本文格式為Word版，下載可任意編輯——萬用表原理與使用第一章萬用表原理與使用

萬用表是一種最常用的測量儀表，以測量電壓、電流和電阻三大參量為主，因此也稱為三用表，國家標準中稱為復用表。有些萬用表還可以用來測量交流電流、交流電壓、電容、電感及半導體三極管的直流電流放大倍數等。

萬用表的種類好多，根據測量結果的顯示方式的不同，可分為模擬式(指針式)和數字式兩大類，其結構特點都是用一塊表頭(模擬式)或一塊液晶顯示器(數字式)來指示讀數，用轉換器件、轉換開關來實現各種不同測量目的的轉換。

第一節模擬式萬用表

模擬式萬用表的測量過程是先通過一定的測量電路，將被測電量轉換成電流信號，再由電流信號去驅動磁電式表頭指針的偏轉，在刻度尺上指示出被測量的大小。測量過程如圖1．1．1所示。由此可見，模擬式萬用表是在磁電式微安表頭的基礎上擴展而成的。

圖1．1．1模擬式萬用表的測量過程

一、磁電式微安表頭

模擬式萬用表的核心部件是磁電式微安表頭。磁電式表頭利用磁場中通電線圈受磁場力作用而轉動的原理工作，利用線圈的轉動帶動固定在線圈上的指針轉動而指示出流過線圈的電流的大小。

磁電式表頭結構如圖1．1．2所示，它由固定和可動兩部分組成。固定部分由永久磁鐵、極掌N和S極、固定在極掌中間的圓柱形鐵芯、機械零位調理器和表盤組成。極掌與圓柱形鐵芯間的空氣隙是均勻的。永久磁鐵產生強磁場，圓柱形鐵芯將磁場集中在鐵芯和氣隙中。機械零點調理器的作用是：當線圈沒有電流流過時，指針若不指在表盤刻度尺的零位，可人工轉動零位調理器，使指針轉至零位。

圖1．1．2磁電式表頭結構

可動部分由鋁框、線圈、前后兩根半軸、兩個螺旋彈簧和指針組成。線圈繞在鋁框上，鋁框固定在兩個半軸上，軸上裝有指針，兩個半軸可在軸承中轉動。鋁框可以圍圍著圓柱形鐵芯轉動。線圈的兩頭與裝在兩個半軸上的螺旋彈簧的一端相接，螺旋彈簧另一端固定在半軸上，螺旋彈簧除了產生抵擋力矩外，還是將電流引入和引出的通路。

磁電式表頭指針的偏轉角度能快速、確鑿無誤地指示出被測量的大小，主要是以下幾個力矩綜合作用的結果。1．轉動力矩

該力矩是通電線圈受磁場力的作用而產生的，如圖1．1．3所示，當線圈通過電流時，它在均勻磁場中就會受到磁場力的作用，根據左手定則可以確定力的方向是與線圈平面相垂直的，并且產生在線圈兩邊。這兩個大小相等方向相反的力就會對線圈形成轉動力矩，使線圈發生轉動。轉動力矩的大小可由下式計算

M=F·b

式中：F——線圈兩邊分別所受的力(C邊或D邊)；

b——線圈的寬度(C，D邊之間的距離)。

而F=BLNI

式中：B——極掌與鐵芯氣隙中的磁場強度；L——線圈邊長；N——線圈匝數；

I——線圈中流過的電流。

所以，M=BLNIb，其中L·b=S為線圈面積。

當表頭制成后，B，S，N都為固定不變的常數，令K二BSN，則M=K·I

此式說明，磁電式表頭中旋轉力矩的大小與流過線圈的電流的大小成正比。

2．抵擋力矩

該力矩是由螺旋彈簧產生的，當線圈受轉動力矩的作用而旋轉時，拉緊了螺旋彈簧而產生抵擋力矩。當抵擋力矩與轉動；勺矩相等時，指針就中止在某一位置上，形成一個偏轉角。偏轉角越大，抵擋力矩也越大，其數值由下式決定

Mα=ω·α式中：Mα——抵擋力矩；

ω——彈簧的彈性系數；α——指針偏轉角度。

當指針在某一位置中止轉動時，說明旋轉力矩與抵擋力矩大小相等方向相反。即M=Mα

因此有KI=ω·αα=(K／ω)I令K／ω=SI，則

α=SI·I

從上式可見，指針偏轉角的大小與線圈中流過電流的大小成線性關系，所以表盤上刻度尺的刻度是均勻的。

SI=α/I

SI稱為表頭的電流靈敏度，其物理意義為：單位電流作用下表針的偏轉角度。

3．阻尼力矩

該力矩是由轉動的鋁框受磁場力的作用而產生的。由于線圈轉動而帶動鋁框一起轉動，使得穿過鋁框的磁通發生變化，從而產生感應電流。這個感應電流方向始終與線圈中流過的電流的方向相反，因而感應電流在磁場中產生的力矩也始終與轉動力矩方向相反，稱為阻尼力矩，阻尼力矩減小了指針由于慣性作用而來回搖擺的幅度，使指針很快中止在平衡位置上。當指針中止在平衡位置時，阻尼力矩等于零。因此阻尼力矩不影響指針的偏轉角，只起到縮短指針搖擺時間的作用。

4．摩擦力矩

該力矩是當線圈轉動時，轉軸與軸承間產生的一個力矩，這個力矩將影響指針的指示偏差，由于摩擦力矩的方向永遠與運動方向相反，所以偏差可正可負，且摩擦力矩越大，偏差也越大，測量誤差也越大。為了提高儀表的確鑿度，尋常轉軸和軸承的材料都選用優質、耐磨的合金材料，并經過細心研磨加工。

二、表頭參數及其測量方法

磁電式表頭是一種直流式檢流計，它具有兩個重要的參數，即表頭靈敏度與表頭內阻，這兩個參數既是決定儀表確鑿度的重要依據，也是設計萬用表的重要依據。

1．表頭靈敏度及其測量方法

表頭靈敏度是指表頭指針滿偏時，流過表頭線圈的電流量，用字母Ig表示。Ig越小，說明表頭靈敏度越高，即表頭線圈流過較小的電流，即可使指針產生較大的偏轉。一般微安表頭的表頭靈敏度在100μA以下。

表頭靈敏度的測量方法如圖1．1．4所示。測量時，首先將待測表頭與標準微安電流表及限流電阻R0，Rp(可變電阻器)串接在一起，連接到直流穩壓電源上，分別調整電路輸入電壓U與RP，使得被測表頭指示達滿偏，然后讀出標準微安電流表的讀數即為被測表頭靈敏度Ig。標準微安表的確鑿度應比被測表頭的確鑿度高，量程應大于或等于被測表頭的量程。

圖1．1．4表頭靈敏度的測量

2．表頭內阻及其測量方法

表頭內阻是指表頭線圈和前后兩個螺旋彈簧的直流電阻之和，記作Rg。由于彈簧的直流電阻遠小于線圈電阻，所以可認為R，近似等于線圈電阻。一般微安表頭的表頭內阻為幾百歐姆。常用的表頭內阻測量方法有兩種：

(1)半偏法

測量電路如圖1．1．5所示。圖中只是一個大小可調的標準電阻箱，Rg為被測表頭內阻。調理直流穩壓電源US，和電阻箱R的大小，使待測表頭的電流指示達最大值Ig(滿偏)，記此時電阻箱的阻值為Rg，，電壓表讀數為U0，則滿偏電流為

Ig=U0／(Rl+Rg)保持U0不變，調理可變電阻箱R，使被測表頭的電流指示為Ig／2(即半偏)，記此時電阻箱阻值為R2，則

Ig／2=U。／(R2+Rg)

聯立式(1—1—9)與(1—1—10)可得表頭內阻Rg為Rg=R2—2Rl

(2)定值偏轉法

測量電路如圖1．1．6所示。圖中：尺，RN均為標準電阻箱，Rg為被測表頭內阻，在沒有合上開關K時，與半偏法一致，先調理電源US和可變電阻R，使待測表頭的電流指示為最大值Ig(滿偏)，其值以式Ig=U0／(Rl+Rg)計算，然后合上開關K(注：在合上開關前，RN阻值盡量取小一些)，調理電阻箱R使其阻值為原阻值Rl的一半，記為R2，即R2=R1／2，再調理RN，使表頭的電流指示仍為滿偏Ig，并保持電源電壓為U0不變，此時Ig與電源電壓，可變電阻的關系為

Ig=U0/（R2+Rg//RN）·RN/(Rg+RN)

解聯列方程()與()可得表頭內阻Rg為Rg=RN三、直流電流表的的基本原理

1。單量程電流表

一個磁電式表頭就是一個電流表，只不過它的量程為Ig(一般為幾微安一幾十微安)，若要測較大的電流時，根據并聯電阻可以分流的原理，在表頭兩端并聯一個適當阻值、適當功耗的電阻即可，如圖1．1．7所示。其中RS稱為分流電阻，阻值的大小可用下式計算．RS=Rg／(n一1)(1—1—14)

式中，n=I／Ig，稱為分流系數，它表示表頭量程擴大的倍數。當RS為定值時，被測電流I與流過表頭的電流的大小成一定的比例關系，因此表頭指針的偏轉角可以反映被測電流的大小。RS的功耗可用式(1—1—15)計算PS=IS2·RS(2—1—15)

式中IS為流過分流電阻的電流，由于IS一般都大于Ig，所以RS的功耗計算常用下式PS=I2·RS

在選擇電阻時考慮留有一定的余量，RS應選功耗大于或等于1．2Ps的電阻。

2。多量程電流表、

在實際當中，往往把電流表設計成多量程的，即在表頭兩端并聯上不同阻值的電阻，由轉換開關接人電路。從保護表頭的安全因素出發，各分流器與表頭接成閉路式的，稱為“環形分流器〞，電路如圖1．1．8所示。此電流表有三檔量程，分別為Il，I2，I3。量程Il的分流器為R1。I2量程的分流器為Rl+R2。I3量程的分流器為R1+R2+R3。各檔分流器電阻值的計算方法如下。

圖1．1．8多量程電流表原理圖

(1)首先計算R1+R2+R3值

令RS=R1+R2+R3，則根據式(1—1—14)可得RS=Rg／(n3—1)式中n3=I3／Ig

(2)然后計算R1的值

由于R1（I1—Ig）=Ig·(R2+R3+Rg)又由于R2+R3=RS—R1

所以R1（I1—Ig）=Ig·(RS—R1+Rg)得R1=Ig·(RS+Rg)/I1(3)再計算R3的值由圖1．1．8可知

（R1+R2）（I2—Ig）=Ig·(R3+Rg)

由于R1+R2=RS—R3

所以（RS—R3）·（I2—Ig）=Ig·(R3+Rg)得R3=RS—(RS+Rg)/n2(4)最終計算R2的值

由于RS=R1+R2+R3

所以R2=RS—（R1+R3）

四、直流電壓表的基本原理

1．單量程電壓表分壓電阻計算

用單獨的一個磁電式表頭就可測量小于Ug(Ug=Ig·Rg)的直流電壓，若要測較大的電壓根據串聯電阻可以分壓的原理，在表頭上串聯一個適當阻值的電阻即可，如圖1.1．9所示。Rv稱為分壓電阻，阻值大小用下式計算Rv=(U-IgRg)／Ig(1-1-21)

圖1．1．9單量程直流電壓表原理圖圖1．1．10多量程直96電壓表原理圖

2．多量程電壓表分壓電阻的計算一個分壓電阻與表頭串聯，可以制成一塊單量程的直流電壓表，若多個分壓電阻與表頭串聯，就可制成多量程的直流電壓表，電路原理圖如圖1．1．10所示。分壓電阻分別以下式計算

RV1=（U1—IgRg）/Ig

RV2=（U2—U1）/IgRV3=（U3—U2）/Ig…

RVn=（Un—Un—1）/Ig

3．直流電壓表靈敏度的概念由圖１．1．10可得

Ig＝U1／（Rg＋RV1）＝U２／（Rg＋RV1＋RV2）＝…＝Un／（Rg＋RV1＋…+RVn）1/Ig＝（Rg＋RV1）/U1＝（Rg＋RV1＋RV2）/U２＝…＝（Rg＋RV1＋…+RVn）／Un

式(１-1-22)表示電壓表測量單位電壓所需要的內阻值，單位為Ω／V，稱為直流電壓靈敏度，記為Sv—，即Sv—＝1／Ig。若Sv—已知，則電壓表每檔內阻R'vn就等于電壓靈敏度乘上該檔量程值。即R'vn=Sv·Un(1—1—23)

直流電壓靈敏度是直流電壓表的重要參數，它直接反映了所測直流電壓的確鑿程度與電壓表對被

測電路的影響程度。R'vn越大對測量電路影響越小，確鑿度也越高。

五、交流電流表與交流電壓表的基本原理

1．交流電流表

磁電式表頭不能直接用來測量交流電參數，由于其可動部分的慣性較大，跟不上交流電流流過表頭線圈所產生的轉動力矩的變化，因而不能指示交流電的大小。若把交流電轉換成單方向的直流電，讓直流電流通過表頭，則表針偏轉角的大小就間接反映了交流電的大小。把交流電轉變為直流電的過程稱為整流。整流分為兩類，即半波整流和全波整流，電路分別如圖1．1．11，1．1．12所示。

圖1．1．11半波整流式表頭原理圖1．1．12全波整流式表頭原理

二極管是整流電路中的關鍵器件，其導電特性可用圖1．1．13所示的伏安曲線來表示，從圖中可知，當二極管的正極加高電位，負極加低電位時，隨所加電壓的增加，流過二極管的電流也逐漸增大，若所加電壓超過LTD(硅管為0．7V,鍺管為0．3V)，則流過二極管的電流將迅速增大。而當正極加低電位，負極加高電位時，流過二極管的電流幾乎為零(幾十微安數量級)，若所加電壓超過擊穿電壓值，二極管將擊穿損壞。從以上分析可知，整流二極管具有單向導電的特性。假使把正弦交流電信號施于如圖1．1．11所示的電路中，在交流信號的正半周二極管D1導通，D2截止，負半周D2導通，Dl截止，可見在一個周期內只有半個周期的電流流過表頭，如圖1．1．14所示。

由于磁電式表頭可動部分的的惰性作用，表頭指針只能反映脈動電流的平均值