实验九 万用电表的使用.doc

大学物理实验指导（电磁学部分）实验九 万用电表的使用目的1.了解万用电表的基本原理及设计方法； 2.学会万用电表的使用。仪器和用具1.万用电表(MF-50型)；2.直流稳定电源(MCH-305D-型0-30V、0-5A)；3.单相自耦调压器(500VA 0250V)；4.实验电阻板（3.0K、15K、47K、56、0.62K、1.5K 0.25 W各1个）；5.电学暗盒（内装有47F电解电容1个、0.22F普通电容器1个、；6.3V稳压二极管1个、1N4007硅二极管1个、47K电阻器1个）6.单刀开关；原理一、万用电表的基本结构万用电表是实验室常用的一种仪表，可用来测量交直流电压、电流以及电阻等，还可用于检查元器件以及电路，排除电路故障。万用电表主要由灵敏度较高的磁电系微安表（简称表头）和由转换开关控制的测量电路及保护电路组成。它实际上是根据电表改装的原理，将一个表头分别通过转换开关连接各种测量电路而改成多量程的电流表、电压表及欧姆表的。是既能测量直流电流、电压也能测量交流电压的复合表。各个测量档共用一个表头,表头面盘上有相应于测量各种量的几条标度尺,标度尺按表的功能有各种不同的刻度,以指示相应值。对于某一测量的内容,一般分成几个大小不同的几档(例如MF50型万用表,其电阻档有1、10、100、1K、10K五档，电流有100、2.5m、25m、250m、2.5五档，直流电压有五档，交流电压亦有四档)。除了电阻档标注的是倍率外，各档标注的均为该挡的量程值。使用标度尺读数时，应注意不同的测量量不同的量程适用于不同的标尺。例如：MF50型万用表，电阻档应使用由上往下数的第一条标尺，交流10V档应使用第三条标尺，其余的电流、电压量程均看第二条标尺。 二、万用电表的主要测量电路1. 直流电流、电压档万用表直流电流档一般采用如图91的闭路抽头式电路。为了计算方便，通常在表头支路串入一个可调电阻R0并取RA+R0=Rm为整数值。则，被改装表的内阻应为Rm。由实验一可知，各电流档的总分流电阻RSi及各抽头电阻Ri按下列公式计算： 式中，RS为与表头支路并联的总电阻值。 直流电流设计方法根据表头的外临界电阻值R外临，按环形回路总电阻值略大于表头的外临界电阻值R外临的原则确定表头支路并联的总电阻值RS。即取略大于R外临。（关于电流表的外临界电阻值R外临值详见杨述编普通物理实验（电磁学部分）“灵敏电流计特性的研究”实验.）按式（91）先求出回路电压U0然后逐档计算抽头电阻。并按下式求出改装以后的最小满程电流值Imin。 (9-2) 万用表直流电压档一般采用如图92的共用分压电阻式电路形式。（即前档的分压电阻与后档共用的形式。）但是，其时改装电路是用扩程后的电流表作为被改装的表头（我们称其为电压档的等效表头），然后串联分压电阻构成。设，电压档等效表头的满程电流值为IV0,其内阻为RV0。则各分压电阻Ri的数值为 （93）直流电压档设计方法设直流电压档的每伏欧姆数为。则先按的原则确定出直流电压档的每伏欧姆数（应取整数值），再根据求出电压档所需的满程电流值IV0，然后在电流档中设计出一量程为IV0的电流档，作为电压表的等效表头，按求出该等效表头的内阻RV0。再按式（93）计算出各电压档的分压电阻。 2. 交流电压档如图93所示，交流电压档基本原理是先将交流电压经分压电阻RN分压，再经二极管整流器整流后输入等效表头测量。图中D1为整流管，D2是为保护D1而设计的。当输入整流管的交流电为正半周时，二极管D1被加上正向电压而导通，输入的电流通过D1流经表头测量，表头指示出交流电压的有效值。而当输入整流管的交流电为负半周时，D1的正极性端为低电位，负极性端为高电位，D1被加上反向电压而处于截止状态，测量电路中无电流。其时，从万用表ab输入端输入的被测电压将全部降落在D1的两端，若被测电压幅值较大，将可能击穿整流管D1，导致表头损坏。串入二极管D2后，当输入整流管D1的交流电为负半周而使D1截止时，D2的负极性端为低电位，而其正极性端为高电位，D2被加上正向电压而导通，输入的被测电压通过D2降落在分压电阻上，使D1两端的压降极小，从而保护了D1管不被击穿。图93中表头两端并联的两个二极管D3、D4是为了保护表头而设计的。当万用表使用不慎而选错档位使得表头过载时，二极管D3或D4将得到足够的正向压降而导通。D3或D4导通后，大部分的电流将流经导通的二极管而分流掉，从而保证了表头不过载，确保其安全。而当万用表正确使用时，表头两端的最大压降I0RA小于二极管的导通电压值，二极管D3或D4处于截止状态，其电阻数值相对于表头内阻为无穷大，故流进表头支路的电流全部流经表头测量，不影响测量结果。设计方法设，交流电压档的每伏欧姆数为。则可先根据的原则，确定一个合适的交流电压档的每伏欧姆数值，按求出交流电压档所需的工作电流值，再按IV0算出经整流后的直流电流量（采用二极管半波整流时，取；全波整流时，取），然后又在直流电流档中设计一量程为的直流电流档，作为交流电压档的等效表头，计算交流电压档等效表头的内阻值。例如对图93，有 (9-4)式中，RD为整流二极管D1的正向导通电阻值。求出后，按下式计算各交流电压档的分压电阻值 若上述计算得到的大于电流档中的最小电流值,说明取得偏大,应减少值,重求直到为止。3. 直流电阻档 欧姆表测量原理欧姆表测量的原理如图94所示。表头、干电池E、可变电阻R0以及待测电阻Rx串联构成闭合回路，电路中的电流Ix流过表头即可使指针，其值为 式中Rx为待测电阻；E为干电池电动势，其内阻为rE；RD为可调电阻；R内RA+rE+RD为欧姆表内阻。从上式可以看出，当电池电动势及其内阻一定的条件下，指针偏转和回路的总电阻成反比，当被测电阻Rx改变时，电流就相应变化，表头的指针位置也有相应的变化。可见，表头的指针位置与被测电阻Rx的大小是一一对应的，如果表头标尺按与电流对应的电阻数值进行刻度，这样就可以直接用来测量电阻了。由（96）式可知，当Rx0时，调节RD使表头的指针指在满刻度值I0处，此时 ，可见欧姆表的电阻零值点在电流表的满刻度值处。当Rx时，Ix0这时表头的指针指在电流表的零值刻度处。可见欧姆表的标尺刻度与电流表、电压表的标尺刻度反向且刻度非常不均匀，在Ix接近零时，Rx的变化对Ix的影响小，标尺上刻度线较密集，分度值较大，而在Ix接近I0时则反之。当RXR内 时，IXI0/2，这时表头的指针恰好指在标度尺的中心，因而将此时对应的电阻值称为中心阻值（或称为欧姆中心，用R中 表示），即R中 等于欧姆表的内阻。显然，中心阻值R中 越小，欧姆表标度尺右半的分度值就越小，由于一般使用欧姆表测量电阻时主要用标度尺的中心附近区域，因而中心阻值RK就类似于电流表的量程。“零欧姆”校准电路由于电池电动势E会逐渐下降，使得当Rx0时IxI0，表头的指针不指在零欧姆刻度处，这种现象称为“零点漂移”，它给测量造成了较大的误差，必须设计调整电路来解决零点漂移问题，这种电路称为“零欧姆”调节电路。图95即为一种常见的万用表电阻档“零欧姆”调节电路,其等效电路如图95所示。图中，RD设计为定值电阻，RJ为调零电位器，其滑动端将RJ分成两部分，一部分与表头串联成为表头内阻，另一部分归入RS，当E值变化时，调节RJ滑动端使得Rx0时表头的指针仍指在满刻度值I0处，即可消除零点漂移。显然，当E值高于其标称值1.5V时，RJ滑动端应向左移动，以减小电阻档等效表头的总分流电阻RS的数值，使得流过RS的电流增大，保证通过表头的电流等于I0值；而当E值低于其标称值时，RJ滑动端应向右移动，以增大电阻档等效表头的总分流电阻RS的数值，保证通过表头的电流等于I0值。 注意：由于调节RJ滑动端时 ，电阻档等效表头的内阻RA将发生改变，中心阻值R中 随之改变，使测量产生误差，因此，RD应尽量取得大些，以使得RA的变化量相对于中心阻值R中 可以忽略。对于多量程欧姆表，可在R1K档中并联不同的分流电阻Rdi而构对于多量程欧姆表，可在R1K档中并联不同的分流电阻RDi而构成。其电路如图96所示。将上述的直流电流、电压、交流电压、直流电阻测量电路组合起来，就构成了图97的万用电表的基本原理图。从原理图可知，电阻档用的干电池的负极与万用表的“”表笔插孔相连。所以，对于电流、电压档b端为正极性端，而对于电阻档，b端为负极性端，三、使用万用表应注意的几个问题1. 使用前先调好表头指针的机械零点，确定好档位。应先弄清楚要测的是什么物理量，再确定量程。切勿用电流档、电阻档去测量电压。电流档、电压档量程的选择，应使电表内阻对电路的影响尽可能小且使表头指针有尽可能大的偏转。当被测的电流或电压的大小无法预先估计时，应先选择大量程试测，然后再逐渐到合适的量程上。转换量程时，表笔应脱离电路 电阻档的选择，应尽量使指针在标度尺的中心附近区域或偏右半的区域偏转。以减小估读误差。2. 测量直流量应注意万用表的极性。测量时，必须采用“跃接法”。尽量避免将表固定连接在电路中，以便在发现异常现象时表笔能迅速脱离电路。3. 测高压时，人体不可触及电路及电表的金属部分。4. 使用电阻档时，应先进行“零欧校准”。（即选好档位后，将两根表笔短路，然后调节零欧调节旋钮，使不表头指针指示在“0”刻度线上。）测量中，若转换量程，必须重新进行“零欧校准”。测电路中的电阻时，必须先切断电源。测量时，被测电阻至少要有一端脱离电路。对大容量电容器，应先短路放电后再测量。测高阻时仅防人体电阻并入测量。5 .每次使用完电流档、电阻档后，应马上将量程开关转换到最大电压档位置，万用表使用完毕，亦应将量程置于最高电压档位置，以避免下次使用使用时，忘记选择量程而损坏电表。四、万用表的应用1. 检查电路a. 电压检查法在电路通电的情况下，先了解电路中电位分布的情况，然后从电源部分开始，用电压档逐点测试其电压值。由不正常处查找故障。此法方便、快捷，但对电路中电位分布情况必须熟悉。 b. 电流检查法与电压检查法一样，在电路通电的情况下，先了解电路中电流分布的情况，然后将万用表（置电流档）分别串入各个支路测量其电流值，由不正常处查找故障。此法必须断开电路，接入电表，较不方便。c. 电阻检查法此法要求在切断电源后在不带电的情况下检查，并且待测部分无其他分路，（若有其他分路，必须先断开）逐一检查电路中每个元件，每条导线以及各连接点处的情况，从而判断出故障位置及其原因。此法较为繁琐，但很有效，特别是在判断电路的元件、导线质量的好坏很有用。2. 常用元器件的检查 电容器a. 电解电容万用表量程开关置1K档(或10K)位置，电容短路放电后，将万用表两表笔分别接到电容的两个极脚，同时观察表头指针的偏转情况：i. 当指针先朝Rx0的方向偏转，而后又朝Rx=的方向返回时，说明有被充电的现象，可初步判断该电容为好的；若充电现象不明显或无此充电的现象，则又将电容短路放电后，用10K档再试一次，若还是如此，则可判断该电容已经损坏。ii.充电时表头指针摆动的角度愈大, 返回的时间愈长，表明该电容的容量愈大，反之容量愈小。例如，对图98（a）的情况，表明待测电容的较小；对图98（b）的情况，表明待测电容的大。iii. 当指针返回至停止不动后，记下此时指针指示的电阻数值，然后将电容再次短路放电后对调万用表两根表笔与电容两个极脚的接触位置，重测一次，比较两次测得的电阻数值的大小，阻值大的那一次，与万用表黑表笔相接端为该电容的正极性端（如图98（c）所示），反之，阻值小的那一次，与万用表红表笔相接端为该电容的正极性端（如图98（d）所示）。若两次所得阻值均为，应将量程转换至10K档重试。b. 无极性电容对无极性电容的好坏检查和容量大小的判别方法仍如上所述。但应注意，若电容的容量较小，应改用10k档检查，若充电现象还不明显，可以直接对调万用表两根表笔与电容两个极脚的接触位置，重试一次，若表头的指针有更大的偏转，说明该电容器是好的，否则说明该电容器可能已经损坏。通常对于容量0.1F的电容，利用万用表只能检查其有无短路及漏电，无法直接观察其有无断路及充电现象，这时须外加交流信号源，利用交流电压档来检查。晶体二极管的检查通常可用万用表1K电阻档测锗二极管用10K档测硅二极管的正反向电阻数值。先将两根表笔分别与二极管的两个极脚相接，测出其电阻数值，比较两次电阻值的大小，两次数值相差愈大，性能愈好；通常，硅二极管相差最大，锗二极管相差较小，稳压二极管相差最小；若两次数值相差很小或无差别，说明该二极管已经损坏。对于正常的二极管，两次的数值中，数值小的那一次，与黑表笔相接端为该二极管的正极性端（如图99所示）。实验内容、要求 一、用万用表测量交流电压值要求：1. 调节自耦调压器的输出电压值，使其分别指示在20V、40V、60V、100V、140V、180V、240V，选择合适的量程，分别测出对应的交流电压有效值。2 .比较调压器指示值与万用表测量值并进行讨论。注意：1. 必须选用交流电压档，并选择合适的量程；2. 必须注意用电安全，严禁触摸到万用表笔及调压器裸露的金属部位。测试完毕，必须拔掉调压器的电源输入线。二、用万用表测量直流电流、电压值要求： 1. 按图911连接电路，取E30V,选择合适的电流、电压量程，按表一进行测量。2. 分别计算： 的数值，检验是否等于所测的Uad数值，并讨论检验结果。三、用万用表测量电阻数值要求：1.选择倍率，分别测出图910 电阻板中6个电阻的数值以及图911中去掉电源后 ad 间的电阻值。2.计算(R1+R2+R3)/(R4+R5+R6) 的数值，并以直接测得的Rad比较，讨论比较的结果。（式中，R1R6用测量值代入。）四、二极管、电容器的判别要求：1.利用万用电表判别图9-12 电学暗盒中的元器件分布，并画在图9-12上。2.确定暗盒中电解电容、二极管的极性；判出二极管中那个是稳压二极管。 预习要求:1.认真阅读本实验指导书，了解万用表的结构及其测量电路的原理和万用表使用的注意事项。2.在正规的实验报告纸上预先写好实验报告的实验目的、仪器和用具、实验原理三部份并在分组实验时呈给指导教师检查。待实验后再补充完实验报告余下的实验内容、步骤、数据记录 、数据处理、结果报道、实验结论等部分。书写实验报告应注意如下几点：1.仪器和用具应按实际所使用的型号、规格给出。2.本实验的实验原理只需叙述如下内容：一、万用电表的基本结构；二、使用万用表应注意的几个问题；三、万用表的应用。【万用表主要测量电路部分不必叙述！】并画出对应的电路图（图9-8、图9-9）。3.实验内容、步骤必须根据具体的实验过程并参考讲义中的实验内容、要求进行叙述并画出图910及图911。4.数据记录必须画出记录表格并标明表中物理量的单位；表中所有数据均必须按有效数字规则给出。5.数据处理时，应给出运算式并列出相应的数字式，运算的结果为物理