指针式万用表的工作原理
指针式万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表(微安表)做表头。当微小电流通过表头,就会有电流指示。但表头不能通过大电流,所以,必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压,从而测出电路中的电流、电压和电阻。
指针式万用表的表头一般是一只直流微安表,它是万用表的核心,万用表的灵敏度、准确度等级、阻尼特性等重要性能通常由表头的性能决定。表头的灵敏度是以满刻度时的测量电流来衡量的,此电流又称满偏电流(满偏电流大多在1 0~100μA范围内),表头的满偏电流越小,灵敏度就越高。其灵敏度用满偏电流的倒数表示,通常情况下为:20000Ω/V DC;4000Ω/V AC。
指针式万用表工作时通过转换开关来选择不同的挡位,如图1所示。
图1 指针式万用表原理简图
万用表的转换开关是一个多挡位的旋转开关。用来选择测量项目的种类和量程(或倍率)。一般的万用表测量项目包括直流电流“mA”、直流电压“V”、交流电压“V ~”、电阻“Ω”。每个测量项目又划分为几个不同的量程(或倍率)以供选择。测量线路将不同性质和大小的被测电量转换为表头所能接受的直流电流。
指针式万用表可以测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等多种电量。
当转换开关拨到直流电流挡时,可分别与5个接触点接通,用于500mA、50
mA、5mA、0.5mA和50μA量程的直流电流测量。
同样,当转换开关拨到欧姆挡时,可用×1、×10、×100、×1k、×10k倍率分别测量电阻;
当转换开关拨到直流电压挡时,可用于0.25V、1V、2.5V、10V、50V、250V、500V和1000V量程的直流电压测量;
当转换开关拨到交流电压挡时,可用于10V、50V、250V、500V、1000V量程的交流电压测量。
表笔分为红、黑两支。使用时应将红表笔插入标有“+”号的插孔中,黑表笔插入标有“-”号的插孔中。有些万用表还提供2500V交直流电压扩大插孔及5A的直流电流扩大插孔。
1、指针式万用表电阻挡的工作原理
指针式万用表测电阻时将转换开关SA拨到“Ω”挡,这时的电路回路如图2所示。
图2 指针式万用表电阻挡的电流回路
通过图2可以知道,万用表的电阻挡就是将电池、表头及内部电阻与待测电阻串联形成回路,这个回路中的电流驱动指针偏转,从而在刻度盘上指示出对应的测量阻值。
万用表测量电阻功能是依据欧姆定律进行的。利用通过被测电阻的电流及其两端的电压来反映被测电阻的大小,使电路中的电流大小取决于被测电阻的大小,即流经表头的电流由被测电阻所决定,此电流反映在表盘上,通过欧姆刻度尺即显示被测电阻的阻值。
指针式万用表的电阻挡刻度标尺如图3最上端所示。
图3 指针式万用表的电阻挡刻度标尺
由图3可知,电阻挡的刻度是反向且不均匀的,这是为什么呢?
这是由于采用电阻挡测量电阻时外部没有电流通入,因此必须使用内部电池作为电源,设外接的被测电阻为Rx,表内的总电阻为R,形成的电流为I,由R x、电池E、可调电位器RP、固定电阻R1 和表头部分组成闭合电路,形成的电流I使表头的指针偏转。红表笔与电池的负极相连,通过电池的正极与电位器R 相连,经过表头接到黑表笔与被测电阻Rx形成回路产生电流使P及固定电阻R
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表头指针偏转。回路中的电流为:。
从上式可知:I和被测电阻Rx不成线性关系,所以表盘上电阻标度尺的刻度是不均匀的。当电阻越小时,回路中的电流越大,指针的摆动越大,因此电阻挡的标度尺刻度是反向分度。
当万用表红黑两表棒直接连接时,相当于外接电阻最小Rx=0,那么:
此时通过表头的电流最大,表头摆动最大,因此指针指向满刻度处,向右偏转最大,显示阻值为0。
反之,当万用表红黑两表棒开路时,Rx→∞,R可以忽略不计,那么:
此时通过表头的电流最小,因此指针指向0刻度处,显示阻值为无穷大。
当被测电阻Rx的阻值等于该欧姆挡内部电路的总内阻值时,仪表的总电流为满偏电流的一半,指针的位置刚好是满偏刻度的一半,并指在标尺的几何中心线上,此时指针所指的欧姆值称为欧姆中心值。
待测电阻为内部电阻两倍时电表偏转角度为三分之一满刻度;待测电阻为内部电阻一半时电表偏转角度为三分之二满刻度。
选择电阻量程时,应根据被测电阻的数值选择合适的量程,使指针指在欧姆中心值左右。只有被测电阻在0.1~10倍欧姆中心值范围内读数才较准。
使用转换开关连接不同的内部电阻,可改变其测量范围,形成多范围的电阻挡,如图4所示。
图4 电阻挡扩充量程电路
由图4以看出电阻测量电路是在50μA的直流电流挡的基础上组成的,图4中, 4.3kΩ、1.6kΩ和可调电阻、1.9kΩ电阻共同组成分压式欧姆调零电路,1. 9kΩ可调电阻就是欧姆调零电阻。
图4所示的MF-500型万用表电阻挡共有五挡倍率。1~1k挡采用1.5V的电压。10k挡则采用9+1.5=10.5V的电压。
MF-500型利用两只转换开关S1、S2,可组成不同的测量电路,避免由于开关的失误而造成仪表的损坏。
常用的MF-47万用表的电阻挡电路如图5所示。
图5 MF-47万用表的电阻挡电路
图5中,将转换开关置于电阻挡,被测电阻接在“+”、“-”两端,便构成电阻测量电路。电阻自身不带电源,因此接入电池E1 和E2,电池E2 只有在R ×10k挡才接入电路,与1.5V的电池E1 串联,为测量电路提供10.5V的供电电压。
图中和表头相并联的两个二极管D3、D4 为保护二极管,保护表头两端的电压不超过0.7V。电容C1 主要起阻尼作用,也起一定的保护作用,如将其增大,则指针转动会变慢。500Ω可调电阻WH2 用来校正读数偏差。
2、指针式万用表直流电压挡的工作原理
指针式万用表直流电压挡的基本电路如图6所示。
在直流电压挡,测量电压经过串联和并联的分压电阻后再经过与表头串联的倍率电阻驱动指针偏转,在表盘上显示出相应的电压值。
指针万用表的使用方法视频教程实际电路中,万用表是通过串联倍率电阻分压来达到扩大量程的目的的。所串联的倍率电阻越大,则可测量的电压就越高。使用选择开关插接不同倍率电阻,可改变其测量范围,形成多挡位的电压表,如图7所示。