(生物学院用书)电工技术实验指导书

1第2部分实验部分第三章直流电路实验3.1基本电工仪表的使用与测量误差计算一、实验目的1、学习直流稳压电源的使用方法。2、掌握电压表、电流表内电阻的测量方法。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，这种测量误差值的大小与仪表本身内阻值的大小密切相关。图3-1-12、本实验测量电流表的内阻采用“分流法”，如图3-1-1所示。A为被测内阻（AR）的直流电流表，测量时先不接SI支路，调节电流源的输出电流I，使A表指针满偏转，然后接上SI支路，并保持I值不变，调节电阻箱BR的阻值，使电流表的指针指在1∕2满偏转位置，此时有：21SAII∴BARR∥1RR1为固定电阻器之值，BR由电阻箱的刻度盘上读得。3、测量电压表的內阻采用分压法，如图3-1-2所示。V为被测内阻(VR)的电压2表，测量时先不接1R及BR，调节直流稳压源的输出电压使电压表V的指针满偏。然后接入1R及BR，调节BR使电压表V的指示值减半。此时有：BVRRR1电阻箱刻度盘读出值BR加上固定电阻1R即为被测电压表的内阻值。电压表的灵敏度为：URSV/（∕V）图3-1-2图3-1-34、仪表内阻引入的测量误差（通常称之为方法误差，而仪表本身构造上引起的误差称为仪表基本误差）的计算。以图2-1-3所示电路为例，2R上的电压为：URRRUR2111，若21RR，则UUR212现用一内阻为VR的电压表来测量1RU值，当VR与1R并联后，11RRRRRVVAB，以此来替代上式中的1R则得：URRRRRRRRRUVVVVR21111/13绝对误差：U)(212211111/1RRRRRRRRRRRRUUUUVVVVRR化简后得))()2((2121222121221RRRRRRRRRURRUV若VRRR21，则得：6UU相对误差：U％11/1RRRUUUUU100％26UU×100％=–33.3三、仪器设备可调直流稳压源一台可调恒流源一台万用表一块四、实验内容1、根据“分流法”原理测定FM-30型万用表直流毫安5mA和50mA档量限的内阻，线路如图3-1-1所示。数据记入表3-1-1。表3-1-1被测电流表量限1RBR计算内阻AR5ｍA50ｍA2、根据“分压法”原理按图3-1-2接线，测定万用表直流电压1V和5V档量限的内阻。数据记入表3-1-2。表3-1-2被测电压表量限1RBR计算内阻VRS1V5V43、用万用表直流电压5V档量程测量图3-1-3电路中R1上的电压/1RU之值，并计算测量的绝对误差与相对误差。数据记入表3-1-3。表3-1-3U1R2R计算1RU测量/1RU绝对误差相对误差10V10KΩ20KΩ五、注意事项稳压源的输出不允许短路，恒流源的输出不允许开路。六、思考题1、根据实验内容1和2，若已求出5mA档和1V档的内阻，可否直接计算得出50mA档和5V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。（a）（b）图3-1-43、如图3-1-4（a）、（b）为伏安法测量电阻的两种电路，被测电阻的实际值为XR，电压表的内阻为VR，电流表的内阻为AR，求两种电路测电阻XR的相对误差。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、计算实验内容3的绝对误差与相对误差。3、对思考题的计算。4、其他（包括实验的心得、体会及意见等）。53.3线性有源二端网络等效参数的测定一、实验目的1、验证戴维南理和诺顿定理的正确性，加深对该定理的理解。2、掌握测量线性有源二端网络等效参数的一般方法。二、原理说明1、任何—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—个等效电压源来代替，此电压源的电动势SE等于这个有源二端网络的开路电压OCU、其等效内阻OR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。R、SE和OR称为有源二端网络的等效参数。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SI等于这个有源二端网络的短路电流SCI，其等效内阻OR定义同戴维南定理。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OCU，然后再将其输出端短路，用电流表测其短路电流SCI，则内阻为：SCOCOIUR（2）伏安法用电压表、电流表测出有源二端络的外特性如图3-3-1所示。根据外特性曲线求出斜率tgΦ，则内阻：SCOCOIUIUtgR用伏安法，主要是测量开路电压及电流为额定值NI时的输出端电压值NU，则6内阻为：NNOCOIUUR图3-3-1图3-3-2（3）半压法若二端网络的内阻很低时，则不宜测其短路电流。测试方式如图3-3-2所示，当负载电压为被测网络开路电压一半时，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）零示法在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行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3-3-3所示。图3-3-3零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、仪器设备可调直流稳压源一台可调直流恒流源一台直流电压表一块直流毫安表一块电路实验板一块可调电阻箱一只7四、实验内容被测有源二端网络如图3-3-4（a）所示。(a)(b)(c)图3-3-41、按图3-3-4（a）线路接入电源VUS12和电流源mAIS10，负载LR不接。用电压表测量含源一端口网络的开路电压OCU＿（V），从而得到OCSUU为等效电压源的等效电动势。2、将A、B间短接，用电流表测A、B支路电流SCI＿（mA），从而得到SCSII为等效电流源的等效电流。3、测量含源一端口网络的入端电阻OR的3种方法：（1）OCU21方法。8①先将LR断开，测量含源一端口网络的开路电压OCU。②再将电阻LR接上，用电压表测量LR两端的电压ABU，调节LR，使OCABUU21，此时LORR1。LR可由电阻箱读出。（2）万用表直接测量法。将所有电源拆去，原电压源处短接，直接测量A、B间的电阻2OR。（3）由第1步和第2步测量的SCI与OCU进行计算，得SCOCOIUR3。最后，对3种方法得到的电阻求平均值，有)(31321OOOORRRR4、测量含源一端口网络的入端电导OG的3种方法：（1）SCI21方法：①先将电阻LR短接，测量含源一端口网络的短路电流SCI。②将电阻LR接上，用电流表测量LR的电流dI，调节LR，使SCdII21时，此时LORR1，LR可由电阻箱直接读出。（2）同第3步中的（2）。（3）同第3步中的（3）。5、把图3-3-4所示的3个电路的外特性测量数据填入表3-3-1中。表3-3-1LR（KΩ）0246810∞含源网络（图3-3-4（a））U（V）I（mA）等效电压源（图3-3-4（b））U（V）I（mA）等效电流源（图3-3-4（c））U（V）I（mA）9五、注意事项1、注意测量时，电流表量程的更换。2、步骤“3”中，电源置零时不可将稳压源短接。3、用万表直接测OR时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用表。4、改接线路时，要关掉电源。六、思考题1、在求戴维南等效电路时，作短路试验。测SCI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3-3-4预先作好计算，以便调整实验线路及测量时可准确地选取仪表的量程。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5分别绘出曲线，验证戴维南定理及诺顿定理的正确性，并分析产生误差的原因。2、根据步骤1、3测得的OCU与OR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。10第四章交流电路实验4.2正弦稳态交流电路相量的研究一、实验目的1、研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。2、掌握日光灯线路的接线。3、理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。二、原理说明1、在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍夫定律，即0I和0U2、如图4-2-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U的激励下，RU与CU保持有90O的相位差，即当阻值R改变时，RU的相量轨迹是一个半园，U、CU、RU三者形成一个直角形的电压三角形．R值改变时，可改变角的大小，从而达到移相的目的。（a）（b）图4-2-13、感性负载的电流I2滞后负载的电压2U一个角度，负载吸收的功率为COSIUP222如果负载的端电压恒定，功率因数越低，线路上的电流越大，输电线损耗越大，传输效率越低，发电机容量得不到充分利用。所以，提高线路系统的功率因数是很有11意义的。日光灯线路如图4-2-2所示，图中C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（COS值）。有关日光灯的工作原理请参阅附注。图4-2-2三、仪器设备交流电流表一块交流电压表一块功率表一块白炽灯二盏电容器2.2µf、4.7µf各一日光灯管一盏四、实验内容1、验证电压三角形关系1）用一只25W的白炽灯泡和4.7µf电容器组成如图4-2-1（a）所示的实验电路，将自耦调压器输出调至220Ｖ记录RU、CU值，验证电压三角形关系。2）改变电阻值（用两只25W的白炽灯泡串联），重复上述内容，验证RU相量轨迹。自拟表格记录数据。2、电路功率因数的改善12图4-2-3按图4-2-3接线，接通电源，将自耦调压器的输出电压调至220V，（实验中保持此电压不变）。这时日光灯管应该亮，如果不亮，先关闭电源，仔细检查接线是否正确。记录电流表、功率表及功率因数表的读数，分别改变电容值进行测量。自拟表格记录数据。五、注意事项1、本实验用交流市电220V．务必注意用电和人身安全。2、在接通电源前，应先将调压器的手柄置零。3、功率表要正确接入电路，要注意电流表的量程。六、思考题1、参阅附注，了解日光灯的启动原理。2、在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用—根导线将启辉器的两端短接—下，然后迅速断开，使日光灯点亮。或用一只启辉器去点亮多只同类的日光灯，这是为什么?3、为了提高电路的功率因数，常在感性负数上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问电路的总电流是增大还是减小、，此时感性元件上的电流和功率是否改变？４、提高电路的功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？所并的电容器是否越大越好？七、实验报告1、完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。2、根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的霍尔夫定律。3、讨论改善电路功率因数的意义和方法。4、.装接日光灯线路的心得体会及其他。附注：右图为日光灯电路原理图。日光灯是一种气13体放电管，管内装有少量汞气，当管端电极间加以高压后，电极发射的电子能使汞气电离产生辉光，辉光中的紫外线射到管壁的荧光粉上，使其受到激励而发光。日光灯在高压下才能发生辉光放电，在低压下(如220V)使用时，必须装有启动装置产生瞬时的高压。启动装置包括启辉器及镇流线圈。启辉是一个含有氖气的小玻璃泡，泡内有两个相距很近的电极，电极之一