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1、磁电式直流电表的改装,南京理工大学 基础物理实验中心,引言,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，以扩大其量程。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。,实验目的,了解磁电式直流电表的基本结构和使用方法； 学习扩大
2、电流表量程的方法，了解多用表的改装原理； 学习电表的校准方法。,实验原理,1.磁电式直流电表（又称指针偏转式直流电表） (1)表头结构： 永久磁铁的两极连着带圆筒孔腔的极掌。 极掌之间装有圆柱形软铁芯，其作用是 使极掌和铁芯间的空隙中磁场较强，且 使磁力线以圆柱的轴为中心呈均匀辐射 状。在圆柱行铁芯上支撑有一个可在铁 芯和极掌间的空隙处运动的矩形线圈， 其上固定一根指针或光指针。当有电流 流通时，线圈受电磁力矩作用而偏转， 直到跟游丝的反扭力矩平衡而静止不动 。线圈偏转角的大小与所通过的电流成 正比。电流方向不同，偏转方向也不同。,(2)直流电压表和直流电流表： 磁电式直流电表的表头经过改装扩
3、程，可以组成直流电压表和直流电流表，其主要参数如下： （a）量程：改装后的电表常有多个量程，使用时读数共用一个刻度。 （b）内阻：电表两端的电阻。同一电压表的不同量程所对应的内阻是不同的。 （c）电表级别：电表的准确度等级 是用电表基本误差的百分数值表示的。假设电表的准确度等级 及电表的量程 ，则电表的最大允许误差用极限误差 表示：,实验原理,(3)磁电式直流电表的使用方法及注意事项： （a）量程的选择：量程太小，会损坏电表；量程太大，会加大读数误差。 根据电表的准确度等级可求出测量值 的可能的最大相对误差为： 测量值越接近电表的量程，测量误差就越接近电表准确度等级的百分数。当测量值比 选用的
4、电表量程小得多时，测量误差将很大。一般选择测量值为所选量程的2/3. （b）电表连接：电表正负极不得接错；使用电压表时应并联，在使用电流表时应串 联 （c）视差：垂直与刻度表面读数 （d）调零：零点调节螺丝，通电前应检查并调节指针归零 （e）符号：表盘的左右下方通常有表明电表基本结构、级别、安放方式、使用条件 等多种符号，使用前了解清楚。,实验原理,2.测量微安表的内阻 半偏法 电压表法 电流表法 求差法 有效替代法 电桥法,实验原理,2.测量微安表的内阻 半偏分流法：先断开开关 ,接通开关 ,并调节电位器 使微安表达到满量程（或某个较大值）；再接通开关 ，使电阻箱与微安表并联，并调节电阻箱值
5、 ，直到微安表的示值为满量程的1/2,如果电路中的电阻满足 ,则可认为电路电流与接通开关之前近似相等，则有 。测量值比真值偏小。,实验原理,2.测量微安表的内阻 替代法：先将开关K2接到a点，再接通开关K1，调节分压器R1，在被测表不超过满量程的条件下，使检测表达到某个较大的示值I，然后保持分压器的输出电压不变，然后保持分压器的输出电压不变，将K2改接到开关b点，以电阻箱代表被测表，并调节R0，使检测表示值仍为I，此时的R0就是被测表的内阻。,实验原理,3.磁电式直流电表的改装 (1)将微安表扩程改装为直流电流表 表头并联电阻R即可扩大表头的电流量程。设扩展的电流量程为I，则R 的阻值应为:,
6、实验原理,在微安表上并联不同阻值的分流电阻，可制成多量程的安培表。同理得：,实验原理,多量程电流表并联分流电阻的方式（量程转换方式）通常也有两种：开路转换和闭路转换，通常用后者。图中转换开关K（一般采用波段开关）,实验原理,（2）将微安表改装为直流电压表,实验原理,实验原理,（3）电表的校准 校准的必要性 校准定义：使被校电表与标准电表同时测量一定的电流（或电压），看其指示值与相应的标准值（从标准电表读出）相符的程度。 校准的手段：求出改装表的精确等级、校准曲线。 校准的结果得到电表各个刻度的绝对误差。选取其中最大的绝对误差除以量程，即得该电表的标称误差，即 根据标称误差的大小，将电表分为不同
7、的等级，常记为K。例如,若0.5%标称误差1.0%，则该电表的等级为1.0级。,实验原理,校准曲线：即以被校电表的指示值为横坐标，以校正值（校正值等于标准电表的指示值与被校表相应的指示值的差值）为纵坐标，两个校正点之间用直线段连接，根据校正数据作出呈折线状的校正曲线（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。,实验原理,实验内容,1.把量程为 （内阻约为 ）的表头改装为量程为 的直流电流表。 （1）测量微安表的内阻。按照图2和图3连接电路，分别用半偏法和替代法测量微安表的内阻 ; （2）将 代入式（1）计算分流电阻 ; （3）对改装的电表进行校准。按照图8连接电
8、路，图中用电阻箱代替 ，电源为 ,用 和 分别作为粗调、细调的滑线变阻器（或电位器），并以数字万用表的直流电流量程作为标准表进行校准;,（4）校准电表零点。用表头零点调节螺丝，将指针调到零。 （5）校准满度。合上开关，调节变阻器 和 ，使标准毫安表达到 1mA ，并检查被改装的电流表是否也是1mA.若后者没有达到1mA ，就要改变 ，反复调节，使被改装表头和标准表头均达到1mA。 （6）校准电表线性：调节变阻器 ，先使被改装电流的电流等量减少 ，同时记下标准毫安表的示值，直至 ；再使被改装电流的电流等量增加 ，同时记下标准毫安表的示值，直至 。将两次校准结果取平均。,实验内容,2.把量程为 （
9、内阻约为 ）的表头改装为量程为 的直流电压表。 将代入式（2）计算扩程电阻 。按照图9连接电路，图中 用电阻箱代替，电源为 . 参考前述改装电流表的实验步骤，对改装的直流电压表进行校准（以数字万用表作为校准表），作校准曲线，并定出改装后电表的等级。,实验内容,3.组装多量程的直流电流表和直流电压表。 （1）用上述微安表 改装成 直流电流表 。 （2）用上述微安表 改装成 直流电压表 。 4.数据处理 （1）作组装直流电流表的校准曲线，并定出改装后电表的等级 （2）作组装直流电压表的校准曲线，并定出改装后电表的等级,实验内容,补充：改装毫安表为欧姆表,1、改装原理 根据调零方式的不同，可分为串联
10、分压式和并联分流式两种。其原理电路如图所示。 图中E为电源，R3为限流电阻，RW为调“零”电位器，Rx为被测电阻，Rg为等效表头内阻。图 (b)中，RG与RW一起组成分流电阻。 欧姆表使用前先要调“零”点，即a、b两点短路，(相当于RX=0)，调节RW的阻值，使表头指针正好偏转到满度。可见，欧姆表的零点是就在表头标度尺的满刻度(即量限)处，与电流表和电压表的零点正好相反。,在图 (a)中，当a、b端接入被测电阻Rx后，电路中的电流为 对于给定的表头和线路来说，Rg、RW、R3都是常量。由此可见，当电源端电压E保持不变时，被测电阻和电流值有一一对应的关系。即接入不同的电阻，表头就会有不同的偏转读
11、数，Rx越大，电流I越小。短路a、b两端，即Rx=0时 这时指针满偏 当Rx=Rg+RW+R3时 这时指针在表头的中间位置，对应的阻值为中值电阻，显然 R中= Rg+RW+R3。 当Rx=(相当于a、b开路)时，I=0，即指针在表头的机械零位。,补充：改装毫安表为欧姆表,2 、刻度特点 (1) 左大右小,左密右疏 根据以上原理,知道I 和R x 是反比例型函数关 系,电流满偏I = Ig 的位置正好是待测电阻Rx = 0 的位置,此时两表笔短接(电阻调零) . 电流I = 0 的位置正好是Rx 趋于无穷大的位置,此时两表笔断开.所以刻度数值呈“左大右小”的特点. 欧姆表是很特殊的,刻度是不均匀
12、的. 由Rx =E/I-( Rg + r + R0 ) 可知, 如果纵轴的间隔是均匀的,对应的横轴的间隔是不均匀的,“电流刻度”从左向右逐渐增大,改装后的“电阻的刻度”从右向左逐渐增大,呈“左密右疏”的特点. (2) 内阻等于刻度盘中央电阻 当待测电阻为零的时候, I = E( Rg + r + R0 ) = Ig , 如果Rx = Rg + r + R0 ,则I = E2 ( Rg + r + R0 ) = Ig / 2 ,可见当表针指在中央刻度时,待测电阻等于电表内阻,换句话说,电表内阻正好等于刻度盘的中央阻值.,补充：改装毫安表为欧姆表,3、电路特点 (1) 内部有电源 电流表和电压表内
13、部都没有电源,欧姆表例外,内部必须有电源, 才能借助电流测定待测电阻的阻值. (2) 红正黑负,红进黑出 “+ ”插孔接红表笔,“ - ”插孔接黑表笔,这是一种约定. 电流从黑表笔流出,从红表笔流入.,补充：改装毫安表为欧姆表,仪器注意事项,（一）、直流稳压电源 直流稳压电源是将交流电压转变为稳定的直流电源输出使用的电能供给设备。 直流稳压电源的使用： 开机：先将电压调节旋钮旋转到最小位置（一般是逆时针旋转为减小），再将稳流旋钮旋转到最小位置。 将直流稳压电源的电源线插头接到交流电插座上，打开直流稳压电源的开关。 调压；旋转稳流旋钮对稳流数值作适当的调节。 旋转稳压旋钮根据需要调节电压，电压值
14、一般不要太大。 关机：做完实验后先将全部的稳压、稳流旋钮旋转到最小位置，再关闭稳压电源开关，最后再拆连接电路所用的导线。 注意：稳压电源的开关不能作为电路开关随意开关。,（二）、电阻箱： 电阻箱是一个可以调节并能读出阻值大小的电阻。 电阻箱的使用： 接线：一根导线连接在0接线柱，另一根导线连接在哪个接线柱需要根据电阻阻值决定。（连接到0.9接线柱上时最大可用电阻为0.9，连接到9.9接线柱上时最大可用电阻为9.9，连接到99999.9接线柱上时最大可用电阻为99999.9） 调阻值：电阻箱最终所示的阻值是每个旋钮上的数字与它下面所对应的倍率的乘积之和。 注意： 不同的挡位容许通过的电流不同，使
15、用时必须注意电路中电流的大小以免烧坏电阻。 换电阻值时应当将电路断开，以免出现零电阻等能够烧坏点路中其他仪器的现象。,仪器注意事项,（四）、直流电表（电流表、电压表）： 直流电表（电流表、电压表）是用来测量电路中电流、电压大小的电学仪器。准确度等级数字大的，准确程度低。 直流电表（电流表、电压表）的使用： 接线：电流表是串联在电路中的，接线时应注意电流表正、负极的接法，应是电流从电流表的正极端流入，从负极端流出。 电压表是并联在电路中的，接线时应注意电流表正、负极的接法，应将电压表的正极端接在电位高的一端，负极端接在电位低的一端。 注意： 电表使用前应先进行调零工作。 使用时应注意电表的量程，
16、不要使测量值超过量程，否则容易将电表烧坏。对于我们实验室中所用的多量程电表，使用时应先放在最大量程处进行粗测，根据粗测结果选择能使电表指针有较大幅度偏转的量程使用，以减小误差。 移动电表时应轻拿轻放。,仪器注意事项,（三）、滑线变阻器 滑线变阻器的使用： 接线：滑线变阻器的接法分为分压接法、限流接法。 分压接法是将滑线变阻器的两个固定端接线柱与电源的两极相联，通过滑动头与任意固定端引出线接到分支电路中，移动滑动头的位置来控制分支电路电压的大小； 限流接法是将滑线变阻器的一个固定端接线柱和滑动头的接线柱串联在电路中。 注意： 接通电路之前，将滑动头移动到使电路中电流、电压较小值的位置。（一般在限流接法中应放在使接入电路中电阻最大的位置，分压接法中应放在分出电压最小的位置）以保护电路中易损的电流表、电压表。 注意滑线变阻器最大允许通过的电流值。实
