电表的改装与校准

1、实验九 电表的改装与校准在实验中经常使用磁电式仪表来测量电压和电流，其测量机构称为表头，它只允许通过微安数量级的电流，实际上满足不了需要，可根据分流或分压原理，将表头并联或串联一个适当大小的电阻，即可改装成所需量程的电流表或电压表。 【实验目的】1. 学会用实验法测定电流表内阻。 2. 掌握电表扩程和校准的方法。 【实验原理】表头的改装需要知道两个重要的参数：I（表头电流的量程）和Rg（表头的内阻）。表头的量程可从表盘上看出来，而表头的内阻则需要实际测量。表头内阻的测定标准方法：如图9.1所示，A为标准表，G为待测内阻表头，闭合开关S，调节R和R0的值，使G中的电流为标准表中电流的一半，有Rg

2、=R0 。半偏法：如图9.2所示，R和R0为电阻箱。断开S2，调节R，使G中通过满刻度电流Ig，则E0Rg+R+rIg=式中的r为电源的内阻。合上S2，保持R不变，调节R0，使G中的电流为Ig的一半，则Ig2Rg=E0g0Rg+R0+R+rRgR0Rg+R0由以上二式联立，并忽略电源内阻r，可得Rg=RR0RR0（9.1）2将表头改装成电流表根据分流公式，在表头两端并联一个低值电阻Rp，如图9.3所示，表头与并联电阻Rp所构成的整体就是改装后的电流表。由分流公式有IgRg=(IIg)RpRp=IgIIgRg=1Rgn1 （9.2） 式中，n=I/Ig为电流表的扩程倍数。选用不同的Rp值，可以得

3、到不同量程的电流表。3. 将表头改装成电压表表头有一定的内阻，但其值很小，若通过的电流为Ig，则表头两端的电压降为Ug=IgRg，所以Ug也很小，要用它测量较大的电压，必须进行扩程。可根据欧姆定律，在表头串联一个适当大的电阻Rs，称为分压电阻，使一部分电压降落在表头上，余下部分则降落在Rs上。表头与串联电阻Rs组成的整体便构成了电压表。如图9.4所示，设改装后的电压表的电压量程为U，有Ig(Rs+Rg)=URs= UURg=(1)Rg=(n1)RgIgIgRg （9.3）式中的n称为电压表的扩程倍数，选用不同的Rs值，可得到不同量程的电压表。4.电表的校准电表在改装后，必须进行校准，确定电表的

4、准确度等级后方可使用。将改装表与相应的标准表直接进行比较，这种校准的方法称为比较法。校准电路如图9.5所示。所谓准确度等级是国家对电表规定的质量指标，共有七级，0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0,用S表示,所对应的最大绝对误差为仪=量程S%。设被校电流表的指示值为Ix，标准表的读数为Is，如果测量一组数据Ixi和Isi，则每个标准点的校正值为Ii=Isi-Ixi。如果将它们中绝对值最大的一个作为最大绝对误差，则被校电流表的标准误差为：标称误差=最大绝对误差100%量程根据标称误差的大小，即可定出电流表的准确度等级（此处没有考虑标准表引起的误差，一般地，标准表的精度至少要比被

5、校表的精度高一个等级）。同理电压表的校准亦如此。电表的校准结果除用准确度等级表示外，还可以用校准曲线表示，即以被校表的示值为横坐标，以校正值为纵坐标，画出折线校正曲线。【实验仪器】50A表头，电阻箱，标准电流表，标准电压表，直流电源，滑线变阻器和开关。【实验内容与步骤】1.根据实验条件选一种测定内阻的方法，对改装表的内阻进行测定。2.将50A微安表改装成5 mA的电流表。（1）计算分流电阻Rp，用电阻箱作Rp，按图9.5(a)接好电路。（2）调节Rp和R，使微安表和标准表同时达到满量程，记下Rp的实测值。（3）校准：校正扩大量程表上标有标度值的点，应使电流单调上升和单调下降各测一次，将两次读数

6、的平均值作为Is。3. 将50A微安表改装成5V的电压表，并进行校准。(1) 计算分压电阻Rs，用电阻箱作Rs，按图9.5(b)接好电路。(2) 调节Rs和R，使微安表和标准电压表同时达到满量程，记下Rs的实测值。(3) 校准：校正扩大量程表上有标度值的点，应使电压单调上升和单调下降各测一次。将两次读数的平均值作为Us，计算校正值U=Us-Ux，并画出校准曲线。【数据记录与处理】1电流表的改装与校准表9.1 改装电流表的数据 精度等级（A）内阻Rg （） 满度电流Ig （） 扩程后的量程 （） 分流电阻（）计算值 实测值表9.2电流表的校准测量数据标准表读数Is（mA）大小 被校表的读数Ix（

7、mA） 小大 平均 I=Is-Ix （mA）2.电压表的改装和校准自拟电压表的改装和校准表格。3.分别绘制改装后电流表和电压表的校准曲线，并确定改装后电表的等级。【思考题】1.电表扩程的方法是什么？如何计算相应的电阻？2.当校准改装后的电表时,标准电压表的示数偏大，则分压电阻是偏大还是偏小？当校准改装后的电流表时，标准电流表的示数偏小，则分流电阻是偏大还是偏小？3.为什么校准电表时需要把电流（或电压）从小到大测一遍又从大到小测一遍？如果两者完全一致说明什么？两者不一致又说明什么？4.用比较法校准电表时，选择标准表的主要依据是什么？5.若100A的表头，内阻为500，改装 成3V，15V两档电压

8、表，串联电阻该多大？画出电路图；若将上述表头改装成500A，1A两档电流表，并联电阻该多大？画出电路图。实验十三 用牛顿环测透镜的曲率半径牛顿环是属于用分振幅方法产生的干涉现象，是一种典型的等厚干涉条纹。在实际中，通常用它来测量透镜的曲率半径，还可以测量光波的波长、精确地测量微小物体的长度、厚度，及用来检验试件表面的光洁度和平整度。【实验目的】1. 观察光的等厚干涉现象，了解等厚干涉特点。2. 掌握用牛顿环测量凸透镜曲率半径的方法。3. 学习使用读数显微镜。【实验原理】牛顿环是把一个曲率半径较大的平凸透镜的凸面放在一块光学平玻璃板上构成的，如图13.1所示。平凸透镜与平板玻璃间形成一厚度不均匀

9、的空气薄膜，平行单色光垂直照射到透镜上，通过透镜，近似垂直地入射到空气层中，经过上下表面反射的两束光就存在着光程差，在反射方向就会观察到干涉花样，干涉花样是以接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环，如图13.2所示。从图13.1可看出，透镜的半径R，与接触点O的距离为r的薄膜厚度为d，其几何关系为：R2=(Rd)2+r2=R22Rd+d2（13.1）因为Rr,（13.1）式中可略去二阶小量d，有： 2r2d=2R （13.2）考虑到光从平板玻璃上反射会有半波损失，则光程差为：=2d+产生m级暗纹的条件为： 2 （13.3）=(2m+1)2(m=0,1,2,L)（13.4）由（13.2）

10、，（13.3）和（13.4）式，可得出第m级暗纹的半径为：r m=mR （13.5）同理，也可以得出第m级明纹的半径为：rm=2m1)R （13.6）由（13.5）式或（13.6）式，如果已知光波波长，只要测出暗纹半径或明纹半径，数出对应的级数，可求出曲率半径。在实验中，暗纹的位置更容易确定，所以一般都选暗纹来进行测量。实际上，由于玻璃的弹性形变以及接触处的尘埃等因素的影响，凸透镜和平板玻璃间不可能是一个理想的点接触，因此，很难确定干涉环的中心，则rm和m不能准确确定，所以，不能直接用（13.5）式来测量。为避免上述困难，我们可采用测量距中心稍远的两个暗纹直径Dm和Dn来计算曲率半径R，由（1

11、3.5）式有：2Dm=4mDn2=4n两式相减可得：2DmDn2R=4(mn) （13.7）从（13.7）式可看出，只要准确地数出级数之差m-n，不必具体地确定级数，又实验中不难确定暗纹的直径，如此，可不必确定圆心，即可求出曲率半径R。如果考虑玻璃的弹性形变，则接触处不是一个几何点，它使得环心处的干涉结果是一个较大的暗区，其中包括若干级圆环，设它包括的级数为m0，则观察到的第m级暗环，实际级数应为m+m0 ，根据（13.5）式有：2Dm=4(m+m0)R=m4R+m04R （13.8）如果考虑尘埃等因素使得凸透镜的凸面与平面镜间存在间隙，设为，则光程差为：=2(d+)+由暗纹条件： 22(d+

12、)+2=m+2(m=0,1,2,L)（13.9）由（13.9）式和（13.2）式不难导出：2Dm=m4R8R （13.10）由（13.10）式可以看出，接触处可以为亮斑，也可以为暗斑。2y=D,m 令x=m,k=4R,b为截距，则（13.8），（13.10）二式可写为：y=kx+b （13.11）（13.11）式为一元线性方程，可通过作图法、线性回归法，求出斜率k和截距b。由斜率k可求出透镜的曲率半径，由 截距b的符号可判断透镜凸面和平板玻璃间是存在间隙（b0)。【实验仪器】读数显微镜，平凸透镜和平板玻璃组成的牛顿环，纳光灯等 【实验内容与步骤】测量牛顿环的直径，并计算透镜的曲率半径。1.读数

13、显微镜的调节移动牛顿环装置，使其对准读数显微镜的物镜。调节反射玻璃片的角度，使显微镜内视场明亮均匀。调节目镜使叉丝象清晰。2.测量牛顿环的直径调节显微镜的十字叉丝交点与牛顿环中心大致重合，并使某环纵向叉丝沿主尺方向移动时始终与横向叉丝相切。转动测微鼓轮，先使镜筒向右移动，顺序数到35环，在反方向转到30环，使叉丝与环的外侧相切，记录读数，然后依次对28，26，24，10，8环读数；再继续转动测微鼓轮，使叉丝依次与圆心右侧8，10，12，28，30环的内侧相切，并记下各环的读数。将数据填入表13.1。注意：在测量时，应沿一个方向转动测微鼓轮，以免引起空程差。【数据记录与处理】表13.1 测量牛顿

14、环的直径 环的序数左 右环的位置环的直径 环的序数环的位置Dm左 右环的直径 Dn曲率半径RR= Ri=1nin=tRA=0.95(R= 2in1RB=R1.5%22R=RA+RB=R=R+R=【思考题】1.牛顿环干涉条纹形成在哪一个面上（既定域在何处）？产生的条纹是什么？2.实验中为什么测牛顿环的直径而不是测其半径？若所看到的牛顿环局部不圆，这说明什么？3如何解释用白光照射而产生彩色牛顿环？4.使用读数显微镜应注意哪些问题？实验十四 衍射光栅光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝所组成的光学器件。光栅一般分为透射式和反射式两种，实验教学中通常采用透射式平面衍射光栅的复制品。在光学中常用光栅来精确

15、地测量光波波长及进行光谱分析。【实验目的】1.观察光栅衍射现象。2.学会测定光栅常数。3.了解分光计的结构，熟悉分光计的使用。【实验原理】本实验所用的透射光栅是在一块透明的玻璃上刻有大量、均匀、相互平行的刻痕。如图14.1所示，a为刻痕，是不透光部分，b为透明狭缝的宽度，d=a+b 为相邻两狭缝上相应两点的距离，称为光栅常数。当一束平行单色光垂直照射到光栅平面时，根据夫琅和费衍射理论，在各狭缝处将发生衍射，所有衍射之间又发生干涉，而这种干涉条纹是定域在无穷远处，为此在光栅后要加一个会聚透镜，在用分光计观察光栅衍射条纹时，望远镜的物镜起着会聚透镜的作用,相邻两缝对应的光程差为=dsin （14.

16、1） 出现明纹时需满足条件dsin=kk=0,1,2,L (14.2） （14.2）式称为光栅方程，其中：为单色光波长；k为明纹级数。在=0的方向上可观察到中央极强，称为零级谱线，其它谱线，则对称地分布在零级谱线的两侧，如图14.2所示。如果光源中包含几种不同波长，则同一级谱线中对不同的波长有不同的衍射角，从而在不同的位置上形成谱线，称为光栅谱线。对于低压汞灯，它的每一级光谱中有4条谱线：1=4358（紫色），2=5461（绿色），3=5770（黄色），4=5791（黄色）。 衍射光栅的基本特性可用分辨本领和色散率来表征。角色散率D（简称色散率）是两条谱线偏向角之差 两者波长之差之比：D=对光

17、栅方程微分可有 （14.3）D=k=dcos （14.4） 由（14.4）式可知，光栅光谱具有如下特点：光栅常数d越小，色散率越大；高级数的光谱比低级数的光谱有较大的色散率；衍射角很小时，色散率D可看成常数，此时，与成正比，故光栅光谱称为匀排光谱。由（14.2）式光栅方程，若波长已知，并能测出波长谱线对应的衍射角，则可以求出光栅常数d 。【实验仪器】FGY-01型分光计，光栅，汞灯，平面镜等。FGY-01型分光计介绍：FGY-01型分光计的结构如图14.3所示，它主要包括望远镜、载物平台、平行光管和读数装置四个部分。分光计的中心有一个竖直轴，称为分光计的中心轴。望远镜可以绕仪器的中心轴旋转到任

18、意位置，并可用锁紧螺丝固定住，其所处的位置可以从读数窗读出。分光计中采用的望远镜是一种自准望远镜，它由镜筒、物镜（消色差凸透镜）、分划板、阿贝式目镜、套筒、全反射式棱镜及小灯组成，如图14.4所示。图14.5是分划板示意图。小电灯发出的光，经全反射棱镜照亮分划板上的十字刻线，当分划板位于物镜焦平面上时，十字刻线发出的光经物镜后形成平行光，成象于无穷远处。若在物镜前面放置一个垂直于望远镜主光轴的平面反射镜，则反射回来的平行光，经物镜聚焦在分划板上方十字叉丝处形成亮十字象。（2）平行光管平行光管的作用是产生平行光。平行光管的镜筒固定在架座的一只脚上，镜筒的另一端装有一个消色差的复合凸透镜，另一端装

19、有可调狭缝的套筒，调节狭缝的位置，使它位于透镜的焦平面上，即可产生平行光。若平行光管的主轴与中心转轴偏离或倾斜时，可分别通过平行光管的微调螺钉和高低调节螺钉来调整。（3）载物平台载物平台用来放置光学元件，其下方有三个调节螺丝，可调节平台的倾斜。松开平台下的固定螺丝，可使平台沿轴升降。（4）读数装置载物平台和望远镜分别与刻度盘和角游标相连。两者的相对角位置可以从左右读数窗口读出。为了消除因度盘和游标盘不同轴而引起的偏心差，分光计有两个读数窗口，两者相差180。FGY-01型分光计的角游标为30。【实验内容与步骤】1分光计的调整：调整分光计就是要达到望远镜聚焦于无穷远处；望远镜和平行光管的中心光轴

20、一定要与分光计的中心轴相互垂直，平行光管射出的光是平行光。（1）调望远镜聚焦于无穷远处目测粗调：由于望远镜的视场角较小，开始一般看不到反射象。因此，先用目视法进行粗调，使望远镜光轴、平台大致垂直于分光计的转轴。然后打开小灯的电源，放上双面镜（为了调节方便，应将双面镜放置在平台上任意两个调节螺丝的中垂线上，且镜面与平台面基本垂直），转动平台，使从双面镜正、反两面的反射象都能在望远镜中看到。若十字象偏上或偏下，适当调节望远镜的倾斜度和平台的底部螺丝，使两次反射象都能进入望远镜中。用自准直法调节望远镜：经目测粗调，可以在望远镜中找到反射的十字象。然后通过调节望远镜的物镜和分划板间的距离，使十字象清晰

21、，并且没有视差（当左右移动眼睛时，十字象与分划板上的叉丝无相对移动），说明望远镜已经聚焦到无穷远处，既平行光聚焦于分划板的平面上。（2）调望远镜光轴垂直于仪器转轴利用自准法可以分别观察到两个亮十字的反射象。如果望远镜光轴与分光计的中心轴相垂直，而平面镜反射面又与中心轴平行，则转动载物平台时，从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和。如果不重合，而是一个偏低，一个偏高，可以通过半调整法来解决，即先调节望远镜的高低，使亮十字象与分划板准线上部十字线的距离为原来的一半，再调节载物平台下的水平调节螺丝，消除另一半距离，使亮十字象与分划板准线上部十字线完

22、全重和。将载物平台旋转 180，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节，如此反复调整，直至从平面镜两表面反射回来的亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和为止。 （3）调节平行光管产生平行光用已调好的望远镜作为基准，正对平行光管观察，并调节平行光管狭缝与透镜的距离，使望远镜中能看到清晰的狭缝象，且象与叉丝无视差。这时平行光管发出的光既为平行光，然后调节平行光管的斜度螺丝，使狭缝居中，上下对称，即平行光管光轴与望远镜光轴重合，都垂直于仪器转轴。2调节光栅方位及测量：（1）分光计调节好后可将光栅按双面镜的位置放好，适当调节使从光栅面反射回来的亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和。（2）从中

23、央条纹（即零级谱线）左侧起沿一个方向向左移动望远镜，使望远镜中的叉丝依次与第一级衍射光谱中的绿线相重合，记下对应位置的读数，再移动望远镜，越过中央条纹，依次记录右侧第一级衍射光谱中的绿线位置对应的读数。为了减少误差，再从右侧开始，重测一次。【数据记录与处理】表14.1 测量光栅常数 绿光波长：=5461A测量 次数 绿光 位置 K = 1 K = -1左n1 右2 左右3 左右4 左右ii=ii=1n=t0.95A=nB=30(i2=n122=A+B=d=sin=d=ctg= d=+d=表14.2 测量黄光的波长角位置 K = 1 K = -1黄光1 左右左黄光2右i=dsinK【思考题】1.

24、怎样调整分光计？调整时应注意的事项？2.光栅方程和色散率的表达式中各量的物理意义及适用条件? 3.当平行光管的狭缝很宽时，对测量有什么影响?4.若在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，则应如何调整?5.为何作自准调节时,要以视场中的上十字叉丝为准，而调节平行光管时，却要以中间的大十字叉丝为准?6.光栅光谱与棱镜光谱相比有什么特点?实验六 光纤转速传感器实验在许多领域中，转速的测量是相当重要的事，除了大量的工业和民用测量外，特别是在航天航空事业中的惯性导航系统，主要依靠精确的惯性转速传感器。在以往，它是由机械陀螺来实现的，近年来开发的光纤转速传感器（光陀螺）与机械陀螺相比有着许多突出的优点，所有研制中

25、的光纤转速传感器（光陀螺）都是根据萨拉奈克效应构成，而本实验所用的光纤转速传感器是基于光电式转速计的原理，采用传光型反射式光纤位程式传感器的基本结构来实现的。转速就是转轴的旋转速度，严格讲是指圆周运动的瞬时角速度，在机械行业中，对机械设备的转速测量，通常采用平均速度测量法，即求某一段时间的平均速度，一般采用每分钟的转数（rmin）来表示。由于转速测量的方法很多，所以转速传感器的种类也不少，其分类方式可以分为模拟和数字式，也可以从非接触式和接触式来分类，其中光电式转速测量是一种非接触式测量。实验目的本实验目的是掌握运用单头反射式光纤位移传感器作为转速测量，以及与一般光电式转速测量的比较。实验原理

26、这种传感器的结构也不复杂，同样利用前面介绍的光纤位移传感器的探头，而将反射膜式粘贴在转动园片上，就成为测转速传感器了，如图6.1所示：这种传感器工作原理也类同光纤位移传感器。当光源发出的光由发射光纤传输并投射到反射膜片的表面上，然后反射回来，由光纤接收并传回光敏元件。当反射膜片随转动台旋转时,位置发生变化，则输出的信号也发生变化，其信号变化的周期就是转动周期，由此也可测量速度。上述这种结构的单头反射式光纤转速传感器已有正式产品上市，主要用于非接触测量，将被测物反射回来的光信号转变成电脉冲信号，供计数使用。主要的实验流程图6.2所示实验仪器1、转动台（含调速器、转速可调和光电转速测量单元）；2、Y型光纤束；3、光纤传感器实验仪中的光纤激励源单元，反馈控制单元，光接收信号调理电路；4、FV转换