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万用表的前世今生

发布时间:2020-10-12 13:56  浏览次数:24

第一个用于检测电流的指针表被称为检流计(galvanometer),发明于1820年。配合使用惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)可以将待测量未知的电阻和电压与已知电压、电阻进行比较,进而测量相关的电压、电流、电阻等。在实验室使用这种方式进行测量费时费力,方不方便。这个装置繁琐复杂,不易携带。

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▲ 检流计

检流计只能大体反映出是否存在电流,但无法给出电流大小的精确数值。而采用活动线圈机构(D'Arsonval/Weston传动机构)的电流表则可以显示电流的大小。

使用精细漆包线绕制的空心线圈悬挂在永磁铁磁极内,在通过直流电流后可以产生旋转力矩从而带动指针转动。被设计成圆环状的磁场使得通有电流线圈所受到的安培力与角度无关,配上一根孱细的金属弹簧丝产生回复力矩,这使得指针转动的角度与线圈通过的电流之间成正比。这种装置被称为 D'Arsonval 传动机构,现在仍然被广泛使用在各类指针式模拟电子表头中。

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▲ D'Arsonal 传动机构

基于活动线圈机构的电流表不再需要惠斯通电桥便可轻易便捷测量电流大小。在此基础上,通过增加分流电阻、串联电阻以及稳定的直流电源,便可以测量不同档位范围的电压、电流、电阻了。

在19世纪二十年代,随着电子管设备越来越被广泛使用,万用表就孕育而生了。据说第一个现代意义上的万用表是英国邮电局的工程师,Donald Macadie在1920年发明的。

在他的工作中,为了维修通讯设施中,需要不断测量电路中的电压、电流、电阻等。他实在受不了需要同时携带多种电表的麻烦,于是就研制出可以测量电压、电流和电阻的万用表,当时被称为安伏欧万用表(Avometer)。

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▲ Donald Macadie的万用表

安伏欧万用表采用活动线圈机构指针电流表,外配精密分压电阻和分流电阻,使用档位开关和插座来选择测量类别和流程范围。

Macadie将他设计的Avometer转让给自动绕线和电气设备公司(ACWEEC,建于1923年),当年就变成商品销售了。Avometer,在改进型8之前还只能测量直流电压、电流信号。

在当时还流行一种怀表式的电压表,外壳是金属的,比Avometer要便宜许多。它的外壳通常连接表头的负极。这个简化虽然方便了操作,但也使得当时很多粗心大意的电子工程师吃了很多被电击的苦头。

这种表通常也比较简陋,比如说明书上只是标明33Ω/V,刻度盘往往不是均匀的,没有指针调零螺丝等。

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▲ 怀表式电压表

指针式的万用表通常需要从被测量电路吸收一定的电流驱动旋转线圈,比如一个满量程50微安的表头,常用到的高灵敏度表头。在测量时,指针如果满偏,则需要从被测电路中续收50微安电流,这会影响一些高阻抗电路的测量结果,使得读出的数值低于正常值。

使用真空电子管来提高万用表的输入阻抗是非常必要的,它们被称为真空管万用表(VTVM ,VVM)。这种电子真空管万用表通常具有1MΩ以上的输入阻抗,它利用了真空管阴极跟随输出(电压串联负反馈)电路来提高输入阻抗,这样便使得万用表在测量时对被测电路不会产生显著的影响。

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▲ 真空管万用表

在数字(集成)万用表发明前,高阻抗模拟晶体管电路,或者场效应三极管(FETs)被用于替代真空电子管用于万用表设备。现代的数字万用表使用高阻抗的集成电路,输入阻抗可以达到或者超过原来真空电子管万用表。

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▲ 现代数字万用表

现在的万用表又增添了很多附加的功能,比如测量功率的分贝表,测量电容,三极管增益,频率,占空比,显示保持等。万用表上的蜂鸣器可以在测量电路通断时发出声响,给出迅捷的测量反馈。配合一些特殊的传感器,万用表还可以测量温度、光度等,并带有计算机的接口。有的还可以进行语言读出测量值的功能。