第十章 第四节 多用电表

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 10–30  飞机仪表盘

 

在现代的工厂、交通运输工具以及航空航天器上都能看到各类仪表。它们中绝大多数是由电表和传感器构成的，通过数字或者指针显示的方式非常直观地体现着各种量的变化，在帮助我们操作设备、减少事故、节约能源、防止污染等方面发挥着重要的作用。例如，如图 10–30 所示的飞机仪表盘就可以帮助飞行员及时掌握有关飞机自身或飞行状态的各项数据。

多用电表是一种集测量电压、电流、电阻于一体的多用途电表。多用电表也是装配、修理电子仪器的必备检测工具，常见的有指针式和数字式两种。

指针式多用电表可以用来测量电压、电流、电阻等电学量。它的外部有刻度盘、旋转式选择开关、调零旋钮和红黑表笔插孔等，如图 10–31（a）所示。

数字式多用电表的外部主要有液晶显示屏、电源开关、功能旋钮（其中量程选择有手

 

动和自动两种），以及若干表笔插孔。表笔插孔中标有“COM” 的为公共插孔，测量时需插入黑表笔。其他插口处标有“V”“A”“Ω”，分别代表测量电压、电流、电阻时红表笔对应的插孔，如图 10–31（b）所示。此外，数字式多用电表还可以测量交流信号频率、电容值等。由于数字式多用电表更为精确和便捷，现在已逐步代替指针式多用电表成为主流。

 

在使用数字式多用电表之前，需检查表笔以及表壳是否有损坏；接通电源，判断电池是否能正常供电。若遇到问题应及时检查更换。

测量时，应按需求调节功能旋钮到相应的挡位，待示数稳定后才能开始测量。使用完毕后，功能旋钮应旋至 OFF 挡，或者旋至交流高压挡，并关闭电源。长期不使用还应取出电池。

1．使用数字式多用电表测量电压

如图 10–32 所示为利用滑动变阻器调节小灯泡亮度的电路。电路中电源电压为 3 V，小灯泡的规格为“2.5 V，0.3 A”。连接电路，闭合开关。为了使小灯泡正常发光，应调节滑动变阻器滑片的位置，利用数字式多用电表测量小灯泡两端的电压，直至额定电压为止，具体步骤如下：

① 将红表笔插入电压插孔，黑表笔插入公共插孔；

② 将功能旋钮旋转至（直流）电压挡，根据待测值选择合适的量程；

③ 在电路接通的情况下，将红、黑表笔的金属笔尖分别与小灯泡两端的 a、b 两点接触（红表笔接高电势），如图 10–32 所示；

④ 缓慢调节滑动变阻器滑片的位置，直到数字式多用

 

电表的示数为 2.5 V 为止。此时小灯泡在额定电压下工作。

测量时要选择合适的量程，若液晶屏显示“ OL” 或最高位显示“ 1” 等字样，则代表量程选择过小，待测量超过量程。此时应断开多用电表连接，重新换挡后继续测量。若无法预估待测值，应选择最大量程测量一次，再逐渐减小至最合适的量程。

 

2．使用数字式多用电表测量电流

在先前的图 10–32 电路中，为了检验小灯泡在额定电压下的工作电流，可以使用数字式多用电表继续实验，具体步骤如下：

① 将红表笔插入电流插孔，黑表笔插入公共插孔；

② 将功能旋钮旋转至（直流）电流挡，根据待测值选择合适的量程；

③ 断开电路，将红、黑表笔的金属笔尖分别与电路中的 c、d 两点接触（接通电路后，电流由红表笔流入多用电表），如图 10–33 所示；

④ 闭合开关，保持小灯泡正常发光时滑动变阻器滑片的位置不变，记录数字式多用电表的电流示数。

值得注意的是，由于数字式电表的内部结构不同，测量较小电流（μA 或 mA）和较大电流（A）时，红表笔应插入不同的插孔，在实际使用时，应根据待测值选择合适的插孔。

3．使用数字式多用电表测量电阻

使用数字式多用电表测量电阻的基本步骤如下：

① 将红表笔插入电阻插孔，黑表笔插入公共插孔；

② 将功能旋钮旋转至电阻挡位，根据待测电阻的估计值选择合适的量程；

③ 将红、黑表笔与待测电阻相连，如图 10–34 所示，从数字式多用电表中直接读出阻值。

使用数字式多用电表测量电阻时，必须先把电阻从电路中断开。测量时既要保持表笔与电阻良好接触，又不能使待测电阻与其他导电物体（包括手）接触。

 

 

用多用电表测量电学中的物理量

实验装置与方法

将电阻、电源以及开关按如图 10–37 所示的方式连接，依次测量电阻 R 两端电压 U、流过电阻 R 的电流 I 及电阻 R 的阻值。

 

实验操作与数据收集

① 接通电路，选择多用电表直流电压挡，其量程应大于电阻两端的电压的估计值，测量电阻 R 两端的电压 U；

② 选择多用电表直流电流挡，其量程应大于通过电阻电流的估计值，将多用电表串联接入电路中，测量通过电阻 R 的电流 I；

③ 断开电路，选择合适的电阻量程挡位，用多用电表测量电阻 R 的阻值。

电阻 R 两端电压 U = _______，流过电阻 R 的电流 I = _______，电阻 R = _______。

本节编写思路

本节通过使用数字式多用电表测量各种电学量使学生逐步学会电学量的测量方法及工具使用：

1．通过对多用电表的外观及可测量量的观察，了解多用电表的简单结构和基本用途；

2．通过一系列测量过程及“大家谈”，了解使用多用电表测量电压、电流和电阻等简单电学量的步骤及昱示极性、判断好坏等功能；

3．通过学生实验，学会使用多用电表测量电压、电流和电阻等电学量。

使用数字式多用电表时，学生需要了解量程和表笔插孔等多个多用电表特征以及多用电表测量电阻、电压、电流的操作步骤。有兴趣的学生可以了解多用电表的原理，但不要求掌握。

正文解读

飞机作为一种交通工具，拥有高精度的操作系统，各类仪表通过指针或者数显的方式，反映了飞机各部分器械的运作情况及外界的环境等的监测数据。飞机的仪表盘不仅能让学生联想到生活中各类仪表，还能让他们认识到学会使用各类仪表的重要性，从而引入多用电表的教学。

 

此处学生可以通过“大家谈”了解仪表的功能、显示方式、被测量等内容，从而认识到仪表种类的多样性及学会使用仪表的重要性。

 

在使用数字式多用电表测量电学量时，务必注意不同型号的数字式多用电表表笔插孔、屏幕显示、功能旋钮等特征，这会直接影响到测量的过程及结果。有些数字式多用电表可以自动选择量程，只需要将旋钮调节至待测物理量，测量后可直接显示结果。不同的多用电表在表示数值溢出时也有不同，应注意对学生的引导。

 

显示位数是数字式多用电表的重要指标之一，有两种表现方式：位数及记数。以位数表现为例，常用的手持式数字多用电表大多数为“3 1/2”表，所谓“3”是指有三位数字可以显示“0 ~ 9”，“2”表示最高位仅能显示 2 个数字，“1”表示最高位最大显示“1”，因此，“3 1/2”表的最大显示位数为“1999”。测量一节干电池外电路断路时两端的电压，选用“2 V”挡位，最大可显示“1.999 V”，则此时示数为“1.459 V”；选用“20 V”挡位时，由于最大示数为“19.99 V”，则此时电压示数为“1.46 V”。一般来说，显示数位越多，其准确度越高，价格也越高。因此在测量电学量时，应根据需求进行合理选择量程挡位，而不是越大越好。

 

此处设置“大家谈”是为了让学生通过实验，了解多用电表在测量电压、电流极性时的特点，同时强调红、黑表笔在测量时的区别。

 

本节中主要介绍数字式多用电表的外部结构和使用方法，但是考虑到指针式仪表在生活中仍然多见，为了提高学生的综合能力，“拓展视野”中特地介绍了指针式多用电表的使用方法，该部分内容可为感兴趣的学生提供操作指针式多用电表的自学材料。

问题与思考解读

1．参考解答：测量值小于真实值。因为人体是导电的，相当于一个电阻，上述操作会将人体与待测电阻形成并联关系，电表测的是人体与电阻并联的总电阻，所以导致测量值比真实值偏小。

命题意图：使用多用电表测量电阻的注意事项及并联电阻规律。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅰ）。

 

2．参考解答：用多用电表电阻挡（量程较大）测量二极管的电阻，然后再反向测量二极管的电阻。如果一次测量的电阻值溢出，一次较小，则二极管是好的，否则二极管可能存在质量问题。当测量值较小时红色表笔连接的为二极管的负极。数字式多用电表也有专门的二极管挡位，可以方便判断其极性及好坏。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）；科学论证（Ⅱ）。

命题意图：使用多用电表解决实际问题，了解二极管特点。

 

3．参考解答：AB 间接的是电源，其他接的是电阻，如图所示；两个电阻阻值之比为 R_BC∶R_AC = 1∶4。

命题意图：通过构建模型，分析暗盒问题，提高论证分析能力。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）；科学论证（Ⅱ）；质疑创新（Ⅰ）。

 

4．参考解答：由于小灯不亮可以断定故障可能是开关断路、小灯短路或者断路中的一种。将多用电表选择电流挡位，串入电路，电流示数不为零，则可断定小灯短路。若电流示数为零，则是小灯或开关断路；再将多用电表选择直流电压挡，并联在小灯两端，如果示数为零，则开关断路，若示数不为零，则小灯断路。

命题意图：分析电路故障，提高证据意识。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）；科学论证（Ⅱ）；质疑创新（Ⅱ）。

 

5．参考解答：5 000 Ω，5 000 Ω

当红、黑表笔直接接触后，设虚线框中的电阻为 R_总，R_总 = \(\frac{E}{I}\) = \(\frac{{1.5}}{{300 \times {{10}^{ - 6}}}}\) Ω = 5 000 Ω，当接入 R_x 后，I′ = \(\frac{E}{{R + {R_x}}}\) = \(\frac{I}{2}\)，R_x = 5 000 Ω。

命题意图：通过简单电路，了解指针式多用表测电阻原理。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

资料链接

数字式多用电表的简单原理

数字式多用电表实质上是在直流数字式电压表的基础上加一些转换器来实现测量多种电学量的功能，其简单原理框图如图 7 所示。数字式电压表由模拟 / 数字转换（A / D转换器）、计数器、译码器等组成，将输入的模拟微小直流电压转化为显示器中相应的数值，常见量程为 200 mV。I / U 转换器能实现电流转换电压的功能，R / U 转换器能实现电阻转换电压的功能，AC / DC 转换器能实现交流转换直流的功能。在测量时，实际是先把不同的电学量通过转换器转换成直流电压，再通过转换显示在液晶屏上。

数字式多用电表和指针式多用电表的基本原理一样，都建立在电阻串并联扣欧姆定律的基础之上；在测量较大的电压时，可以通过分压电阻扩大量程。

指针式多用电表简介

指针式多用电表主要由磁电式灵敏电流计作为表头，并配合电阻、二极管、干电池等来实现电压、电流以及电阻的测量。若某多用电表的表头内阻为 R_g，满偏电流为 I_g，则表明表头能测量的最大电流为 I_g、最大电压为 I_gR_g。

当测量直流电压时，其内部简化结构如图 8 所示。通过改变与表头串联的倍增电阻，可实现测电压量程的转换。例如，当倍增电阻的阻值为 R，多用电表可以测量的最大电压值为 I_g（R + R_g）。由此可知倍增电阻的阻值越大，电压量程越大。在读数时，可根据电流计示数等比例地获得待测电压值［电流计的示数为 I 时，待测电压为 I（R_g + R）］。

当测量直流电流时，其内部简化结构如图 9 所示。通过改变与表头并联的分流电阻，可以实现测量电流量程的转换。例如，当分流电阻的阻值为 R，多用电表可以测量的最大电流为 I_g \(\frac{{{ R_g} + R}}{R}\)。由此可知分流电阻的阻值越小，电流量程越大。在读数时，可以根据电流计示数等比例的获得待测电流［电流计示数为 I 时，待测电流值为 I \(\frac{{{R_g} + R}}{R}\)］。

            

当测量电阻时，其内部简化结构如图 10 所示。表内电池可为整个电路供电，根据闭合电路欧姆定律可知，待测电阻与表头电流间存在一一对应关系。由于这一对应关系是非线性的，因此，多用电表测量电阻的刻度不均匀。当多用电表断路时（待测电阻为无穷大），表头电流为零，指针在最左端，记做阻值为无穷大；当多用电表短路时（待测电阻为零），此时可调节调零电阻使表头满偏，指针指在刻度最右端，记做阻值为零。根据电流与电阻间的关系，可通过表头指针偏转获得待测电阻阻值。在使用多用电表测电阻时，每次更换倍率挡都需要调零，即使多用电表短接时指针指向表盘刻度的最右端。

在测量交流电压和交流电流时，多用电表内部则需要连接一个由二极管构成的半波整流电路，将交流电转化为直流电后输入测量。为了扩大量程，仍然应连入倍增电阻和分流电阻。