电工测量的误差 (2).ppt

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1、第2章 直 流 电 路,2.1 线性电路的基本定律2.2 直流电路小制作,2.1 线性电路的基本定律,电路的结构形式一般分为简单电路和复杂电路。对于简单电路,只用串、并联化简和欧姆定律就能求解。但在电子线路中经常会遇到许多复杂电路,用一般的串、并联方法不能化简,必须灵活运用基尔霍夫定律、叠加原理和戴维南定理求解。本节除介绍基尔霍夫定律以外,还介绍了解决线性电路常用的方法验证电路的设计及实现。,实训项目6 基尔霍夫定律的验证和电位的研究一、实训目的(1)加深对基尔霍夫定律的理解。(2)学会运用基尔霍夫电流定律和电压定律。(3)正确及熟练使用电压表、电流表、万用表和稳压电源。(4)进一步理解参考方

2、向的概念。(5)通过电路中各点电位的测量加深对电位、电压及它们之间关系的理解。,二、原理说明基尔霍夫定律是电路的基本定律。测量各支路电流及多个元件两端的电压,应能分别满足基尔霍夫电流定律和电压定律。1.基尔霍夫电流定律在任一瞬时,流出(或流入)某一节点的电流的代数和恒等于零,即,I=0,(6-1),如图6.1所示,对于节点a和b来说,流进节点的电流恒等于流出节点的电流,即,图 6.1 验证基尔霍夫定律电路图,2.基尔霍夫电压定律在任一瞬时,沿任一回路循行方向(顺时针方向或逆时针方向),回路中各段电压的代数和恒等于零,即,U=0,(6-2),如果规定电位升取正号,则电位降就取负号。图6.1中,若

3、我们设b点为零电位点,则在回路1中,以顺时针方向循行,从零电位点出发,电阻R4、R1、R3两端的电压为电压降,电源E1的电压为电压升;R4、R1、R3两端的电压降之和应该等于电源E1的电压升。在回路2中若以逆时针方向循行,则电阻R3、R2、R5两端的电压为电压降,电源E2的电压为电压升;R3、R2、R5两端的电压升之和应等于电源E2的电压降。即在两个回路中,各段电压降的代数和等于零。,3.电压、电流的实际方向与参考方向的对应关系参考方向是为了分析、计算电路而人为设定的。实训中测量的电压、电流的实际方向由电压表、电流表的“正”端所标明。在测量电压、电流时,若电压表、电流表的“正”端与参考方向的“

4、正”一致,则该测量值为正值,反之为负值。,4.电位与电位差在电路中,电位的参考点选择不同,各点的电位也相应改变,但任意两点间的电位差不变,即任意两点间电压与参考点电位的选择无关。,三、实训设备和器件(1)实训工作台(含三相电源、常用仪表等)一台(2)直流稳压电源 一台(3)数字万用表 一个(4)1 k、510、390、100 电阻 各一个(5)基尔霍夫定律实验电路板 一块(6)连接导线 几根 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行选取。,四、实训内容和步骤(1)调节双路直流稳压电源,使得一路输出为5 V,另一路输出为6 V。(2)按图6.1正确连接电路。(3)经教师检查后接通电源,用万用

5、表测电压及各支路电流,并将结果填入表6-1中。注意测量电流时电流表应串联在电路中,测量电压时电压表应并联在电路中。,表6-1 基尔霍夫电压、电流定律测量值,(4)分别以b、c为参考点,测量图6.1中各点电位,将测量结果填入表6-2中,通过计算验证电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关。,表6-2 不同参考点电位与电压,五、注意事项(1)所有需要测量的电压值,均以电压表测量的读数为准。(2)使用指针式表时,要特别关注指针的偏转情况,及时调换表的极性,防止指针打弯或损坏仪表。(3)测定电压、电流时,不但要读出数值来,还要判断实际方向,并与设定的参考方向进行比较,若不一致时,则该数值前加“-”号。

6、,六、分析思考(1)根据仪表的准确度、测量手段和方法分析产生误差的原因。(2)参考方向是怎样定义的？与实际方向区别何在？(3)测量电压、电流时,如何判断电源前的正、负号？负号的意义是什么？(4)用万用表直流毫安挡测各支路电流时,什么情况下可能出现毫安表指针反偏,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,则会有什么显示？,(5)电位出现负值,其意义是什么？(6)若电路中需要15 V电源供电,现有两台030 V可调稳压电源,怎样连接才能实现其要求？试画出电路图。(7)分析实训电路中各段电压和各支路电流的关系。,实训项目7 叠 加 原 理,一、实训目的(1)加深对叠加原理的理解

7、。(2)熟练使用万用表及直流稳压电源。(3)加强对参考方向的掌握和运用的能力。,二、原理说明叠加原理定义为:在线性电路中,有多个激励(电压源或电流源)共同作用时,在任一支路所产生的响应(电压或电流),等于这些激励分别单独作用时,在该支路所产生响应的代数和。所谓某一激励单独作用,就是除了该激励外,其余激励均除去,即理想电压源被短路,理想电流源被开路。但如果电源有内阻则应保留原处。,电流和电压的代数和是相对其参考方向而言的,因此在进行测试时,应在电路中先标明电流或电压的参考方向,电流表或电压表的极性按与参考方向一致接入。使用模拟表时,表指针正偏,说明实际方向与参考方向一致,读数记为正值;当指针反偏

8、时,必须改变电表极性接入才能显示读数,说明实际方向与参考方向相反,读数取负值。使用数字表时,记录正、负叠加时进行代数相加减。在线性网络中,功率是电压或电流的二次函数,因此,叠加原理不适用于功率计算。,实验电路如图7.1(a)所示,在电源E1和E2共同作用时,各支路的电流(或电压)应该是仅有E1(图7.1(b)和仅有E2(图7.1(c)作用时各对应支路电流(或电压)的代数和,即,图 7.1 验证叠加原理实验电路图,测量时注意电流和电压的“正”、“负”值。实验中认为电源内阻很小,可以忽视。若电源内阻不可忽视时,在电路中则要用与之相等的电阻代替。,三、实训设备和器件(1)实训工作台(含三相电源、常用

9、仪表等)一台(2)直流稳压电源 一台(3)台式数字万用表 一台(4)220、200、100 电阻 各一个(5)小面包板 一块(6)叠加原理实验电路板(HE-12)一块 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行选取。,四、实训内容和步骤1.按图7.1实验(1)按电路图7.1(a)接好电路,将电源E1调至6 V,电源E2调至5 V。分别测量流过电阻R1,R2,R3上的电流I1,I2,I3及电阻R3两端的电压Uac/,并将测量结果填入表7-1中。(2)按电路图7.1(b)接好电路,将电源E1调至6 V。分别测量流过电阻R1,R2,R3上的电流及电阻R3两端的电压,并将测量结果填入表7-1中。,(

10、3)按电路图7.1(c)接好电路,将电源E2调至5 V。分别测量流过电阻R1,R2,R3上的电流及电阻R3两端的电压,并将测量结果填入表7-1中。(4)分别计算图7.1(a)、(b)、(c)中各支路的电流及电阻R3两端的电压值,并将计算结果填入表7-1中,注意根据图中箭头所示的参考方向标明电流、电压的正、负号。,表7-1 叠加原理实验1记录,2.按图7.2实验 实验电路如图7.2所示。(1)将两路稳压源的输出分别调节为12 V和6 V,接于U1和U2处。(2)令U1电源单独作用(将开关S1投向U1侧,开关S2投向短路侧)。用直流数字电压表和毫安表(接电流插头)测量各支路电流及各电阻元件两端的电

11、压,数据填入表7-2中。,图 7.2 叠加原理实验电路图,表7-2 叠加原理实验2记录(一),(3)令U2电源单独作用(将开关S1投向短路侧,开关S2投向U2侧),重复步骤(2)的测量和记录,数据填入表7-2中。(4)令U1和U2共同作用(开关S1和S2分别投向U1和U2侧),重复上述的测量和记录,数据填入表7-2中。(5)将U2的数值调至12 V,重复步骤(3)的测量并记录,数据填入表72中。(6)将R5(330)换成二极管IN4007(即将开关S3投向二极管IN4007侧),重复步骤(1)(5)的测量过程,数据填入表7-3中。,表7-3 叠加原理实验2记录(二),五、注意事项(1)注意仪表

12、量程的及时更换,注意两表笔在电路连接时的正、负极性。(2)当一个电压源作用时,另一个不作用的电压源应从电路中去掉,并保持该支路短路状态。如有内阻应保留。,六、分析思考(1)叠加原理中E1、E2分别单独作用,在实验中应如何操作？可否直接将不作用的电压源(E1或E2)短接置零？若是电流源呢？(2)若将电路中的一个电阻改为二极管,试问这时叠加定理还成立吗？为什么？(3)各电阻所消耗的功率能否用叠加原理计算得出？试用上述实验数据进行计算并作结论。(4)将理论计算值与测量值比较,分析误差原因。(5)通过本实验,你能得到什么结论？,实训项目8 戴维南定理验证电路的设计,一、实训目的(1)验证戴维南定理的正

13、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。(3)学习多种测量电阻的方法。,二、原理说明在讨论戴维南定理之前,先以图8.1所示的电路为例介绍一下二端网络的概念。凡具有两个向外电路接线的接线端的网络,即称为二端网络。根据它的内部是否含有电源又分为有源二端网络和无源二端网络。例如在图8.1(a)所示的电路中,左边是有源二端网络,右边是无源二端网络。图8.1(a)是已知电路结构的有源二端网络与无源二端网络的连接。未知电路结构的二端网络一般如图8.1(b)所示。显然,一个有源支路是最简单的有源二端网络,一个无源支路是最简单的无源二端网络,它们的连接如图8.1(c)所示。,图

14、 8.1 有源二端网络与无源二端网络的连接示意图,戴维南定理又称等效电压源定理。可叙述如下:任一线性有源二端网络(即电压、电流关系是线性变化),对其外部电路来说,都可用一个电动势为E的理想电压源和内阻R0相串联的有源支路来等效代替。这个有源支路的理想电压源的电动势E等于网络的开路电压U0。内阻R0等于相应的无源二端网络的等效电阻。所谓相应的无源二端网络的等效电阻,就是原有源二端网络内所有的理想电源(理想电压源或理想电流源)均除去时二端网络的入端电阻。除去理想电压源的做法是使E=0,即使理想电压源所在处短路;除去理想电流源的做法是使Is=0,即使理想电流源所在处开路。,三、实训设备和器件(1)实

15、验工作台(含三相电源、常用仪表等)一台(2)直流稳压电源 一台(3)台式数字万用表 一台(4)200、100 电阻 各一个(5)小面包板 一块(6)戴维南定理实验电路板 一块 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行选取。,1.按图8.2所示电路实验在图8.2(a)所示电路中,E1=6 V,E2=9 V,R1=100,R2=200,R=200。将图8.2(a)所示电路的a、b两点左侧电路按戴维南定理进行变换,得到图8.2(b)所示的等效电路。,图 8.2 戴维南定理实验电路图(a)原电路；(b)等效电路；(c)求开路电压；(d)求等效电阻,(1)将图8.2(a)所示电路中a、b两点右侧的R

16、不接入,即为图8.2(c)所示的电路,用万用表直流电压挡测量开路电路U0,填入表8-1中。(2)内阻R0可通过下面几种方法测量:直接测量法：将E1、E2除去,按图8.2(d)接线,用万用表电阻挡测无源二端网络a、b间等效电阻R0,填入表8-1中。,表8-1 戴维南定理实验数据表,伏安法:将E1、E2除去,在两端钮上外加一已知电源E,如图8.3所示,测得电压U和电流I,则R0=UI。,图 8.3 伏安法测电阻电路图,开路电压、短路电流法:通过测量有源二端网络的开路电压U0和短路电流Is来求电阻。测量a、c两点间的开路电压U0的测试电路如图8.4所示。再如图8.5所示,a、c两点间闭合时测得短路电

17、流Is,则R0=U0Is。这种方法仅适用于等效电阻较大而短路电流不大(不超过电源电流的额定值)的情况。,图8.4开路电压测量电路,图 8.5 短路电流测量电路,两次电压法:先测量有源二端网络的开路电压U0,再在两端间接入一个已知电阻RL,测电阻RL两端电压UL,则R0=(U0 UL-1)RL。按图8.6电路所示,开关S打开时测得开路电压U0,S闭合时,测得UL两端电压UL。,图 8.6 两次电压法测电源内阻,(3)用所测得的U0和R0,按图8.2(b)组成戴维南定理模型电路,测出I,填入表8-1 中,并与理论计算值比较。,2.按图8.7所示电路实验被测有源二端网络如图8.7(a)所示。,图 8

18、.7 戴维南定理实验图,(1)用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的Uoc和R0。用开关S代替负载电阻RL。开关S打开时，如图8.8所示，测得开路电压Uoc；开关S闭合时，如图8.9所示，测得短路电流Isc。经计算求得R0，将所测数值填入下表：,图 8.8 Uoc测量电路,图 8.9 Isc测量电路,(2)负载实验。按图8.7(a)接入RL。改变RL阻值,测量不同端电压下的电流值,填入下表:,(3)有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)的直接测量法。见图8.7(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

19、用万用表的欧姆挡去测定负载RL开路时A、B两点间的电阻,此即为被测网络的等效电阻R0,或称网络的入端电阻Ri。,五、注意事项(1)测量时注意电流表量程的更换。(2)改接线路时,要先断开电源。(3)用直接法测R0时,电路中的独立源必须先置零,以免损坏万用表;欧姆挡必须经调零后再进行测量。电源置零时不可将稳压源短接。,六、分析思考(1)说明测有源二端网络开路电压及等效电阻的几种方法,并比较其优缺点。(2)本实训中若U0和R0用计算法求,应怎样求解,将所得值与测量值比较。(3)二端网络是指_。(4)二端网络根据内部是否含有_,又分为_和_。,(5)戴维南定理说任何一个线性有源二端网络,可用一个_ E

20、和R0来等效代替。E就是有源二端网络的_,R0等于有源二端网络中所有电源均除去(将各个理想电压源_,将各个理想电流源_)后所得到的无源网络的等效电阻。,2.2 直流电路小制作,电路的设计、制作和调试能力是锻炼学生分析问题、解决问题的重要方面。在学习了各种电路分析方法之后,自己动手利用所学过的知识制作一个简单的电路,将所学的知识作一个综合的训练和总结。,实训项目9 电阻温度计的设计制作,一、实训目的(1)熟悉、掌握电桥测量电路。(2)了解非电量转为电量的实现方法。(3)训练自行设计电路与制作、调试电路的能力。(4)培养学生独立撰写实训报告的能力。,二、原理说明电桥测量电路如图9.1所示。检流计两

21、端电压为,(9-1),其中rg为检流计内阻。若rg远大于桥臂电阻,上式可近似为,(9-2),图 9.1 电桥测量电路,当R1R3=R2RX时,电桥达到平衡,检流计G指示为零。令此时RX=RX0,则当RXRX0时,电桥平衡条件被破坏,就会有电流流过检流计,且电流的大小随电阻阻值RX而变化。利用电桥的这一特性,可以制成各种仪器设备,如电阻温度计,这时RX为一热敏电阻,其阻值随温度的变化而变化,从而将温度t这一非电量转变为用电流I这一电量来表示。除此之外,当RX分别为压敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻时,就可以制成压力计、温度计、照度计等测量仪器。这种测量方法用途十分广泛。,三、实训设备和器件(1)实训工

22、作台(含三相电源、常用仪表等)一台(2)直流稳压电源 一台(3)100 A电流表头 一个(4)Pt100型的钳热电阻 一个(5)100 电阻 三个(6)水银温度计 一个 以上设备和器件的技术参数可按实训室的要求进行选取。,四、实训内容和步骤RX选用热敏电阻(RT),制作电阻温度计。(1)设计要求:用100 A电流表头作温度显示,使表头中“0”代表温度0、“100”代表温度100。(2)根据热敏电阻RT与温度的对应关系及设计要求,确定电路参数,画出电路图,改制、标定温度表刻度。(3)根据设计的电路图及参数,制作电阻温度计。(4)用水银温度计作对照标准,以一杯开水逐渐冷却的温度做测试对象,校验自制

23、的温度计。,五、注意事项(1)电源Us大小的确定是依靠以下原则来选取的:调节电源Us,使得温度在100时电流表头指针正好指在100 A,即满偏刻度。(2)根据选取不同的热敏电阻确定不同的电路参数。,六、分析思考简述实训设计中各参数选取的依据,以及调试中遇到问题的解决思路和方法。下面我们提供一种设计思路供大家参考。(1)不妨取热敏电阻为Pt100型的钳热电阻,它代表该热敏电阻在0时阻值为100。设计该实训时为寻找电阻方便,可令R1=R2=R3=100。这样在0时电桥平衡,通过表头的电流为零。,(2)当温度升至100时,记录表头上指针所指的位置。若指针偏转过大或过小,可通过调节电源Us,使得指针正好指在电流表头100 A的位置上,代表此时温度为100。(3)在0100之间分别多取几组温度值,记录表头指针的各个位置,并校准其刻度。,