实验17　电表的改装与校准

《电表的改装与校准》

任课教师蔡爱军

【实验目的】

1．掌握一种测定电流表表头内阻的方法．

2．学会将微安表表头改装成电流表和电压表．

3．了解欧姆表的测量原理和刻度方法．

【实验原理】

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．

1．将微安表改装成毫安表

用于改装的微安表，习惯上称为“表头”．使表针偏转到满刻度所需要的电流Ig称表头的（电流）量程，Ig越小，表头的灵敏度就越高．表头内线圈的电阻Rg称为表头的内阻．表头的内阻Rg一般很小，欲用该表头测量超过其量程的电流，就必须扩大它的量程．扩大量程的方法是在表头上并联一个分流电阻Rs（如图17－1所示）．使超量程部分的电流从分流电阻Rs上流过，而表头仍保持原来允许流过的最大电流Ig．图中虚线框内由表头和Rs组成的整体就是改装后的电流表．

设表头改装后的量程为I，根据欧姆定律得：

（17－1）（17－2）

若，则

（17－3）

当表头的参量Ig和Rg确定后，根据所要扩大量程的倍数n，就可以计算出需要并联的分流电阻Rs，实现电流表的扩程．如欲将微安表的量程扩大n倍，只需在表头上并联一个电阻值为的分流电阻Rs即可．

2．将微安表改装成伏特表

微安表的电压量程为IgRg，虽然可以直接用来测量电压，但是电压量程IgRg很小，不能满足实际需要．为了能测量较高的电压，就必须扩大它的电压量程．扩大电压量程的方法是在表头上串联一个分压电阻（如图17－2所示）．使超出量程部分的电压加在分压电阻上，表头上的电压仍不超过原来的电压量程IgRg．

设表头的量程为Ig，内阻为Rg，欲改成的电压表的量程为V，由欧姆定律得：

（17－4）

可得：

（17－5）

可见，要将量程为Ig的表头改装成量程为V的电压表，须在表头上串联一个阻值为的附加电阻．同一表头，串联不同的分压电阻就可得到不同量程的电压表．

图17－2 改装电压表原理图图17－3 改欧姆表原理图

3．将微安表改装成欧姆表

将微安表与可变电阻R0（阻值大）、Rm（阻值小），以及电池、开关等组成如图17－3所示电路，就将微安表组装成了一只欧姆表．图中Ig 、Rg是微安表的量程和内阻，E、r为电池的电动势和内阻．a和b是欧姆表两表笔的接线柱．

设a、b间由表笔接入待测电阻后，通过的电流为，流经微安表头的电流为I，根据欧姆定律有

（17－6）

（17－7）

由（17－6）、（17－7）式解得

（17－8）

可以看出，当Rm，R0，Rg和E一定时，I～之间有一一对应关系．因此，只要在微安表电流刻度上侧标上相应的电阻刻度，就可以用来测量电阻了．根据这种关系绘制的欧姆表刻度如图17－4所示．由17－8式可以看出，欧姆表有如下特点：

① 当=0（相当于外电路短路）时，适当调节R0（零欧调节电阻)可使微安表指针偏转到满

图17－4 欧姆表刻度盘

刻度，此时

当=∞（相当于外电路断路)时，I=0，微安表不偏转．

可见，在欧姆表刻度尺上，指针偏转最大时示值为0；指针偏转减小，示值反而变大；当指针偏转为0时，对应示值为∞．欧姆表刻度值的大小顺序跟一般电表正好相反．

② 当时，

即当待测电阻等于欧姆表内阻时，微安表半偏转，指针正对着刻度尺中央．此时欧姆表的示值习惯上称为中值电阻，亦即=Rm．

当时，

时，

… …

时，

姆表的刻度是不均匀的，指针偏转越小处刻度越密．上述分析还说明为什么欧姆表测量前必须先将ab两端短路、调节R0使指针偏到满刻度（对准0Ω）．

另外，由于欧姆表半偏转时测量误差最小．因此，尽管欧姆表表盘刻度范围从0Ω到∞Ω，但通常只取中间一段(l/5～5)作为有效测量范围．若待测电阻阻值超出这个范围，可将Rm扩大10倍、100倍…，从而使也扩大同样倍数．如图17－4所示，只要在欧姆表面板上相应标上×10、×100、…等字样，就可以方便地测量出各档电阻的阻值．测量时选用×10档？还是×100档？…，应由Rx的估计值决定，原则上应尽量使欧姆表指针接近半偏转（接近）为好．

上述欧姆表在理论上能够测量电阻，但实用上有问题．因为电池用久了电压会降低，若a，b间短路，将R0调小才能使电表满量程，这样中值电阻发生了变化，读数就不准确．因此实用的欧姆表中加进了分流式调零电路，这里不再细述．

4．电表的校准

电表在扩大量程或改装后，还需要进行校准．所谓校准是用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．从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δ除以量程，即得该电表的标称误差，即

标称误差=%

根据标称误差的大小，将电表分为不同的等级，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．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或为横坐标，以校正值或 (，分别等于标准电表的指示值Is，Us与被校表相应的指示值，的差值，即=Is－，=Us－)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，如图17－5所示．以后使用这个电表时，根据校准曲线可以修正电表的读数．

【实验仪器】

磁电式微安表头、标准电流表、标准电压表、滑线变阻器、电阻箱、电池、开关（单刀单掷和双掷）和导线等．

【实验内容】

1．测量表头内阻

本实验用替代法测量表头内阻，电路图如图17－6所示．测量时先合上K1，再将开关K2扳向“1”端，调节和，使标准表示值对准某一整数值（如80μA），然后保持（的C端）和不变，将K2扳向“2”端（以代替）．这时只调节，使标准表的示值仍为I0（如80μA）．这时，表头内阻就等于电阻箱的读数．实验中要求按下面表格测量3次．

图17－6 替代法测表头内阻电路图

注意：实验过程中表头和标准表的示值不同步并不影响的测量，但标准表的电流不能超过100μA！

2．将100 μA的表头改装成量程为5mA的电流表

按图（17－7）连接好线路．

（1）根据测出的表头内阻，求出分流电阻RS（计算值）．然后将电阻箱RS调到该值，图中的虚线框即为改装的1mA电流表．

（2）校准电流表量程：先调好表头零点（机械零点），然后调节R1和R2使标准表的示值为1mA．这时改装表的示值应该正好是满刻度值，若有偏离，可反复调节R1、R2和RS，直到标准表和改装表均和满刻度线对齐为止，这时改装表量程就符合要求了，此时RS的值才为实验值，否则电流表的改装就没有达到要求．

（3）校正改装表：保持RS不变，调节R1、R2使改装表示值由5．00、4．50、…直到0．50mA变化，也就是表头示值由100、90、…直减到10μA，按表17－2记下标准表的相应示值IS．

（4）以改装表示值为横坐标，以修正值=Is－为纵坐标，相邻两点间用直线连接，画出折线状的校正曲线Δ～．

　　图17－7 校正电流表电路图图17－8 校正电压表电路图

3．将100μA的表头改装成量程为5V的电压表

参考改装电流表的步骤，先求出分压电阻RH（计算值），按图17－8接好线路，将表头组装成量程为1V的电压表；测出分压电阻RH的实验值，并保持其不变，调节R1、R2，使改装表由满刻度开始逐渐减小直到零（表头示值由100、90、…直减到10μA）．同时记下改装表（）和标准表（Us）相应的电压读数，将数据填入表17－3中．同样画出折线状的电压表校正曲线ΔUx～Ux．