电表改装和万用表设计

电表改装和万用表设计

电流计表头一般只能测量很小的电流，若要用它来测量较大的电流和电压，就必须进行改装来扩大量程 , 各种多量程表（多用途万用表）就是用这种方法制作的 . 万用表是一种基本的电学仪表，它测量范围广，构造简单，使用方便，是电磁学工作者的必备工具 . 本实验要求同学先掌握有关的知识，然后设计并组装一只简易万用表 . 

电表改装与校正
　　电学实验中经常要用电表（电压表和电流表）进行测量，常用的直流电流表和直流电压表都有一个共同的部分，常称为表头 . 表头通常是一只磁电式微安表，它只允许通过微安级的电流，一般只能测量很小的电流和电压 . 如果要用它来测量较大的电流或电压，就必须进行改装，扩大其量程 . 经过改装后的微安表具有测量较大电流、电压和电阻等多种用途 . 若在表中配以整流电路将交流变为直流，则它还可以测量交流电的有关参量 . 我们日常接触到的各种电表几乎都是经过改装的，因此学习改装和校准电表在电学实验部分是非常重要的 .
【预习要求】
　　１．掌握滑线变阻器的分压与限流的接线方法，如何解决粗细程度的调节 .

　　２．熟悉测量表头内阻时应注意哪些事项 .

　　３．掌握电表扩大量程的方法和条件 . 
【实验目的】
 
　　1 ．学会将微安表扩大量程以及改装为伏特表的原理和方法 .

　　2 ．学会测量微安表表头满偏电流和内阻原理与方法 .

　　3 ．熟悉和掌握滑线变阻器的各种用法 .

　　４．初步使用万用电表检查电路故障 .
 
【实验仪器】
 
　　　　微安表，标准电流表，标准电压表（所谓标准电表是其准确度等级比所给表头高两级的表），直流稳压电源，滑线变阻器，电阻箱，单刀双掷开关，干电池，导线
 
【实验原理】
 
　一、电表的改装

　　1 . 表头内阻的测量

　 表头线圈的电阻 R g 称为表头内阻.它的测定方法很多，这里介绍一种替代法，测量线路如图 35-1 所示 . 将 K 2 置于 2 处，调节 R 0 使表 A 0 在一较大示值处（同时注意表 A 的指针不要超过量程）；将 K 2 置于 1 处，保持 R 0 不变，调节 R n 使表 A 0 指在原来位置上，则有 R n =R g . 
 

　　2. 将表头改装为安培计

　　用于改装的微安表称为“表头” . 使表针偏转到满刻度所需要的电流 I g 称为量程 . 表头的满度电流很小，只适用于测量微安级或毫安级的电流，若要测量较大的电流，就需要扩大电表的电流量程 . 方法是：在表头两端并联电阻 R p ，使超过表头能承受的那部分电流从 R p 流过 . 由表头和 R p 组成的整体就是安培计， R p 称为分流电阻. 选用不同大小的 R P ，可以得到不同量程的安培计 .

　　如图 35-2 所示，当表头满度时，通过安培计的总电流为 I ，通过表头的电流为 I g ，

因为

故得 （ 35-1 ）

　　表头的规格 I g 、 R g 事先测出 ，根据需要的安培计量程，由式（ 35-1 ）就可以算出应并联的电阻值 . 通常，由于安培计的量程 I 远远大于表头的量程 I g ，并联电阻 R p 远远小于表头内阻 R g .

3. 将表头改装为伏特计

　　表头的满度电压也很小，一般为零点几伏 . 为了测量较大的电压，在表头上串联电阻 R s ，如图 35-3 所示，使超过表头所能承受的那部分电压降落在电阻 R s 上 . 表头和串联电阻 R s 组成的整体就是伏特计，串联的电阻 R s 称为扩程电阻 . 选用大小不同的 R s ，就可以得到不同量程的伏特计 .

因为

可得 （ 35-2 ）

　　表头的 I g 、 R g 事先测出，根据需要的伏特计量程，由（ 35-2 ）式就可以算出应串联的电阻值 . 一般地，由于伏特计的量程 U 远大于表头的量程 U g ，串联电阻 R S 会远大于表头内阻 R g .

当总电压不变时，若回路之总电阻增加一倍则电流减为一半 . 根据这个简单原理，就可以用表头制作一只欧姆表 . 如图 35 — 4 所示：

　1. 将欧姆表两测笔正（ A 红表笔）、负（ B黑表笔）短接，调节限流电阻 使表头指针满度，则此时之总电流 或 . 式中 表示欧姆表的总内阻，即

式中 为表头内阻、 为分流电阻、 为限流电阻、 为电源内阻 . 若在欧姆表两测笔（ A 、 B ）正、负间接上待测电阻 ，此时电流下降为 ，即

当

时， ； 时， ；

时， 时， ；

时， .

　　由此可知，当被测电阻 等于欧姆表的总内阻 时，表头指针在刻度盘的中心位置，故 又叫中心阻值或叫中值电阻 .理论上，任一欧姆表可测任何数值（从 0~ ）的电阻 . 但事实上当 时，其阻值无法精确读出，从而带来很大的读数误差 . 为了得到精确读数，可按 10 进制分挡，分挡后各挡均有自己的总内阻 .

　　对于分挡后仍通用一条欧姆标度尺，这条标度尺的分度值是以 R × 1 挡的中心阻值标定出来的 . 此中心阻值叫姆表的表盘中心标度阻值 . 它与某档的中心阻值的关系是：某档的中心阻值 = 表盘中心标度阻值×该挡倍率 .中心阻值的大小，不仅与表头的灵敏度有关，而且与电源干电池的节数及新旧程度（ E 的大小）有关 .

5 .万用电表简述

　　万用电表是常用的仪表 . 它可以测量交、直流压，交、直流电流，还可测量电阻等 . 它用途广泛，但准确度低 . 当选择开关拨到直流电压挡，就是一个多量程直流伏特表，当选择开关拨到直流电流挡，就是一个多量程安培表，它是将微安表并联不同低电阻值的挡而组成 . 使用时必需串联在电路中，并注意表笔的正负不能接反 . 使用欧姆表，每次测量前先要将表笔 A 和 B 相接（短路），调节“欧姆零点”旋钮（它是一个变阻器）使偏转为满度，即指针指示零欧姆，以保证刻度的正确性 . 而且每次改变量程后都应当重新调节欧姆零点 . 注意：不得用欧姆表测量带电的电阻！

二、电表的校准

　　电表在扩大量程或改装后，还需要进行校准 .校准的目的是：（1）评定该表在扩大量程或改装后是否仍符合原电表准确度的等级；（2）绘制校准曲线，以便于对扩大量程或改装后的电表能准确读数.

所谓准确度的等级是国家对电表规定的质量指标，它以数字形式标明在电表的表盘上 . 如标明为 级（ 为
0.1 ， 0.2 ， 0.5 ， 1 ， 1.5 ， 2.5 ， 5 等七个中的一个），则各点的最大示值误差为 ： ， .

常用的简便的校正方法就是比较法，将待校准表与级别较高的标准表进行比较 .

　（1）对扩大量程后的电流表可用标准电流表进行校准 . 线路如图 35 — 5 所示，校准点应选在扩大量程后的电表的全偏转范围内各个标度值的位置上， 确定各校准点的 值 . 这样不仅可与等级度误差 作比较，以判定各校准点的 是否超过 ，而且可作 曲线供使用时对读数作修正 .

　（2）对改装后的电压表则用标准电压表进行校正 . 线路如图 35 — 6 所示，校正点应选在改装表的所有标度值的位置上，确定各校正点的 值，并可作 曲线 .

　（3）电表的校准

电表的校准结果除用等级表示外，还常用校准曲线表示 . 即以被校电表的指示值

　　I xi 为横坐标，以校正值 Δ I i （ Δ I i 等于标准电表的指示值 I si 与被校表相应的指示值 I xi 的差值，即 Δ I i = I si - I xi ）为纵坐标，如图 35—7 所示，注意两个校准点之间用直线段连接，根据校准数据作出呈折线状的校淮曲线（不能画成光滑曲线） . 在以后使用这个电表时，根据校准曲线可以修正电表的读数 .

　（4）定改装后的毫安表及伏特表的误差和级别

　　取 = ；选取各绝对误差的最大值得 δ I max .所以，扩大量程后的毫安表的级别为

　　同理，改装后的伏特表的级别为

【预习要求】
　　１．掌握滑 线变阻器的分压与限流的接线方法，如何解决粗细程度的调节 .

　　２．熟悉测量表头内阻时应注意哪些事项 .

　　３．掌握电表扩大量程的方法和条件 . 
【实验目的】
 
　　1 ．学会将微安表扩大量程以及改装为伏特表的原理和方法 .

　　2 ．学会测量微安表表头满偏电流和内阻原理与方法 .

　　3 ．熟悉和掌握滑线变阻器的各种用法 .

　　４．初步使用万用电表检查电路故障 .
 
【实验仪器】
 
　　微安表，标准电流表，标准电压表（所谓标准电表是其准确度等级比所给表头高两级的表），直流稳压电源，滑线变阻器，电阻箱，单刀双掷开关，干电池，导线
 
【实验原理】
 
一、电表的改装

　　1 . 表头内阻的测量

　　表头线圈的电阻 R g 称为表头内阻.它的测定方法很多，这里介绍一种替代法，测量线路如图 35-1 所示 . 将 K 2 置于 2 处，调节 R 0 使表 A 0 在一较大示值处（同时注意表 A 的指针不要超过量程）；将 K 2 置于 1 处，保持 R 0 不变，调节 R n 使表 A 0 指在原来位置上，则有 R n =R g . 
 

　　2. 将表头改装为安培计

　　用于改装的微安表称为“表头” . 使表针偏转到满刻度所需要的电流 I g 称为量程 . 表头的满度电流很小，只适用于测量微安级或毫安级的电流，若要测量较大的电流，就需要扩大电表的电流量程 . 方法是：在表头两端并联电阻 R p ，使超过表头能承受的那部分电流从 R p 流过 . 由表头和 R p 组成的整体就是安培计， R p 称为分流电阻 . 选用不同大小的 R P ，可以得到不同量程的安培计 .
　　 如图 35-2 所示，当表头满度时，通过安培计的总电流为 I ，通过表头的电流为 I g ，

因为

故得 （ 35-1 ） 表头的规格 I g 、 R g 事先测出 ，根据需要的安培计量程，由式（ 35-1 ）就可以算出应并联的电阻值 . 通常，由于安培计的量程 I 远远大于表头的量程 I g ，并联电阻 R p 远远小于表头内阻 R g .

3. 将表头改装为伏特计

　　表头的满度电压也很小，一般为零点几伏 . 为了测量较大的电压，在表头上串联电阻 R s ，如图 35-3 所示，使超过表头所能承受的那部分电压降落在电阻 R s 上 . 表头和串联电阻 R s 组成的整体就是伏特计，串联的电阻 R s 称为扩程电阻 . 选用大小不同的 R s ，就可以得到不同量程的伏特计 .

因为

可得 （ 35-2 ）

　　表头的 I g 、 R g 事先测出，根据需要的伏特计量程，由（ 35-2 ）式就可以算出应串联的电阻值 . 一般地，由于伏特计的量程 U 远大于表头的量程 U g ，串联电阻 R S 会远大于表头内阻 R g .

【实验要求】
 
　　1 ．测量表头的内阻

　　2 ．将量程为 100 μ A 的表头扩程为 1 mA ， 10 mA

　　3 ．将表头改装为 0-3V 、 0-10V 的电压表

　　4. 欧姆表的改装和标定表面刻度

　　5. 使用万用电表检查电路故障
 
【注意事项】 
　　1 ．接通电源前，应检查滑线变阻器的滑键是否在安全位置，接分压器线路和使用分压器时，注意接线方法和开始使用时的规则 .

　　2 ．对限流线路的电阻箱及滑动电阻的阻值选择，应开始从大阻值逐渐减小 . 防止电阻值从 9 到 0 的突然减小 .

　　3 ．记录时注意有效数字位数 .
 
【思考题】

　　1 ．为什么校准电表时需要把电流（或电压）从小到大做一遍又从大到小做一遍？

　　2 ．校正电流表时，如果发现改装表的读数偏高，应如何调整？

　　3 ．设想电表内阻测量的各种方法？

　　4 ．画出校准曲线有何实际意义？ 

【预习要求】
　　1．按设计要求绘出测定表 头内阻 R s 的电路图， 绘出电流档、电压档、电阻档的电路图，计算并选择元件 .

　　2．画出总电路图，列出所选取元件的名称、型号、规格、数据.（注：在选各电阻及变阻器 R p 时，除考虑其阻值大小外，还要考虑它们的误差范围，以免影响电表的精确度 . 考虑到多量程电表的累积误差，各电阻的精确度等级应不大于 1 ％ ）

　　3．画出校准的电路图，简述校准程序.
 
【实验目的】
 
　　1．巩固电学实验和电路计算的基本知识.

　　2．培养和提高学生的实验设计和动手能力.

　　3．掌握万用电表的基本原理和设计方法 .

　　4．学习万用电表的组装与定标 .
 
【 实验要求】
 
　　1 ．要求将一微安表头设计、安装成如下规格的万用表：

　　　　 直流电流—— 10mA, 50mA　　　　　　直流电压—— 3V ，

10V交流电压—— 10V ， 50V　　　　　欧姆——

2 ．校准各档，作出各挡的校准曲线，定出准确度等级 .
 
【实验原理仪器】
 
　　　请自行提出所需仪器及元件的规格 .
 
【实验提示】
 
　　电流表、电压表、欧姆表的各自组成和工作原理大家已熟知，把三者的线路有序地结合在一起，加一个转换开关，用同一个表头指示，就组装成了一只简易万用表 .

1.设计　1).先测定表头内阻 ，按已做过的实验（多种方法），确定一个方案，画出电路图 .
　　 (2).设计电流挡，计算并选择元件.参考电路示图35—8.

　　(3).设计电压挡，计算并选择元件.参考电路示图35—9.

(4).设计电阻挡，计算并选择元件.参考电路示图35—10.（图中， R 0 为保护电阻， R P 为调零可变电阻 .二者的选择要根据实际使用中 电源 的电压降范围及 I g 、 R g 选取 .）

2．组装

　　（ 1）按电路图的所选元件组装万用表，并进行统调.对不合适的元件可以经过统调更换.

　　（ 2）用白纸画出各量程刻度表，（电阻挡的刻度可用一电阻箱逐一定标）.并用胶带把刻度表贴在指针下的原表盘上.

3．校准

　　列表画出各量程的校正 曲线 .