基本电工仪表的使用及测量误差的计算.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流基本电工仪表的使用及测量误差的计算.精品文档.实验一基本电工仪表的使用及测量误差的计算一、实验目的 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。 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 IAISI/2 RARBR1 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：RVRBR1电压表的灵敏度为：SRV/U (/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 R1 1UR1 U，若R1R2，则 UR1 U 。 R1R2 2现用一内阻为RV的电压表来测量UR1值，当RVR1RV与R1并联后，RAB，以此来替代RVR1RVR1 RVR1上式中的R1，则得U'R1 U 图 1-3 RVR1 R2 RVR1 RVR1 RVR1 R1 绝对误差为UU'R1UR1U( ) RVR1 R1R2 R2 RVR1 R2 1R2U 化简后得 U RV(R2 12R1R2R2 2)R1R2(R1R2) U若 R1R2RV，则得U 6 U'R1UR1 -U/6 相对误差 U×100×10033.3% UR1 U/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，电流表A（内阻为RA）接在电压表V（内阻为RV）的内侧；A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RXRV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RXRA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=100，RV=20K。假定RX的实际值为10K。 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(K), 相对误差为：（6.66710）÷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(K), 相对误差为：（10.110）÷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030V二路DG042可调恒流源0500mA1DG043指针式万用表MF-47或其他1自备4可调电阻箱09999.91DG095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（）R1（）计算内阻RA（）0.5 mA5 mA2. 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(K)R1(K)计算内阻RV（K）S(/V)2.5V10V3. 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UR1之值，并计算测量的绝对误差与相对误差。UR2R1R10V(K)计算值UR1（V）实测值UR1(V)绝对误差U相对误差(U/U)×100%12V10K50K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If(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0.20.3V，硅管约为0.50.7V），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030V1DG042万 用 表FM-47或其他1自备3直流数字毫安表0200mA1D314直流数字电压表0200V1D315二 极 管IN40071DG096稳 压 管2CW511DG097白 炽 灯12V，0.1A1DG098线性电阻器200，510/8W1DG09四、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 4-3UR（V）0 2 4 6 8 10I（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）0.10.512345I（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00.75V之间取值。在0.50.75V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)0.100.300.500.550.600.650.700.75I（mA）反向特性实验数据UD(V)0-5-10-15-20-25-30I（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510，2CW51反接，测量2CW51的反向特性。稳压电源的输出电压UO从020V，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If(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I0；对任何一个闭合回路而言，应有U0。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U16V，U212V。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tg，则内阻U Uoc R0tg 。 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UocUN 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030V1DG042可调直流恒流源0500mA1DG043直流数字电压表0200V1D314直流数字毫安表0200mA1D315万用表1自备6可调电阻箱099999.91DG097电位器1K/2W1DG098戴维南定理实验电路板1DG05 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()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9-54. 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，以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表的量程。2. 说明测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法， 并比较其优缺点。七、实验报告1. 根据步骤2、3、4，分别绘出曲线，验证戴维南定理和诺顿定理的正确性， 并分析产生误差的原因。2. 根据步骤1、5、6的几种方法测得的Uoc与R0与预习时电路计算的结果作比较，你能得出什么结论。3. 归纳、总结实验结果。4. 心得体会及其他。实验五 功率因数及相序的测量一、实验目的1. 掌握三相交流电路相序的测量方法。2. 熟悉功率因数表的使用方法，了解负载性质对功率因数的影响。二、原理说明图27-1为相序指示器电路，用以测定三相电源的相序A、B、C（或U、V、W）。它是由一个电容器和两个电灯联接成的星 图27-1形不对称三相负载电路。如果电容器所接的是A相，则灯光较亮的是B相，较暗的是C相。相序是相对的，任何一相均可作为A相。但A相确定后，B相和C相也就确定了。为了分析问题简单起见图 28-1设 XCRBR CR， AUp0°则 Up(-0.3j1.466)1.49-101.6°Up Up(-0.3j0.266)0.4-138.4°Up 由于'B'C，故B相灯光较亮。三、实验设备 序号名 称型号与规格数量备注1单相功率表（DDJ-07）2交流电压表0500V3交流电流表05A4白灯灯组负载15W/220V3DGJ-045电感线圈30W镇流器1DGJ-046电容器1F，4.7FDGJ-05四、实验内容1. 相序的测定(1) 用 220V、15W白炽灯和1F/500V 电容器，按图27-1 接线，经三相调 图27-2压器接入线电压为220V的三相交流电源，观察两只灯泡的亮、暗，判断三相交流电源的相序。(2) 将电源线任意调换两相后再接入电路，观察两灯的明亮状态，判断三相交流电源的相序。2. 电路功率(P)和功率因数（cos）的测定按图27-2接线，按下表所述在A、B间接入不同器件，记录cos表及其它各表的读数，并分析负载性质。ABA、B间U（v）UR（v ）UL（v）UC（V）I（V）P（w）Cos负载性质短接接入C接入L接入L和C说明：C为4.7F/500V，L为30W日光灯镇流器。五、实验注意事项 每次改接线路都必须先断开电源。六、预习思考题 根据电路理论，分析图27-1检测相序的原理。七、实验报告1. 简述实验线路的相序检测原理。2. 根据U、I、P三表测定的数据，计算出cos，并与cos表的读数比较，分析误差原因。3. 分析负载性质与cos的关系。4. 心得体会及其他。