电表改装实验

实验报告
姓名：班级：组别：成绩：
合作者：指导教师：实验日期：
一、实验题目：改装电表
二、实验目的：
1、了解电表改装、校准原理和方法。

2、学会工程技术应用中理论值与实际值的联系。

3、学会标定电表等级。

三、实验原理和线路：
1、．测定待改装表的电阻Rg
用半偏法测定待改装表的电阻Rg如下图1，调节R1、R w、电源电压，当标准表的读数
为1mA且待改装表读数为0.5mA时，则Rg= R1.
2、将量程为Ig,内阻为Rg的微安表的量程扩大为I＝10mA(图2)。

首先计算分流电阻
Rs=IgRg/(I-Ig)=Rg/(n-1), n=I/Ig为电流扩大倍数。

其次校准分流电阻Rs,将校准表调到10mA，同时改装表应指向满刻度（这时可能需要改变分流电阻Rs），记下实际分流电阻，最后校准改装表的等级：分5段逐点校准，填入下表。

“下行”指电表读数由高到低逐点进行校准，“上行”则相反。

原电流表量程：Ig=____ mA 原电流表内阻：Rg=____Ω改装后量程：
I=____mA 理论分流电阻：Rs=_____Ω实际分流电阻：Rs’=_____Ω
表5-19 改装表理论读数/mA 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000
标准表读数/mA 下行（读数减少）上行（读数增加）平均
ΔI=(I-I理论)/mA
(3)将微安表改装成量程为U＝10V的电压表(图5-45)。

首先计算分压电阻Rm：Rm＝（U/Ig）-Rg，U为改装后电压表量程。

再校准分压电阻Rm：将标准表调到10.00V,同时改装表则调到满刻度（可改变分压电阻Rm），同时记下实际分压电阻：最后按下表校准改装表的等级。

原电流表的量程：Ig=____mA 原电流表内阻：Rg=_____Ω
图1半偏法测待改装表内的电阻接线图图2扩大量程接线图图3扩大量程接线图
改装表量程：U=_____V
理论分压电阻： 图5-45 改装电压表接线图
Rm=_____Ω 实际分压电阻：Rm ’=______Ω
改装表理论读数/V
2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 标准表读数/V 下行（读数减少） 上行（读数增加）
平均（3位小数）
ΔU=(U-U 理论)/V
(4)将1mA 量程的待改装电流表按下图改装为串连分压式欧姆表(图4)。

取U ＝1.5V ，将Rx 短路，调节Rw ，使伏安表正好指1mA ，这时，Rw ＋R3+Rg=1500Ω 。

当Rx=1500 时，毫安表读数为0.5mA ，这一电阻称为“中值电阻”：R 中＝Rw+R3+Rg=1500Ω 。

按下表给定的Rx 值标定表面刻度：
表
Rx/Ω 0 100 200 300 400 500 700 1000 1500 2000 3000 4000 7000 I/mA
可见，欧姆表的刻度是反向的：1mA 处为0Ω；0mA 处为∞Ω。

以I 为纵坐标，Rx 为横坐标作I-Rx 图并连成光滑曲线。

将数据按要求处理后，用坐标纸画出ΔI －I 校准曲线和ΔU －U 校准曲线。

并按下列公式确定改装表的等级：
I I
E /100max
∆⨯=和U U
E /100max
∆⨯=
当5.0≤E 为0.5级，0.5<0.1≤E 为1.0级，1.0<5.1≤E 为1.5级，1.5<0.2≤E 为2.0级….
五．思考题：
1．校准电流表时，若标准表的指针满刻度而改装表达不到，应怎样调节分流电阻使两表同时满刻度？电压表呢？
2．如图，在量程分别为I 1,I 2,I 3的三量程毫安表中，哪档量程电流最大？哪档量程最小？
图4改装为串连分压式欧姆表接线
3．如右图，将内阻为50Ω，最大量程刻度为50mV 的磁电式电压表窜联两个电阻R 1,R 2，使之变成量程分别为3V 和5V 的双量程电压表，求R 1，R 2的数值。

.
4．电流表中窜联适当的电阻即可用作电压表，试说明其理由。

阅读材料
智能式数字仪表的发展及应用
在仪表行业迅猛发展的今天，数字式仪表显示直观，便于观察、无视差，具有测量精度高、稳定性好、功耗低、无磁场干扰、抗震性强等优点，这是动圈式指针仪表所不具有的.在数字式显示仪表中，采用了先进的CMOS 大规模集成电路,A/D 转换器等，完成了运算放大、非线性校正、温漂、零漂等关键性问题，A/ D 转换电路实现了模拟量与数字量之间的转换，从而使仪表达到了较高的技术指标.在仪表显示上，采用LED 数字显示.
在智能配电系统中，智能多功能仪表是系统的重要组成部分，使得配电系统的各个配电回路都具有智能化功能，并使得配电系统和计算机连接成智能配电系统，从而实现四遥(遥测、遥信、遥控、遥调)四集中(集中数据处理，集中监控、集中分析和集中调度)，提高输配电系统供电可靠性，这是我国变电所的发展方向。

由新一代的车用计算机为核心组成的汽车运行控制与显示系统，是多种专业技术的集成与系统设计的成果，它将构成新一代车用自动化仪表。

在空间已出现“穿梭”式航行的今天，地面区间的行车自控定将指日可待。

主要参考书目
[1] 林抒， 龚镇雄. 普通物理实验[M]. 北京：高等教育出版社，1986,p214-p217. [2] 杨述武. 普通物理实验[M].北京:高等教育出版社，2004, p 104- 114.
1、晶体二极管的导电特性
晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时，才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。

正
R 2 V
3V R 1 5V
向导通电压小（锗管约0.3V ，硅管约0.5V ）,反向导通电压（又称“击穿电压”，“耐压”）相差很大（几伏到几百伏）。

当外加电压大于导通电压时，电流按指数规律迅速增大，此时，欧姆定律对二极管不成立。

在这次实验中，就是要用伏安法测绘晶体二极管的正向、反向导电特性曲线。

测量电路如下：
2、Pn 结正向压降随温度变化的变化。

Pn 结温度传感器相对于其他温度传感器说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。

Pn 结温度传感器的原理如下：
Pn 结正向压降(V F )是正向电流(I F )和温度(T )的函数：
(0)(ln )ln g F r
F k B k V V T T e I e
=--
其中，e 是电子电荷，k 是波尔兹曼常数，B 是与结面积、掺杂浓度有关与温度无关的常
数，r 是常数（ 3.4r ≈），T 是绝对温度，V g (0) 是绝对零度时Pn 结材料的导带底和价带顶的电势差。

上式中有两项，线性项：(0)(ln )g F
L k B
V V T e I =-
非线性项：ln r
NL k
V T e
=-
可以证明，在恒流供电情况下，当温度较高（室温）时，Pn 结的V F 对T 的依赖关系取决于线性项L V ，即Pn 结正向压降随温度升高而线性下降，这就是Pn 结测温原理。

在这次实验中，我们将测绘Pn 结正向压降随温度变化的曲线。

四、实验仪器： 1、仪器记录
改装电表集成箱(电流表头, 标准电流表、标准电压表、电阻箱，电源，单刀双置开关，
图2二极管反向伏安特性测量线路
图1二极管正向伏安特性测量线路
(a) mA 表外接
(a) mA 表内接
(a) mA 表外接
(a) mA 表内接
导线等)
2、仪器使用实验注意事项：
（一）、电阻元件V-A特性实验仪的使用：
（1）、在测量中电流不得大于20(mA).
（二）、Pn结正向压降特性实验仪的使用：
（1）、仪器的连线较多，芯线较细，所以要注意使用，不可用力过猛。

（2）、除加热线无极性区别外，其余都有极性区别，连接时不要接反。

特别注意，加热线绝对不要接错位置，否则一定会损毁仪器的。

（3）、加热装置温度不要超过100o C,长期过热使用，会造成连接线老化。

（4）、使用完毕后切断电源。

五、实验内容和步骤：.
1、测定正向特性曲线
依照图1，正确连接线路后，打开电源开关，将电源电压调至最小，逐步减小限流电阻，直到毫安表显示1.9999mA为止，记下相应的电流和电压。

然后调节电源或限流电阻，将电压表最后一位读数调成0，记录电压，电流。

以后按每降低0.010V测一次数据，直到伏特表的读数为0.5500V为止。

正向电流不用修正。

2、测定反向特性曲线
依照图2，正确连接线路后，接通线路开关，将电源电压调至最大，逐步减小限流电阻，直到毫安表显示1.9999mA为止，记下相应的电流和电压。

然后调节电源电压或者限流电阻，在将电流调节为 1.8006，1.6006，1.4006、……….mA的情况下，记录相应的电压；其中0.0006mA为伏特计的电流，记录电流时应该自行减去。

3、测绘Pn结正向压降随温度变化的曲线。

（1）加热装置上共有两组连接线，侧向引出一组线，是加热线，共有两根芯线，与Pn 结正向压降特性实验仪面板上的“12”两端子相连（可以不计正负），另一组从顶部引出，共六根芯线，其中两根（其中一根是黄色）自成一组，是测温信号线，黄色为正，黑色为负，与面板的“5”端子的正负相连（正负不能接错），另外四根和“8”，“9”端子的正负相连（正负不能接错）。

（2）将控温电流旋钮旋到最小位置，打开测量仪的电源，记录室温T S ;
(3)按下“I F””键，将I F调到50微安；按下“V F”键，记录V F，按下“△V”键，将△V调到零。

（4）将加热电流调到350mA，观测△V的变化，△V每改变10 mv读取一组△V、T值，直至温度达到100 o C为止。

六、数据记录：
1、二极管的正向特性
2、二极管的反向特性
实验室起始温度：T S = ℃
工作电流：I F= μA
起始温度时的正向压降V F= mv
1、利用以上测量数据，用坐标纸分别作出晶体二极管的伏安特性曲线图[正向，反向及内接外接]；
2、利用以上测量数据，坐标纸作出Pn结正向压降随温度变化的曲线图。

二极管导通电压与温度关系曲线
0.4
0.450.50.550.6
0.650
20
40
60
80100120140
温度o
t
导通电压V
八、实验结论：
1、晶体二极管无论加上正向电压或者反向电压，当电压小于一定数值时只能通过很小的电流，只有电压大于一定数值时，才有较大的电流出现，相应的电压可以称为导通电压。

2、正向导通电压小；反向导通电压（又称“击穿电压”，“耐压”）较大；
3、在恒流供电情况下，当温度较高（室温）时， Pn 结正向压降随温度升高而线性下降。

而且相应速度很快，可以利用它测量温度。

九：问答题
1、为什么反向伏安特性曲线要进行电流修正?
答：在反向时加在二极管两端的电压较大,这时流过福特表的电流与流过二极管的电流相比也较大.
2、在上述实验中,为何要将电压表内接, 若将电流表内接有何不便?
答：电压表内阻大, 而电流表内阻小,一旦二极管导通其内阻很小,若将电流表内接,则电流表内阻分压较大.
3、在正向特性曲线中，为何要将电压表的最后一位调为零？能否将反向特性曲线实验中的电压表最后一位读数都调为零？（结合实验数据回答）
答：在正向特性曲线中，将电压表的最后一位调为零是为了便于画图，无论图的横坐标采用什么比例，这时电压值都将出现在坐标纸的方格线上。

但若将反向特性曲线实验中的电压表最后一位读数都调为零，则可测数据不会超过4~5个，因为整条曲线的有意义的电压间隔不到0.04V，用4个数据画的曲线不能反映真实特性，没有什么意义。

4、用伏安法测二极管的伏安特性曲线误差主要在哪? 误差属于系统误差还是偶然误差?
答：误差主要来自电流表(内接)或电压表(外接). 属于系统误差.可修正.
5、结合曲线及接线图分析, 测得的晶体二极管的正向，反向伏安特性曲线,在电压相同
情况下,为什么外接法的电流总大于内接法?
答: 外接法的电流表测得的电流是流过二极管与电压表之和, 内接法的电流表测得的电流是流过二极管的电流,同时内接法的电流表内阻有分压.
十、讨论:.
在测量二极管的正向特性时采用内接法得到的伏安特性曲线显著偏离事实，说明在被测电阻元件阻值较小，其阻值不能远大于电流表表头内阻时，电流表的分压效果会很显著，所以在此种情况下，不适合采用电流表内接。

实际上无论毫安表内接或者外接，实验数据都应该进行修正：毫安表外接时应该进行电流修正，内接时应该进行电压修正。

由于本次实验所用的毫伏表的内阻很大（约100----1000多万欧姆），按毫安表外接法，测量正向特性时，伏特表的分流可以忽略；反向时伏特表的电流始终保持0.006mA左右，很容易修正。

若将毫安表内接，则无论正向或者反向，每一个数据都要做电压修正，且修正值各不相同，极其麻烦。