大学物理实验多用电表的设计与校准实验总结

1 / 29 大学物理实验多用电表的设计与校准实验总结 大学物理实验教案 实验名称：电表的改装与校准 实验目的： 1、掌握测定微安表量程和内阻方法 2、熟悉电流表、电压表的构造原理，学会改装电流表、电压表的基本方法。 3、掌握校准电流表、电压表的基本方法。 4、将 50A 的表头改装成 5mA、 50mA、 5V 和 30V 电流电压两用表。 实验仪器： 表头 电流表 直流稳压电源 电压表 电阻箱 实验原理： 2 / 29 1、 表头的主要参数 (量程和内阻 )的测定 测量内阻 Rg的方法很多，本实验采用替代法。如图 1 所示。当被改电流计 (表头 )接在电路中时，选择适当的电压 E 和 RW值使表头满偏，记下此时标准电流表的读数 Ia；不改变电压E 和 RW 的值，用电阻箱 R13 替代被测电流计，调节电阻箱R13的阻值使标准电流表的读数仍为 Ia，此时电阻箱的阻值即为被测电流计的内阻 Rg。 W 图 1 2、 毫安表改装成电流表 微安表并联分流电阻 Rp，使被测电流大部分从分流电阻流过，表头仍保持原来允许通过的最大电流 Ig。 并联分流电阻大小 R?IgR pg I?Ig 3 / 29 图 2 电流表改装 3、毫安表改装成电压表 微安表串联分压电阻 Rs，使大部分电压降落在串联的分压电阻上，而微安表上的电压降仍不超过原来的电压量程 IgRg。 串联分压电阻大小 Rs? U?Ug Ig ?U ?RgIg 图 3 电压表改装 4、电表标称误差和校正 4 / 29 使被校电表与标准电表同时测量一定的电流，看其指示值与相应的标准值相符的程度。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。 最大绝对误差 标定误差 ?100% 量程 图 5 图 4 RR 图 6 实验内容 5 / 29 1、表头的主要参数 (Rg,Ig)的测定。 将电源电压 E 调低， RW 调至最大，按图连线，调节 E 和RW使表头满偏，记下此时标准电流表的读数，即为表头的满度电流 Ig，然后断开接在表头上的连线，转接到电阻箱 R13上，调节 R13使得标准电流表的读数仍为刚才记录电流值 Ig，此时电阻箱 R13等于表头的内阻 Rg。重复测量 5次。 2、计算出改装表的电阻值。 3、按照图 6 接好线路。 4、按图 4校准 5mA档。 5、按图 5校准 5V档。 实验数据处理 1. 5mA 电流表校正数据记录 改装电流表的标称误差 = 2. 5V电压表校正数据记录 改装电压表的标称误差 = 实 验 报 告 6 / 29 【实验目的】 1、 掌握电流表和电压表的改装方法。 2、 学会校准电流表和电压表。 3、学习欧姆表的设计与制作。 【实验仪器】 DH4508 型电表改装与校准试验仪、 ZX21 电阻箱 【实验原理】 图 1 电流表改装 1、 微安表改装成电流表 微安表并联分流电 阻 Rp，使被测电流大部分从分流电阻流过，表头仍保持原来允许通过的最大电流 Ig 。 并联分流电阻大小 2 微安表串联分压电阻 Rs，使大部分7 / 29 电压降落在串联的分压 电阻上， 而微安表上的电压降仍不超过原来的电压量程IgRg。 串联分压电阻大小图 2电压表改装 3、 使被校电表与标准电表同时测量一定的电流，看其指示值与相应的标准值相符的程度。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。 标定误差 ? 最大绝对误差 量程 ?100% 【实验内容】 8 / 29 1、将量程为 100A 的电流计扩程为 5mA 电流表 记录电流计参数，计算分流电阻阻值，数据填入表 1 中。用电阻箱作 RP，与待改装的电流计并联构成量程为 5mA 的电流表。 连接电路，校正扩大量程 后的电流表。应先调准零点，再校准量程 (满刻度点 )，然后校正标有标度值的点。 校准量程时，若实际量程与设计量程有差异，可稍调 RP。 校正电流表的电路 校正刻度时，使电流单调 上升和单调下降各一次，将标准表两次读数的平均值作为 IS，计算各校正点校正值。 以被校表的指示值 Ixi为横坐标，以校正值 Ii 为纵坐标，在坐标纸上作出校正曲线。数据填入表 2 中。 求出改装电流表的标称误差。 3、将量程为 100A 的电流计改装为量程 1V的电压表 计算扩程电阻的阻值数据填入表 3中。 校正电压表。与校准电流表的方法相似。数据填入表 4中。 9 / 29 【数据记录】 表 1 电流表改装与校正仪器参数 表 2 电流表校正数据记录 (mA)： 表 3 电压表改装与校准仪器参数 表 4 电压表校正数据记录： 【数据处理】 分别作出电流表和电压表的校正曲线。此后应用改装表进行测量时，根据校正曲线对测量的数值加以修 正，以得到准确的测量值。 改装电流表的标称误差 = ?100%?2% 改装电压表的标称误差 = 10 / 29 ?100%?9% xi 【问题讨论】 1、标称误差的意义是什么？电表的校准有什么用途？ 校准曲线 答：标称误差指的是电表的读数与准确值的差异，包括电表在构造上各种不完善因素引入的误差。为了确定标称误差，用改装电表和一个标准电表同时测量一定的电流或电压，从而 得到一系列的对应值，这一工作称为电表的校准。电表校准的目的：一是要评定该表在改装后是否仍符合原表头准确度的等级；二是要绘制校准曲线，以便对改装后的电表能准确读数。 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，定义为该电表的标称误差。根据标定11 / 29 误差的大小，即可定出被校电表的准确度等级。如标定误差在 %至 %之间，则该表就定为级。 通过校准，测量出电表各个指示值 Ix 和标准电表对应的指示值 Is，从而得到电表刻度的修正值。作出校准曲线IiIxi ， UiUxi 。根据校准曲线可以修正电表的读数。 2、 在校正电流表和电压表时发现改装表与标准表读数相比各点均偏高，是什么原因？应如何调节分流电阻 RP 和分压电阻 RS? 答：改装电流表读数比标准表偏高，说明分流电阻 RP 不够小，应减小分流电阻 RP； 改装电压表读数比标准表偏高，说明分压电阻 Rs 不够大，应增大分压电阻 Rs。 3、如何用微安表改装欧姆表？ 答：以串联分压式为例，其原理电路如 图所示。 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。 RG与 RW一起组成分流电阻。 12 / 29 欧姆表使用前先要调 “ 零 ” 点，即 a、 b两点短路，调节 RW的阻值，使表头指针正好偏转到满度。即：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。 当 a、 b端接入被测电阻 Rx后，电路中的电流为 I? E Rg?RW?R3?Rx 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数， Rx越大，电流 I 越小。短路 a、 b 两端，即 Rx=0 时， I? ERg?RW?R3 ?Ig，这时指针满偏。 当 Rx=Rg+RW+R3 时， I?电阻，显然 R 中 = Rg+RW+R3。 13 / 29 E Rg?RW?R3?RX ? 12 Ig，这时指针在表头的中间位置，对应的阻值为中值 当 Rx= 时， I=0，即指针在表头的机械零位。 所以欧姆表的标度尺为反向刻度，且刻度是不均匀的，电阻R 越大，刻度间隔愈密。如果表头的标度尺预先按已知电阻值刻度，就可以用电流表来直接测量电阻了。 多用电表的改装与调试 【实验目的】 1、学习替代法测量微安表的内阻。 14 / 29 2、学习将微安表改装成较大量程电流表和电压表的原理和方法。 3、熟悉电流表、电压表的构造原理，学会改装并校准电流表、电压表的原理和方法。 【实验仪器】 直流稳压电压，交流电源，数字多用表 ，干电池 ，六位电阻箱 ，滑线变阻器，标准直流电流表，标准直流电压表，A 表头 【实验原理】 1表头的主要参数的测定 表头的主要参数：量程和内阻。量程是指针偏转满刻度时可测的最大电流值 Ig，也称表头的满偏电流。表头的内阻 Rg是偏转线圈的直流电阻。电表的内阻是电表两端的电阻。 替代法：测量电路如 1-b 所示，将 K2置于 1 处，调节 RW使表头满偏，记下此时标准表的读数 Ig；将 K2 置于 2 处，调15 / 29 节 R2 使标准表的读数仍为 Ig，则 Rg?R2。替代法是一种运用很广的测量方法，具有较高的测量准确度。 (一 )改装微安表为电流表 用来改装的微安表习惯上称为 “ 表头 ”. 表头有两个重要的参量：一个是满偏电流 Ig(又称为测量范围上限，当测量范围下限为零时，它就等于量程 )；另一个是内阻 Rg.将表头改装为大量程的电流表时，应并联一个分流电阻 Rs，使大部分电流从 Rs 流过，而同时仍满足流经表头的满偏电流为 Ig，如图 6-1 所示 .设改装后的电流表的量程为 I，根据欧姆定律得 (I?Ig)?Rs?Ig?Rg，得 Rs? Ig?Rg(I?Ig) 设 I?nIg，则 16 / 29 Rs? Ig?RgnIg?Ig ? Rgn?1 表头的内阻 Rg由实验室给出，按照所需电流表的量程 I，由(6-1)式或 (6-2) 式可算出分流 电阻 Rs的阻值 . (二 )改装微安表为电压表 微安表本身只能用来测量很低的电压 (其量程为 IgRg). 为了满足实际测量的需要，可在微安表上串联一个电阻 RH(又称分压电阻 )；使得待测电压大部分降落在串联的电阻 RH上，表头上承担的电压最大值仍然为 IgRg，如图 6-2 所示 .设改17 / 29 装后的电压表量程为 U，由欧姆定律 Ig?(Rg?RH)?U，得 RH? UIg ?Rg (三 )改装微安表为欧姆表 用来测量电阻的电表称为欧姆表，其原理如图 6-3 所示 .图中 E 为干电池的电动势，电阻 R0由可变电阻 Rl和固定电 阻R2 串联组成，固定电阻 R2 中包含了电源的内阻， a、 b 为测量电阻时的接线柱， Rx为待测电阻 . 用欧姆表测电阻时，首先需要调零，即将 a、 b短路 (Rx=0)，调节可变电阻 R1，使表头指针偏转到满刻度，这时电路中的电流即为满偏电流 .由全电路欧姆定律得 18 / 29 Ig? ERg?R0 (6-4) 可见，欧姆表的零分度线是在表头标尺的满刻度处，它正好与电流表的零分度线位置相反 .将 R0 阻值固定， Rg+R0 就是欧姆表的内阻 . 当 a、 b断开时， Rx= ，表头指针不动 . 当 a、 b之间接入电阻 Rx时，电路中的电流 I? ERg?R0?Rx (6-5) 当 Rx改变时， I也随着改变 .可见每 个 Rx值都有 个对应的电流值 I.如果我们在标尺上直接标出与 I 对应的电阻 Rx19 / 29 的值，就制成了欧姆表的标尺 .为此用电阻箱代替 Rx，当Rx=Rg+R0 时，电流为满偏电流的一半，即 I=Ig/2，指针指在表头标尺的中心，习惯上用 Ri 表示 Rg+R0,称之为欧姆表的中值电阻 .从电阻箱上取 Ri/2、 Ri、 2Ri、 3Ri 时，记录相应表头指针的位置，就标出了欧姆表的标尺。 可以证明，欧姆表的误差除了与表头的准确度等级有关外，还与指针的偏转角度有关 .当指针在欧姆表的中值电阻附近时相对误差最小，为了减少误差，欧姆表 般采用多量程挡位，使待测电阻尽可能地接近欧姆表的中值电阻。 由于干电池的电动势和内阻在使用后都会发生变化，欧姆表每次测量前都应调零，即使这样，欧姆表的示值误差也是比较大的，所以一般用欧姆表做快速粗略测量。 (四 )改装表的校准 在规定条件下，将改装后的电表与标准表同时对同一对象(电流或电压 )进行测量，将测量结果相互比较，以确定改装表的示值误差的过程就是校准 .校准时读出改装表的各个示值 Ax，同时读出标准表对应的示值 As,与 Ax 对应的修正值 ?Ax?As?Ax.校准的结果可用校准曲线表示：即以 Ax 为横20 / 29 坐标，以 ?Ax 为纵坐标，标出各个校准点，然后把相邻的两个校准点用直线段连接，就得到了改装表的校准曲线 .如图6-4 所示就是改装电流表的校准曲线 .有了校准曲线，使用改装表时可根据校准曲线修正改装表的读数 .改 装表的修正值为 Ax?Ax.例如图 6-4 中， Ix=时， ?Ix?，改装表的修正值应为 Ix?Ix= 实验时，应使用比原表头准确度等级更高的成品表代替标准表 .当然，经过校准后的改装表测量时仍然存在仪器误差，这个误差 般大于校准时所用的成品表的误差，成品电流表和电压表的误差参见附录 2-7. 【实验内容】 (一 )将表头改装为 10mA量程的电流表并校准 1.根据给定的表头内阻为 Rg ，满偏电流 Ig，由 (6-1)式或(6-2)式算出分流电阻 Rs的值，用电阻箱充当 Rs ,与表头并联成 5mA 的电流表 .并决定此改装表标尺的分度 . 2.按图 6-5接线，将机械调零后的改装表与标准电流表接入电路 . 21 / 29 3.接通电源，调节电路中的电流，使改装表读数从零逐渐增加到满刻度，然后再逐渐减少到零 .同时将改装表和标准表相应的读数 Ix和 Is填入数据表 6-1. 4.以 改装表的读数 Ix为横坐标， ?Ix?Ix?Is 为纵坐标，在坐标纸上作出改装电流表的校准曲线 . (二 )将表头改装为 5V量程的直流电压表并校准 1.根据 (6-3)式计算出串联的分压电阻 RH 的值 .用电阻箱充当 RH， RH与表头串联成电压表 .并决定此改装表标尺的标度 . 2.将改装电压表与标准电压表机械调零后，按图 6-6 接入电路 . 3.接通电源，调节滑线变阻器的滑块，使改装电压表 的读数从零逐步增加到满度，然后再逐渐减少到零，同时 将改装表和标准表相应的读数 Ux和 Us填人数据表 6-2. 22 / 29 4.以改装表的读数 Ux和 Ux=Ux Us，分别为 横坐标和纵坐标，在坐标纸上作出改装电压表的校准曲线 . (三 )将表头改装为 10V量程的交流电压表 1.如上图所示，电源改为交流电源，在电源正负极个接上一个 2CP 型整流二极管。 2.接通电源，调节滑线变阻器的滑块，使改装电压表的读数从零逐步增加到满度，然后再逐渐减少到零，同时将改装表和标 准表相应的读数 Ux和 Us填人数据表 6-3. 3.以改装表的读数 Ux和 Ux=Ux Us，分别为横坐标和纵坐标，在坐标纸上作出改装电压表的校准曲线 . 将表头改装为 1k 倍率欧姆表 1.根据给定的表头参数 Ig、 Rg 及电源电动势 E，由 (6-4)式求出 R0 的阻值 . 2.用电阻箱充当 R2(使其阻值保持不变 )，滑线变阻器充当23 / 29 R1,按图 6-4 将 R2、 R1与表头和电池串联，就构成了欧姆表 . 当 a、 b 两接线柱断路时，表头指针应为零，如不为零应机械调零 . 3.将图 6-3 中 a、 b 两接线柱短路，调节滑线变阻器 R1，使表头的 指针转到满刻度 . 4.在保持 Rl和 R2 阻值不变的情形下，用另一只电阻箱充当Rx，取其阻值为欧姆表的中值电阻 Ri=Rg+R0 的 1/2、 1、 2、3、 ，同时记下指针的偏转格数，据此绘制出欧姆表的标尺 . 【数据表格】 表 6-4 欧姆表标度尺的标定 1 2 3 24 / 29 4 5 大学物理实验总结 090602232 王康 转眼间大学一年的实验课程已然结束。在这一年的实验学习中，有过成功的喜悦，有过失败的痛楚。在实验中，我不但学到了知识，增长了我的动手能力，更学到了合作的重要，与我同组的同学分工，一起努力，协作完成实验，这才是实验赋予我最宝贵的能力。 下面我对牛顿环一实验做做具体的总结。 牛顿环实验是用于检测透镜的曲率及其质量；测量光波波长；精确地测量微小长度、厚度和角度；检测物体表面的粗糙度和平整度的。在工业上被广泛运用。 其仪器分别为： 1.牛顿环 。 2.读数显微镜。 3.钠光灯。 25 / 29 将一曲率相当大的平凸玻璃透镜放在一平面玻璃的上面，则在两者之间形成一个厚度随时间变化的空气隙。空气隙的一条等厚干涉条纹是一组明暗相间的同心环。该干涉条纹最早被牛顿发现，所以称为牛顿环。 读数显微镜是将显微镜和螺旋测微装置组合起来，用于测量长度的精密仪器 。主要用来测量微小的或不能用夹持仪器测量的对象，如毛细管的内径、狭缝宽度、干涉条纹宽度等。 钠光灯是一种气体放电灯。在放电管内充有金属钠和氩气。开启电源的瞬间，氩气 放电发出粉 红色的光。氩气放电后金属钠被蒸发并放出黄色的光。 【实验步骤】 在显微镜视场中找到牛顿环 照明 点亮钠灯，移动读数显微镜装置，使光线射向显微镜物镜下方 45 26 / 29 的反射玻璃片上。镜筒下方放置牛顿环装置。仔细调节 45的反射玻璃片， 以及读数显微镜与钠灯之间的相对位置。使得钠灯射来的光线能够垂直地 反射到牛顿环装置上。这时，由牛顿环装 置反射回来的光能够回到显微镜 物镜的镜筒中。 调节目镜 使目镜在镜筒内转动，直至十字叉丝成像清晰。并使其中的 一根叉丝与镜筒移动方向平行。 调焦 等厚干涉条纹定域在空气隙上表面附近，故在观察时，显微镜必 须对准此面调焦。旋转调焦手轮，先使显微镜筒接近牛顿环仪。然后自下 27 / 29