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

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(qǐng)同學(xué)們自行查閱資料完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告?！緦?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(huì)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(wàn)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(wàn)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】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(shí)，表頭與分流器并聯(lián)，被測(cè)電流的一部分流過(guò)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(kuò)程方法頭和分流器組成的整體就可量度較大的電流。最簡(jiǎn)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(gè)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(lái)，構(gòu)成了一量限為Ig、等效內(nèi)阻為rg的表頭（本實(shí)驗(yàn)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(jì)算公式為：R1Igrg（4-1）I1Ig如果要將微安表改裝成有m個(gè)量程（分別為I1，I2，?）的電流表，則分流器中應(yīng)有m個(gè)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(jì)算出各個(gè)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(shí)， 表頭與分壓器串聯(lián)， 被測(cè)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(jiǎn)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(gè)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(jì)算公式為：R2U1rg（4-2）Ig如果要將微安表改裝成有n個(gè)量程（分別為U1，U2，?）的電壓表，則分壓器中應(yīng)有n個(gè)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(jì)算出各個(gè)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(cè)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(lái)，就可構(gòu)成一個(gè)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)rgrER3，當(dāng)歐姆表的a、b兩端接入待測(cè)電阻Rx時(shí)，電路中的電流為E（4-3）IR內(nèi)Rx當(dāng)E和R內(nèi)一定時(shí)，由（4-3）式可知，電表讀數(shù)I與Rx之間有一一對(duì)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(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）當(dāng)R0時(shí)（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(shí)有以下關(guān)系：即R內(nèi)E（4-4）Ig這時(shí)，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(shí)，可調(diào)節(jié)R3使（4-4）式仍然成立，即當(dāng)a、b短接時(shí)，仍能保證指針剛好指在零歐姆位置。（2）當(dāng)Rx時(shí)（即a、b之間開(kāi)路），回路電流為零，這時(shí)指針指在表頭的零刻度位置上，這個(gè)位置可定為歐姆表的無(wú)窮大值刻度。由此可見(jiàn)，相對(duì)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)Rx R內(nèi)時(shí)，根據(jù)（4-3）、（4-4）式有EIgI（4-5）2R內(nèi)2這時(shí)，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(chēng)為中值電阻R中，顯然，R中有以下關(guān)系：R中E（4-6）R內(nèi)Ig由（4-6）式可見(jiàn)，中值電阻的大小是取決于電源電動(dòng)勢(shì)E和表頭量限Ig的。選用不同的E和Ig時(shí)，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(gè)多量程的歐姆表，以用來(lái)測(cè)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(diǎn)需要注意：①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(shí)，標(biāo)度尺刻度越來(lái)越密，讀數(shù)誤差越大，而當(dāng)RxR中時(shí)，指針接近滿刻度，I隨Rx的變化不明顯，因而測(cè)量誤差也很大， 只有當(dāng)Rx在0.1R中~10R中范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)量才比較準(zhǔn)確，因此，應(yīng)根據(jù)待測(cè)電阻的大小選擇合適的檔來(lái)測(cè)量；②在設(shè)計(jì)歐姆表的“1”檔、“10”檔、“100”檔時(shí)，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(gè)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(dòng)勢(shì)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(jì)算出表頭擴(kuò)程后電路中的總E1.5V1mA，再根據(jù)圖4-4所示的電路計(jì)算出需并聯(lián)的電阻的大小。電流為I1.5KR中改裝表的校準(zhǔn)在改裝電表的工作完成后，還需要對(duì)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(guò)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(guò)程。例如，校準(zhǔn)電流表的辦法是：將改裝表與一個(gè)用作標(biāo)準(zhǔn)的電流表串聯(lián)起來(lái)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(guò)改裝表的量程)，當(dāng)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(shí)，讀出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)曲線，如圖4-5所示。圖4-5改裝電流表的校準(zhǔn)曲線這里應(yīng)注意三點(diǎn)：①當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表的示數(shù)正好為待校準(zhǔn)量程的量限時(shí)，改裝表應(yīng)正好滿偏；②校準(zhǔn)時(shí)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)；③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 Im），可計(jì)算出改裝表的準(zhǔn)確度等級(jí) a(參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)三)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】1．設(shè)計(jì)一個(gè)單量程直流電流表要求將一個(gè)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(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(shuō)明所需儀器、實(shí)驗(yàn)步驟。3．設(shè)計(jì)一個(gè)單量程直流電壓表要求將一個(gè)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(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5．進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前必須完成 1~4

2）項(xiàng)，寫(xiě)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(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)5mA同時(shí)滿足，記下此時(shí)的電阻箱讀數(shù)R。隨后校準(zhǔn)刻度，在被校準(zhǔn)的刻度盤(pán)上，均勻選取11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)（包括零點(diǎn)，其示數(shù)為Ix），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，再由大到小重復(fù)一遍，記下標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)曲線，并計(jì)算改裝表的準(zhǔn)確度等級(jí)a。2實(shí)驗(yàn)提示：以改裝電流為例。表頭內(nèi)阻rg=，準(zhǔn)確度等級(jí)a=級(jí)，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(shí)滿足表頭滿偏和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)對(duì)應(yīng)5mA）。標(biāo)準(zhǔn)表型號(hào)，檔位，準(zhǔn)確度。5mA電流表校準(zhǔn)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(xiàng)】測(cè)量表頭內(nèi)阻時(shí)，通過(guò)表頭的電流值不得超過(guò)表頭的量限，更不允許電流反向。注意使用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表電壓、電流功能時(shí)正確選擇接線端口。實(shí)驗(yàn)電壓應(yīng)從零緩慢升起。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(jí)別要比被校表高2級(jí)以上。例如被校表為1.5級(jí)，則應(yīng)選0.5級(jí)以上的電表作為標(biāo)準(zhǔn)表?！舅伎紗?wèn)題】校正電流表時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)改裝表的讀數(shù)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)都偏高，試問(wèn)要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)值，此時(shí)改裝表的分流電阻應(yīng)調(diào)大還是調(diào)小？為什么？校正電壓