1—9)與(1—1—10)可得表頭內(nèi)阻Rg為Rg=R2—2Rl

(2)定值偏轉(zhuǎn)法

測量電路如圖1．1．6所示。圖中：尺，RN均為標(biāo)準(zhǔn)電阻箱，Rg為被測表頭內(nèi)阻，在沒有合上開關(guān)K時(shí)，與半偏法一致，先調(diào)理電源US和可變電阻R，使待測表頭的電流指示為最大值Ig(滿偏)，其值以式Ig=U0／(Rl+Rg)計(jì)算，然后合上開關(guān)K(注：在合上開關(guān)前，RN阻值盡量取小一些)，調(diào)理電阻箱R使其阻值為原阻值Rl的一半，記為R2，即R2=R1／2，再調(diào)理RN，使表頭的電流指示仍為滿偏I(xiàn)g，并保持電源電壓為U0不變，此時(shí)Ig與電源電壓，可變電阻的關(guān)系為

Ig=U0/（R2+Rg//RN）·RN/(Rg+RN)

解聯(lián)列方程()與()可得表頭內(nèi)阻Rg為Rg=RN三、直流電流表的的基本原理

1。單量程電流表

一個(gè)磁電式表頭就是一個(gè)電流表，只不過它的量程為Ig(一般為幾微安一幾十微安)，若要測較大的電流時(shí)，根據(jù)并聯(lián)電阻可以分流的原理，在表頭兩端并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值、適當(dāng)功耗的電阻即可，如圖1．1．7所示。其中RS稱為分流電阻，阻值的大小可用下式計(jì)算．RS=Rg／(n一1)(1—1—14)

式中，n=I／Ig，稱為分流系數(shù)，它表示表頭量程擴(kuò)大的倍數(shù)。當(dāng)RS為定值時(shí)，被測電流I與流過表頭的電流的大小成一定的比例關(guān)系，因此表頭指針的偏轉(zhuǎn)角可以反映被測電流的大小。RS的功耗可用式(1—1—15)計(jì)算PS=IS2·RS(2—1—15)

式中IS為流過分流電阻的電流，由于IS一般都大于Ig，所以RS的功耗計(jì)算常用下式PS=I2·RS

在選擇電阻時(shí)考慮留有一定的余量，RS應(yīng)選功耗大于或等于1．2Ps的電阻。

2。多量程電流表、

在實(shí)際當(dāng)中，往往把電流表設(shè)計(jì)成多量程的，即在表頭兩端并聯(lián)上不同阻值的電阻，由轉(zhuǎn)換開關(guān)接人電路。從保護(hù)表頭的安全因素出發(fā)，各分流器與表頭接成閉路式的，稱為“環(huán)形分流器〞，電路如圖1．1．8所示。此電流表有三檔量程，分別為Il，I2，I3。量程Il的分流器為R1。I2量程的分流器為Rl+R2。I3量程的分流器為R1+R2+R3。各檔分流器電阻值的計(jì)算方法如下。

圖1．1．8多量程電流表原理圖

(1)首先計(jì)算R1+R2+R3值

令RS=R1+R2+R3，則根據(jù)式(1—1—14)可得RS=Rg／(n3—1)式中n3=I3／Ig

(2)然后計(jì)算R1的值

由于R1（I1—Ig）=Ig·(R2+R3+Rg)又由于R2+R3=RS—R1

所以R1（I1—Ig）=Ig·(RS—R1+Rg)得R1=Ig·(RS+Rg)/I1(3)再計(jì)算R3的值由圖1．1．8可知

（R1+R2）（I2—Ig）=Ig·(R3+Rg)

由于R1+R2=RS—R3

所以（RS—R3）·（I2—Ig）=Ig·(R3+Rg)得R3=RS—(RS+Rg)/n2(4)最終計(jì)算R2的值

由于RS=R1+R2+R3

所以R2=RS—（R1+R3）

四、直流電壓表的基本原理

1．單量程電壓表分壓電阻計(jì)算

用單獨(dú)的一個(gè)磁電式表頭就可測量小于Ug(Ug=Ig·Rg)的直流電壓，若要測較大的電壓根據(jù)串聯(lián)電阻可以分壓的原理，在表頭上串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻即可，如圖1.1．9所示。Rv稱為分壓電阻，阻值大小用下式計(jì)算Rv=(U-IgRg)／Ig(1-1-21)

圖1．1．9單量程直流電壓表原理圖圖1．1．10多量程直96電壓表原理圖

2．多量程電壓表分壓電阻的計(jì)算一個(gè)分壓電阻與表頭串聯(lián)，可以制成一塊單量程的直流電壓表，若多個(gè)分壓電阻與表頭串聯(lián)，就可制成多量程的直流電壓表，電路原理圖如圖1．1．10所示。分壓電阻分別以下式計(jì)算

RV1=（U1—IgRg）/Ig

RV2=（U2—U1）/IgRV3=（U3—U2）/Ig…

RVn=（Un—Un—1）/Ig

3．直流電壓表靈敏度的概念由圖１．1．10可得

Ig＝U1／（Rg＋RV1）＝U２／（Rg＋RV1＋RV2）＝…＝Un／（Rg＋RV1＋…+RVn）1/Ig＝（Rg＋RV1）/U1＝（Rg＋RV1＋RV2）/U２＝…＝（Rg＋RV1＋…+RVn）／Un

式(１-1-22)表示電壓表測量單位電壓所需要的內(nèi)阻值，單位為Ω／V，稱為直流電壓靈敏度，記為Sv—，即Sv—＝1／Ig。若Sv—已知，則電壓表每檔內(nèi)阻R'vn就等于電壓靈敏度乘上該檔量程值。即R'vn=Sv·Un(1—1—23)

直流電壓靈敏度是直流電壓表的重要參數(shù)，它直接反映了所測直流電壓的確鑿程度與電壓表對被

測電路的影響程度。R'vn越大對測量電路影響越小，確鑿度也越高。

五、交流電流表與交流電壓表的基本原理

1．交流電流表

磁電式表頭不能直接用來測量交流電參數(shù)，由于其可動(dòng)部分的慣性較大，跟不上交流電流流過表頭線圈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的變化，因而不能指示交流電的大小。若把交流電轉(zhuǎn)換成單方向的直流電，讓直流電流通過表頭，則表針偏轉(zhuǎn)角的大小就間接反映了交流電的大小。把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷倪^程稱為整流。整流分為兩類，即半波整流和全波整流，電路分別如圖1．1．11，1．1．12所示。

圖1．1．11半波整流式表頭原理圖1．1．12全波整流式表頭原理

二極管是整流電路中的關(guān)鍵器件，其導(dǎo)電特性可用圖1．1．13所示的伏安曲線來表示，從圖中可知，當(dāng)二極管的正極加高電位，負(fù)極加低電位時(shí)，隨所加電壓的增加，流過二極管的電流也逐漸增大，若所加電壓超過LTD(硅管為0．7V,鍺管為0．3V)，則流過二極管的電流將迅速增大。而當(dāng)正極加低電位，負(fù)極加高電位時(shí)，流過二極管的電流幾乎為零(幾十微安數(shù)量級)，若所加電壓超過擊穿電壓值，二極管將擊穿損壞。從以上分析可知，整流二極管具有單向?qū)щ姷奶匦?。假使把正弦交流電信號施于如圖1．1．11所示的電路中，在交流信號的正半周二極管D1導(dǎo)通，D2截止，負(fù)半周D2導(dǎo)通，Dl截止，可見在一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期的電流流過表頭，如圖1．1．14所示。

由于磁電式表頭可動(dòng)部分的的惰性作用，表頭指針只能反映脈動(dòng)電流的平均值