基本电工仪表的使用及测量误差的计算11页.docx
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基本电工仪表的使用及测量误差的计算11页
实验一 基本电工仪表的使用及测量误差的计算
单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。
让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。
这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。
一、实验目的
一般说来,“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。
杨士勋(唐初学者,四门博士)《春秋谷梁传疏》曰:
“师者教人以不及,故谓师为师资也”。
这儿的“师资”,其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。
《韩非子》也有云:
“今有不才之子……师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。
这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形,但仍说不上是名副其实的“教师”,因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。
1.熟悉实验台上各类电源及各类测量仪表的布局和使用方法。
宋以后,京师所设小学馆和武学堂中的教师称谓皆称之为“教谕”。
至元明清之县学一律循之不变。
明朝入选翰林院的进士之师称“教习”。
到清末,学堂兴起,各科教师仍沿用“教习”一称。
其实“教谕”在明清时还有学官一意,即主管县一级的教育生员。
而相应府和州掌管教育生员者则谓“教授”和“学正”。
“教授”“学正”和“教谕”的副手一律称“训导”。
于民间,特别是汉代以后,对于在“校”或“学”中传授经学者也称为“经师”。
在一些特定的讲学场合,比如书院、皇室,也称教师为“院长、西席、讲席”等。
2.掌握指针式电压表、电流表内阻的测量方法。
3.熟悉电工仪表测量误差的计算方法。
二、原理说明
1.为了准确地测量电路中实际的电压和电流,必须保证仪表接入电路后不会改变被测电路的工作状态。
这就要求电压表的内阻为无穷大;电流表的内阻为零。
而实际使用的指针式电工仪表都不能满足上述要求。
因此,当测量仪表一旦接入电路,就会改变电路原有的工作状态,这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现误差。
误差的大小与仪表本身内阻的大小密切相关。
只要测出仪表的内阻,即可计算出由其产生的测量误差。
以下介绍几种测量指针式仪表内阻的方法。
2.用“分流法”测量电流表的内阻
如图1-1所示。
A为被测内阻(RA)的直流电流
表。
测量时先断开开关S,调节电流源的输出电流I
使A表指针满偏转。
然后合上开关S,并保持I值不
变,调节电阻箱RB的阻值,使电流表的指针指在1/2
满偏转位置,此时有
IA=IS=I/2
∴RA=RB∥R1可调电流源
R1为固定电阻器之值,RB可由电阻箱的刻度盘上读得。
图1-1
3.用分压法测量电压表的内阻。
如图1-2所示。
V为被测内阻(RV)的电压表。
测量时先将开关S闭合,调节直流稳压电源的
输出电压,使电压表V的指针为满偏转。
然后
断开开关S,调节RB使电压表V的指示值减半。
此时有:
RV=RB+R1
电压表的灵敏度为:
S=RV/U(Ω/V)。
式
中U为电压表满偏时的电压值。
4.仪表内阻引起的测量误差(通常称之为方可调稳压源
法误差,而仪表本身结构引起的误差称为仪表基图1-2
本误差)的计算。
(1)以图1-3所示电路为例,R1上的电压为
R11
UR1=───U,若R1=R2,则UR1=─U。
R1+R22
现用一内阻为RV的电压表来测量UR1值,当
RVR1
RV与R1并联后,RAB=───,以此来替代
RV+R1
RVR1
RV+R1
上式中的R1,则得U'R1=──────U图1-3
RVR1
───+R2
RV+R1
RVR1
RV+R1R1
绝对误差为△U=U'R1-UR1=U(─────—-────)
RVR1R1+R2
───+R2
RV+R1
-R21R2U
化简后得△U=─────────────────
RV(R21+2R1R2+R22)+R1R2(R1+R2)
U
若R1=R2=RV,则得△U=-─
6
U'R1-UR1-U/6
相对误差△U%=─────×100%=──×100%=-33.3%
UR1U/2
由此可见,当电压表的内阻与被则电路的电阻相近时,测量的误差是非常大的。
(2)伏安法测量电阻的原理为:
测出流过被测电阻RX的电流IR及其两端的电压降UR,则其阻值RX=UR/IR。
实际测量时,有两种测量线路,即:
相对于电源而言,①电流表A(内阻为RA)接在电压表V(内阻为RV)的内侧;②A接在V的外测。
两种线路见图1-4(a)、(b)。
由线路(a)可知,只有当RX<<RV时,RV的分流作用才可忽略不计,A的读数接近于实际流过RX的电流值。
图(a)的接法称为电流表的内接法。
由线路(b)可知,只有当RX>>RA时,RA的分压作用才可忽略不计,V的读数接近于RX两端的电压值。
图(b)的接法称为电流表的外接法。
实际应用时,应根据不同情况选用合适的测量线路,才能获得较准确的测量结果。
以下举一实例。
在图1-4中,设:
U=20V,RA=100Ω,RV=20KΩ。
假定RX的实际值为10KΩ。
如果采用线路(a)测量,经计算,A、V的读数分别为2.96mA和19.73V,故
RX=19.73÷2.96=6.667(KΩ),相对误差为:
(6.667-10)÷10×100=-33.3(%)
如果采用线路(b)测量,经计算,A、V的读数分别为1.98mA和20V,故
RX=20÷1.98=10.1(KΩ),相对误差为:
(10.1-10)÷10×100=1(%)
(a)(b)
图1-4
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
二路
DG04
2
可调恒流源
0~500mA
1
DG04
3
指针式万用表
MF-47或其他
1
自备
4
可调电阻箱
0~9999.9Ω
1
DG09
5
电阻器
按需选择
DG09
四、实验内容
1.根据“分流法”原理测定指针式万用表(MF-47型或其他型号)直流电流0.5mA和5mA档量限的内阻。
线路如图1-1所示。
RB可选用DG09中的电阻箱(下同)。
被测电流表量限
S断开时的表读数(mA)
S闭合时的表读数(mA)
RB(Ω)
R1(Ω)
计算内阻RA
(Ω)
0.5mA
5mA
2.根据“分压法”原理按图1-2接线,测定指针式万用表直流电压2.5V和10V档量限的内阻。
被测电压表
量限
S闭合时表读数(V)
S断开时表读数(V)
RB
(KΩ)
R1
(KΩ)
计算内阻RV(KΩ)
S
(Ω/V)
2.5V
10V
3.用指针式万用表直流电压10V档量程测量图1-3电路中R1上的电压U’R1之值,并计算测量的绝对误差与相对误差。
U
R2
R1
R10V
(KΩ)
计算值UR1
(V)
实测值U’R1
(V)
绝对误差
ΔU
相对误差
(ΔU/U)×100%
12V
10KΩ
50KΩ
五、实验注意事项
1.在开启DG04挂箱的电源开关前,应将两路电压源的输出调节旋钮调至最小(逆时针旋到厎),并将恒流源的输出粗调旋钮拨到2mA档,输出细调旋钮应调至最小。
接通电源后,再根据需要缓慢调节。
2.当恒流源输出端接有负载时,如果需要将其粗调旋钮由低档位向高档位切换时,必须先将其细调旋钮调至最小。
否则输出电流会突增,可能会损坏外接器件。
3.电压表应与被测电路并接,电流表应与被测电路串接,并且都要注意正、负极性与量程的合理选择。
4.实验内容1、2中,R1的取值应与RB相近。
5.本实验仅测试指针式仪表的内阻。
由于所选指针表的型号不同,本实验中所列的电流、电压量程及选用的RB、R1等均会不同。
实验时应按选定的表型自行确定。
六、思考题
1.根据实验内容1和2,若已求出0.5mA档和2.5V档的内阻,可否直接计算得出5mA档和10V档的内阻?
2.用量程为10A的电流表测实际值为8A的电流时,实际读数为8.1A,求测量的绝对误差和相对误差。
七、实验报告
1.列表记录实验数据,并计算各被测仪表的内阻值。
2.分析实验结果,总结应用场合。
3.对思考题的计算。
4.其他(包括实验的心得、体会及意见等)。
实验二电路元件伏安特性的测绘
一、实验目的
1.学会识别常用电路元件的方法。
2.掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测绘。
3.掌握实验台上直流电工仪表和设备的使用方法。
二、原理说明
任何一个二端元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系I=f(U)来表示,即用I-U平面上的一条曲线来表征,这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。
1.线性电阻器的伏安特性曲线是一条
通过坐标原点的直线,如图4-1中a所示,
该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。
2.一般的白炽灯在工作时灯丝处于
高温状态,其灯丝电阻随着温度的升高
而增大,通过白炽灯的电流越大,其温度
越高,阻值也越大,一般灯泡的“冷电阻”
与“热电阻”的阻值可相差几倍至十几倍,
所以它的伏安特性如图4-1中b曲线所示。
3.一般的半导体二极管是一个非线性
电阻元件,其伏安特性如图4-1中c所示。
图4-1
正向压降很小(一般的锗管约为0.2~0.3V,
硅管约为0.5~0.7V),正向电流随正向压降的升高而急骤上升,而反向电压从零一直增加到十多至几十伏时,其反向电流增加很小,粗略地可视为零。
可见,二极管具有单向导电性,但反向电压加得过高,超过管子的极限值,则会导致管子击穿损坏。
4.稳压二极管是一种特殊的半导体二极管,其正向特性与普通二极管类似,但其反向特性较特别,如图4-1中d所示。
在反向电压开始增加时,其反向电流几乎为零,但当电压增加到某一数值时(称为管子的稳压值,有各种不同稳压值的稳压管)电流将突然增加,以后它的端电压将基本维持恒定,当外加的反向电压继续升高时其端电压仅有少量增加。
注意:
流过二极管或稳压二极管的电流不能超过管子的极限值,否则管子会被烧坏。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
1
DG04
2
万用表
FM-47或其他
1
自备
3
直流数字毫安表
0~200mA
1
D31
4
直流数字电压表
0~200V
1
D31
5
二极管
IN4007
1
DG09
6
稳压管
2CW51
1
DG09
7
白炽灯
12V,0.1A
1
DG09
8
线性电阻器
200Ω,510Ω/8W
1
DG09
四、实验内容
1.测定线性电阻器的伏安特性
按图4-2接线,调节稳压电源的输出电压U,从0伏开始缓慢地增加,一直到10V,记下相应的电压表和电流表的读数UR、I。
图4-2图4-3
UR(V)
0246810
I(mA)
2.测定非线性白炽灯泡的伏安特性
将图4-2中的R换成一只12V,0.1A的灯泡,重复步骤1。
UL为灯泡的端电压。
UL(V)
0.1
0.5
1
2
3
4
5
I(mA)
3.测定半导体二极管的伏安特性
按图4-3接线,R为限流电阻器。
测二极管的正向特性时,其正向电流不得超过35mA,二极管D的正向施压UD+可在0~0.75V之间取值。
在0.5~0.75V之间应多取几个测量点。
测反向特性时,只需将图4-3中的二极管D反接,且其反向施压UD-可达30V。
正向特性实验数据
UD+(V)
0.10
0.30
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
I(mA)
反向特性实验数据
UD-(V)
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
I(mA)
4.测定稳压二极管的伏安特性
(1)正向特性实验:
将图4-3中的二极管换成稳压二极管2CW51,重复实验内容3中的正向测量。
UZ+为2CW51的正向施压。
UZ+(V)
I(mA)
(2)反向特性实验:
将图4-3中的R换成510Ω,2CW51反接,测量2CW51的反向特性。
稳压电源的输出电压UO从0~20V,测量2CW51二端的电压UZ-及电流I,由UZ-可看出其稳压特性。
UO(V)
UZ-(V)
I(mA)
五、实验注意事项
1.测二极管正向特性时,稳压电源输出应由小至大逐渐增加,应时刻注意电流表读数不得超过35mA。
2.如果要测定2AP9的伏安特性,则正向特性的电压值应取0,0.10,0.13,0.15,0.17,0.19,0.21,0.24,0.30(V),反向特性的电压值取0,2,4,……,10(V)。
3.进行不同实验时,应先估算电压和电流值,合理选择仪表的量程,勿使仪表超量程,仪表的极性亦不可接错。
六、思考题
1.线性电阻与非线性电阻的概念是什么?
电阻器与二极管的伏安特性有何区别?
2.设某器件伏安特性曲线的函数式为I=f(U),试问在逐点绘制曲线时,其坐标变量应如何放置?
3.稳压二极管与普通二极管有何区别,其用途如何?
4.在图4-3中,设U=2V,UD+=0.7V,则mA表读数为多少?
七、实验报告
1.根据各实验数据,分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。
(其中二极管和稳压管的正、反向特性均要求画在同一张图中,正、反向电压可取为不同的比例尺)
2.根据实验结果,总结、归纳被测各元件的特性。
3.必要的误差分析。
4.心得体会及其他。
实验三基尔霍夫定律的验证
一、实验目的
1.验证基尔霍夫定律的正确性,加深对基尔霍夫定律的理解。
2.学会用电流插头、插座测量各支路电流。
二、原理说明
基尔霍夫定律是电路的基本定律。
测量某电路的各支路电流及每个元件两端的电压,应能分别满足基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL)。
即对电路中的任一个节点而言,应有ΣI=0;对任何一个闭合回路而言,应有ΣU=0。
运用上述定律时必须注意各支路或闭合回路中电流的正方向,此方向可预先任意设定。
三、实验设备
同实验五
四、实验内容
实验线路与实验五图5-1相同,用DG05挂箱的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路。
1.实验前先任意设定三条支路和三个闭合回路的电流正方向。
图5-1中的I1、I2、I3的方向已设定。
三个闭合回路的电流正方向可设为ADEFA、BADCB和FBCEF。
2.分别将两路直流稳压源接入电路,令U1=6V,U2=12V。
3.熟悉电流插头的结构,将电流插头的两端接至数字毫安表的“+、-”两端。
4.将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中,读出并记录电流值。
5.用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值,记录之。
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
测量值
相对误差
五、实验注意事项
1.同实验五的注意1,但需用到电流插座。
2.所有需要测量的电压值,均以电压表测量的读数为准。
U1、U2也需测量,不应取电源本身的显示值。
3.防止稳压电源两个输出端碰线短路。
4.用指针式电压表或电流表测量电压或电流时,如果仪表指针反偏,则必须调换仪表极性,重新测量。
此时指针正偏,可读得电压或电流值。
若用数显电压表或电流表测量,则可直接读出电压或电流值。
但应注意:
所读得的电压或电流值的正确正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。
六、预习思考题
1.根据图5-1的电路参数,计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值,记入表中,以便实验测量时,可正确地选定毫安表和电压表的量程。
2.实验中,若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流,在什么情况下可能出现指针反偏,应如何处理?
在记录数据时应注意什么?
若用直流数字毫安表进行测量时,则会有什么显示呢?
七、实验报告
1.根据实验数据,选定节点A,验证KCL的正确性。
2.根据实验数据,选定实验电路中的任一个闭合回路,验证KVL的正确性。
3.将支路和闭合回路的电流方向重新设定,重复1、2两项验证。
4.误差原因分析。
5.心得体会及其他。
实验四戴维南定理和诺顿定理的验证
──有源二端网络等效参数的测定
一、实验目的
1.验证戴维南定理和诺顿定理的正确性,加深对该定理的理解。
2.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二、原理说明
1.任何一个线性含源网络,如果仅研究其中一条支路的电压和电流,则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络(或称为含源一端口网络)。
戴维南定理指出:
任何一个线性有源网络,总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替,此电压源的电动势Us等于这个有源二端网络的开路电压Uoc,其等效内阻R0等于该网络中所有独立源均置零(理想电压源视为短接,理想电流源视为开路)时的等效电阻。
诺顿定理指出:
任何一个线性有源网络,总可以用一个电流源与一个电阻的并联组合来等效代替,此电流源的电流Is等于这个有源二端网络的短路电流ISC,其等效内阻R0定义同戴维南定理。
Uoc(Us)和R0或者ISC(IS)和R0称为有源二端网络的等效参数。
2.有源二端网络等效参数的测量方法
(1)开路电压、短路电流法测R0
在有源二端网络输出端开路时,用电压表直接测
其输出端的开路电压Uoc,然后再将其输出端短路,
用电流表测其短路电流Isc,则等效内阻为
Uoc
R0=──
Isc
如果二端网络的内阻很小,若将其输出端口短路图9-1
则易损坏其内部元件,因此不宜用此法。
(2)伏安法测R0
用电压表、电流表测出有源二端网
络的外特性曲线,如图9-1所示。
根据
外特性曲线求出斜率tgφ,则内阻
△U Uoc
R0=tgφ=──=──。
△I Isc
也可以先测量开路电压Uoc,图9-2
再测量电流为额定值IN时的输出
Uoc-UN
端电压值UN,则内阻为R0=────。
IN
(3)半电压法测R0
如图9-2所示,当负载电压为被测网络开
路电压的一半时,负载电阻(由电阻箱的读数
确定)即为被测有源二端网络的等效内阻值。
(4)零示法测UOC图9-3
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时,用电压表直接测量会造成较大的误差。
为了消除电压表内阻的影响,往往采用零示测量法,如图9-3所示.。
零示法测量原理是用一低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较,当稳压电源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时,电压表的读数将为“0”。
然后将电路断开,测量此时稳压电源的输出电压,即为被测有源二端网络的开路电压。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
1
DG04
2
可调直流恒流源
0~500mA
1
DG04
3
直流数字电压表
0~200V
1
D31
4
直流数字毫安表
0~200mA
1
D31
5
万用表
1
自备
6
可调电阻箱
0~99999.9Ω
1
DG09
7
电位器
1K/2W
1
DG09
8
戴维南定理实验电路板
1
DG05
四、实验内容
被测有源二端网络如图9-4(a)。
(a)图9-4(b)
Uoc
(v)
Isc
(mA)
R0=Uoc/Isc
(Ω)
1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效
电路的Uoc、R0和诺顿等效电路的ISC、R0。
按
图9-4(a)接入稳压电源Us=12V和恒流源Is=10mA,
不接入RL。
测出UOc和Isc,并计算出R0。
(测UOC
时,不接入mA表。
)
2.负载实验
按图9-4(a)接入RL。
改变RL阻值,测量有源二端网络的外特性曲线。
U(v)
I(mA)
3.验证戴维南定理:
从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值,然后令其与直流稳压电源(调到步骤“1”时所测得的开路电压Uoc之值)相串联,如图9-4(b)所示,仿照步骤“2”测其外特性,对戴氏定理进行验证。
U(v)
I(mA)
4.验证诺顿定理:
从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值,然后令其与直流恒流源(调到步骤“1”时所测得的短路电流ISC之值)相并联,如图9-5所示,仿照步骤“2”测其外特性,对诺顿定理进行验证。
U(v)
I(mA)
5.有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)的直接测量法。
见图9-4(a)。
将被测有源网络内的所有独立源置零(去掉电流源IS和电压源US,并在原电压源所接的两点用一根短路导线相连),然后用伏安法或者直接用万用表的欧姆档去测定负载RL开路时A、B两点间的电阻,此即为被测网络的等效内阻R0,或称网络的入端电阻Ri。
6.用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻R0及其开路电压Uoc。
线路及数据表格自拟。
五、实验注意事项
1.测量时应注意电流表量程的更换。
2.步骤“5”中,电压源置零时不可将
稳压源短接。
3.用万表直接测R0时,网络内的独立
源必须先置零,以免损坏万用表。
其次,欧
姆档必须经调零后再进行测量。
图9-5
4.用零示法测量UOC时,应先将稳压电源的输出调至接近于UOC,再按图9-3测量。
5.改接线路时,要关掉电源。
六、预习思考题
1.在求戴维南或诺顿等效电路时,作短路试验,测ISC的条件是什么?
在本实验中可否直接作负载短路实验?
请实验前对线路9-4(a)预先作好计算,以便调整实
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- 基本 电工仪表 使用 测量误差 计算 11