一种多功能电学实验仪

本发明属于电学试验器具技术领域，具体涉及一种多功能电学实验仪。

背景技术：

电学是物理学的分支学科，电学设计性实验题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，而“rlc串联电路的暂态过程”“测量非线性元件的伏安特性”“用直流单臂电桥测电阻”三个实验在许多高校中都广泛教学，但由于实验操作过程较繁琐，而且涉及到的实验仪器较多，所以不利于学生操作。

技术实现要素：

针对目前存在的问题，本发明对实验装置进行优化设计，使得改进后的试验仪简易化、便捷化，能够满足上述三个实验操作。

本发明采用的技术方案是：

一种多功能电学实验仪，其特征在于，包括可组装的由透明塑料板组成的长方体框架，所述长方体框架的侧面上嵌设有第一功能区开关、第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关、第二功能区开关、第一待测电阻接线柱、第二待测电阻接线柱、第一电流表、调节电阻r1、固定电阻r2、调节电阻rs、第三功能区开关、电压表选择开关、二极管选择开关、第二电流表、电压表、调节电阻r3、正接二极管、反向二极管、电流表开关；所述长方体框架内底部设置有9v电池仓；所述长方体框架的侧内壁上设置有9v电池和连接电路板，所述连接电路板与9v电池仓位于同一内侧壁上，其上固定的连接有rlc功能区所需要的电容和电感，用于实现第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关、电容、电感之间的连接。

优选的，所述长方体框架由六个透明塑料板依次插接相连形成，每个透明塑料板的端部分别设置有齿牙型卡接槽，相邻两个透明塑料板之间则通过其端部的齿牙型卡接槽插接相连。

优选的，所述第一功能区开关、第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关、第二功能区开关、第一待测电阻接线柱、第二待测电阻接线柱、第一电流表、调节电阻r1、调节电阻rs均嵌设于长方体框架的上板面，所述固定电阻r2内置于长方体框架内部且粘贴于上板面内面；

其中，所述第一功能区开关、第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关均位于rlc功能区内；所述第一功能区开关和连接电路板上的电容和电感按顺序串联，所述电容和电感两端分别引出引线与电容控制开关和电感控制开关连接，所述电动原理电感的一端引出引线与第一接线柱连接，所述电容和电感中间引出引线与第二接线柱连接，所述电感原理电容的一端引出引线与第三接线柱连接；

第二功能区开关、第一待测电阻接线柱、第二待测电阻接线柱、第一电流表、调节电阻r1、固定电阻r2、调节电阻rs位于单臂电流桥测电阻功能区；所述调节电阻rs和第二功能区开关与内置固定电阻r2按顺序串联在电源仓上的正负极之间；所述调节电阻r1的一端连接在固定电阻r2远离调节电阻rs的一端，另一端与第一电流表的一条引线共同连接在第一待测电阻接线柱上；所述第一电流表的另一条引线接在固定电阻r2与调节电阻rs之间。

优选的，所述第三功能区开关、电压表选择开关、二极管选择开关、第二电流表、电压表、调节电阻r3、正接二极管、反向二极管均嵌设于长方体框架的前板面；

其中，所述调节电阻r3、第二电流表、二极管选择开关按顺序串联；所述二极管选择开关的引线“1”与正接二极管的正极相连，所述二极管选择开关的引线“0”与反接二极管的负极相连；所述正接二极管的负极和反接二极管的正极共同连接在第三功能区开关上，并与调节电阻r3、第二电流表、二极管选择开关串联在电路的正负极中；所述电压表的负极接在第三功能区开关远离电源的一端，所述电压表的正极接在电压表选择开关上；所述电压表选择开关的引线“1”接在电流表靠近正接二极管的一端，所述电压表选择开关的引线“0”接在电流表远离反接二极管的一端。

优选的，所述电流表开关嵌设于长方体框架的左板面，用于控制单独供电的第一电流表的供电与断开。

优选的，所述9v电池仓上设置有负极接线柱和正极接线柱，所述负极接线柱连接电源负极，所述正极接线柱连接电源正极。

本发明的有益效果：

本发明的一种多功能电学实验仪能够实现一台试验仪可满足“rlc串联电路

的暂态过程”“测量非线性元件的伏安特性”“用直流单臂电桥测电阻”三个实验，将原先繁琐的实验操作简易化和便捷化，不仅能够很好的演示上述三个实验，还节省了组装时间，具有很好的实用性，值得推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中的测量非线性元件的伏安特性的电流原理图；

图2为本发明中的验证直流单臂电桥测电阻的电路原理图；

图3为本发明中的rlc电路的暂态特征的电路原理图；

图4为本发明中多功能电学实验仪的正视图；

图5为本发明中多功能电学实验仪的俯视图；

图6为本发明中多功能电学实验仪的左视图；

图7为本发明中透明塑料板的结构示意图；

图8为测量非线性元件的伏安特性正向特性的数据验证；

图9为测量非线性元件的伏安特性反向特性的数据验证；

图10为单臂电桥测电阻的实验数据图；

图11为本发明中rlc串联电路的暂态过程中rl图像信息；

图12为本发明中rlc串联电路的暂态过程中rc图像信息；

图13为本发明中rlc串联电路的暂态过程中rlc图像信息。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

设计原理

—测量非线性元件的伏安特性

伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。一些传感器的伏安特性随着物理量的变化呈现规律性变化,因此分析了解传感器性时,常需要测量其伏安特性。

根据欧姆定律r＝u/i

由电压表和电流表的示值u和i计算可得到待测元件rx的阻值。表示非线性元件的电阻有两种方法,一种叫静态电阻(或叫直流电阻),用rd表示；另一种叫动态电阻(或叫微变电阻),用rd表示,它等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比。动态电阻可通过伏安曲线求出,图1中q点的静态电rd＝uq/iq,动态电阻rd为

测量伏安特性时，电表的连接方式有两种：电流表内接和电流表外接。由于电流内阻的影响，这两种接法都会引起一定的系统误差。通常根据待测元件阻值及电表内阻，选择合适的电表连接方式，以减少接入误差的影响。测量小电阻时采用电流表外接；侧量大电阻时常采用电流表内接。已知电流表和电压表内阻分别为ra和rv，对被测电阻rx进行修正。

当电流表内接时，

当电流表外接时，

—用直流单臂电桥测电阻

单臂直流电阻又称惠斯通电桥，图2中r1,r2为固定的电阻，rs为可调电阻，他们与待测电阻rx连成一个四边形。每一边称为电桥的一个臂，在对角a和c之间连接电源e。在对角b和d之间用检流计p搭桥连接。若调节rs使b点和d点电位相等，则检流计p中无电流通过，电桥处于平衡状态。此时有

i1r1＝i2r2

i1rx＝i2rs

两式相除得rx＝(r1/r2)rs

通常称rx为待测臂；r1和r2为比例臂，比值r1/r2称为倍率和rs的值，即可计算出待测电阻。

—rlc串联电路的暂态特征

在阶跃电压作用下,rlc串联电路由一个平衡态跳变到另一个平衡态,这一转变过程称为暂态过程。rlc电路的暂态特征在实际工作中十分重要,例如,脉冲电路中经常遇到元件的开关特性和电容的充放电问题；在电子技术中常利用暂态特性改善波形或是产生特定波形。暂态特性也会带来危害,例如,在接通、切断电源的瞬间,暂态特性会引起电路中电流、电压过大,造成元件和设备的损坏。因此,研究暂态过程中电压及电流的变化规律非常重要。其电路原理图如图3所示。

基于上述物理电学实验原理性分析，本发明具体设计了一种多功能电学实验仪，包括可组装的由透明塑料板组成的长方体框架，如图7所示，所述长方体框架由六个透明塑料板依次插接相连形成，每个透明塑料板的端部分别设置有齿牙型卡接槽，相邻两个透明塑料板之间则通过其端部的齿牙型卡接槽插接相连。

如图4～6所示，具体的，所述长方体框架的侧面上嵌设有第一功能区开关、第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关、第二功能区开关、第一待测电阻接线柱、第二待测电阻接线柱、第一电流表、调节电阻r1、固定电阻r2、调节电阻rs、第三功能区开关、电压表选择开关、二极管选择开关、第二电流表、电压表、调节电阻、正接二极管、反向二极管、电流表开关；所述长方体框架内底部设置有9v电池仓，为电流表屏幕供电，正常显示电流信号；所述长方体框架的侧内壁上设置有9v电池和连接电路板，所述连接电路板与9v电池仓位于同一内侧壁上，其上固定的连接有rlc功能区所需要的电容和电感，用于实现第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关、电容、电感之间的连接。

具体的，所述第一功能区开关、第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关、第二功能区开关、第一待测电阻接线柱、第二待测电阻接线柱、第一电流表、调节电阻r1、调节电阻rs均嵌设于长方体框架的上板面，所述固定电阻r2内置于长方体框架内部且粘贴于上板面内面；

其中，所述第一功能区开关、第一示波接线柱、第二示波接线柱、第三示波接线柱、电容控制开关、电感控制开关均位于rlc功能区内；所述第一功能区开关和连接电路板上的电容和电感按顺序串联，所述电容和电感两端分别引出引线与电容控制开关和电感控制开关连接，所述电动原理电感的一端引出引线与第一接线柱连接，所述电容和电感中间引出引线与第二接线柱连接，所述电感原理电容的一端引出引线与第三接线柱连接；

第二功能区开关、第一待测电阻接线柱、第二待测电阻接线柱、第一电流表、调节电阻r1、调节电阻rs位于单臂电流桥测电阻功能区；所述调节电阻rs和第二功能区开关与内置固定电阻r2按顺序串联在电源仓上的正负极之间；所述调节电阻r1的一端连接在固定电阻r2远离调节电阻rs的一端，另一端与第一电流表的一条引线共同连接在第一待测电阻接线柱上；所述第一电流表的另一条引线接在固定电阻r2与调节电阻rs之间。

具体的，所述第三功能区开关、电压表选择开关、二极管选择开关、第二电流表、电压表、调节电阻r3、正接二极管、反向二极管均嵌设于长方体框架的前板面；

其中，所述调节电阻r3、第二电流表、二极管选择开关按顺序串联；所述二极管选择开关的引线“1”与正接二极管的正极相连，所述二极管选择开关的引线“0”与反接二极管的负极相连；所述正接二极管的负极和反接二极管的正极共同连接在第三功能区开关上，并与调节电阻r3、第二电流表、二极管选择开关串联在电路的正负极中；所述电压表的负极接在第三功能区开关远离电源的一端，所述电压表的正极接在电压表选择开关上；所述电压表选择开关的引线“1”接在电流表靠近正接二极管的一端，所述电压表选择开关的引线“0”接在电流表远离反接二极管的一端。

具体的，所述电流表开关嵌设于长方体框架的左板面，用于控制单独供电的第一电流表的供电与断开。

具体的，所述9v电池仓上设置有负极接线柱和正极接线柱，所述负极接线柱连接电源负极，所述正极接线柱连接电源正极。

上述中涉及的元器件名称及基本功能如下表1所示。

表1元器件名称及基本功能

一、实验操作

—测量二极管正反向伏安特性

1、接通电源，负极接负极接线柱1,正极接正极接线柱2；

2、打开电流表开关23；

3、打开第三功能区开关15；

4、电源输出电压4v-8v；

5、将电压表选择开关16和二极管选择开关17置于位置“1”，此时，正接二极管21亮；

6、慢慢调节调节电阻r320，使二极管两端电流表18和电压表19发生变化；

7、以0.1v为单位，绘制伏安特性曲线；

8、测二极管反向伏安特性曲线时候，将步骤5中的电压表选择开关16和二极管选择开关17置于“0”，此时不会观察到反向二极管22亮。

—验证单臂电桥电阻

1、将待测电阻连接在第一待测电阻接线柱和第二待测电阻接线柱上；

2、打开电流表开关23，此时观察到第一电流表12亮；

3、接通电源,正极接正极接线柱2，负极接负极接线柱1；

4、打开第二功能区开关9；

5、将调节电阻r113扭转于示数“6”，此时，调节电阻r113的阻值为3000欧姆，即r1/r2＝3；

6、电源输出电压2-5v，此时第一电流表12示数不为0；

7、调节调节电阻rs14直到第一电流表12时数接近0，此时调节电阻rs14的阻值与r1/r2的乘积，即为待测电阻阻值；

8、通过调节调节电阻r113改变r1/r2的值，以至于达到扩大缩小量程的目的。

—rlc实验

1、接通电源，正极接正极接线柱2，负极接负极接线柱1；

2、打开第一功能区开关3；

3、研究rc电路时，要将电容控制开关7置于“1”且保证电感控制开关8置于“0”(使电感短路)，此时第一示波接线柱4和第二示波接线柱5接在电容两端；

4、研究rl电路时候，要将电感控制开关8置于“1”且保证电容控制开关7置于“0”(使电容短路)，此时第二示波接线柱5和第三示波接线柱6接在电感两端；

5、研究rlc串联电路时候，要将电容控制开关7和电感控制开关8全部置于“1”(使电容电感正常工作)，此时第一示波接线柱4和第二示波接线柱5接在电容两端。

二、数据记录、处理与误差分析

1、数据记录(数据记录表格要表明符号所代表的物理量及单位，以及表格名称)

表2测量二极管正反向伏安特性

表3验证单臂电桥电阻

rlc串联电路的暂态过程(如图11-13所示)。

2、数据处理(利用列表法、作图法、逐差法、最小二乘法等进行数据处理，绘制图线要用计算纸，计算a类、b类、合成、相对及总合成不确定度，得出测量结果的标准表达式并得出结论)

—测量非线性元件的伏安特性(如图8和9所示)

图8为根据测量出来的电流以及电压的关系计算出二极管的正向伏安特性，可以得出结论电压与电流为线性关系，电流随着电压的增大而增大。同时验证装置的正确性。

图9为根据测量出来的电流以及电压的关系计算出二极管的反向伏安特性数据，可以得出结论电压与电流为非线性关系，反向电压较小时，反向电流几乎不变，当反向电压超过某一电压时，反向电流急剧增大。同时验证装置的正确性。

—验证单臂电桥电阻(如图10所示)

单臂电桥测电阻的数据验证，用本实验仪测得的数据和用万用表测的数据进行比较，根据结果来看，本仪器测得数据与万用表测的数据非常接近，因此本实验仪测得的结果是精确的。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。