CN1419222A - 教学实验用模块化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教学用的模块化实验装置。该实验装置由其实验用元器件集装而成的单元模块构成，并成为配接使用的块体，它包括一个通用的电源模块(13)和至少一个专用实验模块(17)，或者是一个连电源带专用实验组件的独立模块；所说的单元模块设有壳体、面板及其实验装置组件，其面板上排列设置有连接和操作用的指示表头、接插件、接线柱、开关、调节器、插头或者插座。本发明的结构技术方案提出了开放性的系统模式，它可以构成物理实验中特定的基本实验单元。具体地说，根据电源模块构架和接口，选择，配接使用不同实验内容的专用实验模块，便能进行不同的教学实验。模块化的设计和装置很好地解决了实验器材的生产，采购和保管方面存在的诸多问题，对丰富、提高实验技能和效率也有裨益。它适用于大中院校实验室装备使用。

Description

教学实验用模块化实验装置

                             技术领域

本发明涉及实验教学器具，具体地说是物理实验课程中“电磁学”、“热学”内容实验教学用的实验装置。

                             背景技术

目前院校在“电磁学”、“热学”教学实验中所用的仪器、仪表种类比较多。在《物理实验》“高等教育出版社”1981年12月第1版，《大学物理实验》“中国石化出版社”1998年8月第1版，以及其它一些教科书中都安排了许多实验内容，实际上，高校实验设置涉及面都比较宽，例如实验包括：交流电桥原理实验，要用交流电阻箱3只，电容箱1只，低频信号发生器1只，示波器或交流毫伏表1只；电源内阻及电动势测量实验，要用11线电位差计1台或UJ25高电势电位差计1台；在霍尔效应对磁场测量及电表改装实验中，要用到UJ36a或UJ31低电势电位差计；在箱式电桥原理实验中，要用到QJ23及QJ44型电桥；另外，实验中都要用到电源设备，常用的有七、八种之多。加上另星分散的开关、电阻、指示仪表，元件器件，种类繁多。这就带来了以下一些问题：

1.仪器仪表繁杂，难免导致采购困难，保管困难，在实验中则常有设非所用，备而不用，或用而又发现器材不足的情况发生；

2.发现有些实验使用的仪器参数偏离实验要求；

3.不利于院校实验设备的高效配备和安排、更难于实现装备配备模块化。

原因在于：仪器生产厂常规是按品种逐个地组织生产，新产品开发也局限于单一化的进行，仪表厂则置自己在配套角色的地位上，而实验物理教师也习惯于各自独立的设计实验，配备选购器材，结果必然是仪器设备五花八门，而准备工作事倍功半，却效率低下。

                             发明内容

为有效解决上述存在的问题，提供一种采用模块化结构的综合实验装置，在安排“电磁学”、“热学”实验时只要通过模块间组合和少数元器件间的配接，便能完成多项不同的实验。

本发明是这样实现：首先构建单元模块，然后选择不同模块组合。这些单元模块是具有独立实验功能或实验配备组合功能的单元模块，配备实验时按实验内容需要进行模块的选择组合和应用。单元模块中实验用的电源装置可构成组件模块供配备组合，也可以作为内附构成独立模块。

这种实验用的单元模块，其特征在于它是由其实验用元器件按实验要求集装成的整体式模块，模块设有壳体、面板及其实验装置组件，其面板上排列设置有连接和操作用的指示表头、接插件、接线柱、开关、调节器、插头或者插座。

教学实验用模块化实验装置，其特征在于该实验装置由其实验用元器件集装而成的单元所说单元模块设有壳体、面板及其实验装置组件，其面板上排列设置有连接和操作用的指示模块构成，并成为配接使用的块体，它包括一个通用的电源模块和至少一个专用实验模块；表头、接插件、接线柱、开关、调节器、插头或者插座。

所述的电源模块设有二路或二路以上的电源输出及交流电网输入端。

所述的专用实验模块是一个交流电桥实验用模块。它可以简化目前交流电桥原理实验中的仪器器材配备。

所述的专用实验模块是一个设有电位差计，用于高电势、低电势测量的多量程直流电位差计模块。

所述的专用实验模块是一个双桥演示仪模块。它用以解决目前双桥演示所用仪器过多的问题。

所述的专用实验模块是一个箱式电桥原理模块。它可以让学生迅速掌握比例关系计算。

所述的专用实验模块是一个多用途物理实验箱。它用来满足多种物理实验的需要。

本发明的结构技术方案形成为开放性的系统模式，它构成了物理实验中采用的基本实验单元。具体地说，根据电源模块构架和接口，选择，配接使用不同实验内容的专用实验模块，便能进行不同的教学实验。电源模块和专用实验模块的结合可以解决实验器材的生产，采购，保管方面存在的诸多问题，丰富、提高实验技能和效率，有利于专业化经营和服务水平的进步，促进教学质量的改善。

                             附图说明

图1是电源模块的结构示意图。

图2是多量程直流电位差计的专用实验模块结构示意图。

图3是交流电桥演示仪的专用实验模块结构示意图。

图4是电源模块的电路原理图。

图5-1是交流电桥模块的电路原理图。

图5-2是其中用于测量损耗小的电容电桥电路。

图5-3是用于测量Q≥10的电感电桥电路。

图5-4是用于测量Q＜10的电感电桥电路。

图5-5是用于电感比较电桥电路。

图5-6是RLC串联谐振电路。

图5-7是LC并联谐振电路。

图5-8是市电转换成交流正弦波电源与交流指零仪的电路。

图5-9是直流-交流可变频率正弦波电源电路。

图5-10是采用电池供电的指零仪电路。

图6是直线双桥电路。

图7-1是双桥演示电路图。

图7-2是单桥演示电路图。

图8-1是简单分压线路的低电势电位差计电路图。

图8-2是串联代换线路的电位差计电路图。

图9是多用途电学实验箱专用实验模块的电路图。

                           具体实施方式

参见附图：图1、2、3给出了实验用的单元模块的结构实施例，其特征在于它们都由其实验用元器件按实验要求集装成整体式模块，所述模块设有壳体1、面板2及其实验装置组件，其面板上排列设置有连接和操作用的指示表头5、6、8、9、11、接插件、接线柱7、开关20，调节器4、10、16、19、插头或者插座12。3是拎把，连接在构成的整个电源模块13或专用实验模块17上。电源模块13通过多路输出插孔15、18，用电缆与专用实验模块17连接，并由多位转接开关14转换，使连线简化。

教学实验用模块化实验装置，其特征在于该实验装置由其实验用元器件集装而成的单元模块构成，并成为配接使用的块体，它通常包括一个通用的电源模块13和至少一个专用实验模块17；所述模块设有壳体1、面板2及其实验装置组件，其面板上排列设置有连接和操作用的指示表头5、接插件、接线柱7、开关20、调节器4、10、16、19、插头或者插座12。

以下以实施例的形式给出若干单元模块的电路原理图：一、实施例1

物理教学实验中所用的电源是多种多样，要求各异。像交流电路方面实验用信号发生器做电源；直流电位差计采用标准电池做电压标准，工作电源要高稳度电源；单臂电桥需要1.5～9V电源，双臂电桥需要恒流源；其次，电池包括蓄电池、甲电池、1号干电池、6F22叠层电池，种类繁多。

例如一般电磁学实验中，交流电桥原理实验需要1KHz正弦波，谐振实验需要频率可调电源，直流电位差计需要高稳定性电源，电表改装需要＜1伏低电压电源，热学又需要30V直流稳压电源。而双桥实验需要恒流源，检流计则需要10～20V固定电源。

图4给出的是一种电源模块的电路结构原理图，该设计考虑到了通用性的要求，它包括以下电源输出：

1).0～30V连续可调直流稳压电源，

2).0～1.5A连续可调恒流源，

3).1～20KHz连续可调正弦波交流电源，

4).1.2V～1.0V可调高稳定度电源，

5).17V固定电源。

6).直流电位差计需要标准电池做电压标准，可以考虑改用电子基准源。

7).用于专用实验模块数字电压表、数字电流表的±5伏电源。

为保证各路电源的输出特性，并简化结构，本电源模块选用集成电路进行设计。

如图4示，它采用了一个电源变压器，L1为主线圈，其中0～30V稳压源与0～1A恒流源采用一个副线圈及一级预稳压，通过开关予以切换；高稳定度电源与基准源及17伏供电子检流计可以公用变压器副线圈及前二级预稳压输出端。由于交流电桥实验和谐振实验与直流电位差计实验不会同时进行，因此也可以进行切换，并设公共二级预稳压。

副线圈主要由二路构成，对降低变压器输出功率，减少体积，提高使用效率十分有效。

市电经过插座后输入到变压器降压，副线圈L2提供电流容量1.5A，电压为36V，另一副线圈L3电流0.1A、电压为8V，分别经过整流电路及与滤波电容C₁与C₂，这里整流电路和滤波电容C₁的接地端与整流电路7正极相连。集成稳压器U1(317)输出电压为1.25×(1+R₂/R₁)，等于1.25×(1+3300/120)，集成稳压器U1输出电压为35.6V。电路中电容C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈、C₉及C₁₀均为了改善纹波。317集成稳压器U2组成可调式恒流输出，最大电流由电阻R₃决定，当R₃取1.2Ω时，最大电流为1.25V除以1.2Ω，约为1A，最小电流由电阻R₄定，当调到最大值时，为10mA，为了使负载电流能从0安起调，337负集成稳压器U4与电阻R₅组成一个10mA恒流源，吸收集成稳压器的最小电流，恒流源输出端为A及B。可调0～1A。

三端可调稳压器U3与电阻R₇及R₈组成正可调稳压电源，调节范围从1.25V到1.25×(1+R₇/R₈)等于32.5V，为了实现从零起调，需要一个负1.25伏的辅助电源，它由负集成稳压器U5与电阻R₆组成，将R₇的下端接通到负集成稳压器U5的输出端-1.25V电位上，即实现从零伏起调，电路中电流表A用于显示恒流电路中的电流，电压表V用于显示稳压电路中的电压，稳压源输出端为C与D，可调0～30V，K1指向“断”，可切断该路电源。

副线圈L4输出电压为24伏交流电，经过整流电路D3及滤波电容C₁₄后，由三端稳压器U7一级预稳压后，再由三端稳压器U8及U9和电阻R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈组成第二级稳压，电容C₁₅、C₁₆、C₁₇为了改善电路中的纹波。如果取R₂₅＝200Ω、R₂₆＝390Ω、R₂₇＝1540Ω、R₂₈＝120Ω，这一级降压约7伏，电源输出端I及J之间电压为17伏，可用于供给直流及交流检流计电源；如再经集成稳压器U10及R₂₉、R₃₀稳压，在电源输出端L及M可实现1.25V～13.7V连续可调，可用于单电桥、直流电位差计电源。

如K3向上打，17伏稳压电源就向8038集成函数发生器U6供电，电阻R₁₇用于调整频率，电阻R₂₀调整波形失真，电阻R₂₄、R₂₂及R₂₃用于调整波形占空比，C₁₁是滤波电容，C₁₂是定时电容，C₁₃为隔直电容，R₂₁是第9脚集电极电阻，R₁₉用于抬高第五脚对地电位。

U6(8038)的第2脚输出为正弦波，可通过输出端G及H给交流电桥或谐振实验提供电源。

17伏稳压电源的输出端I及J如再经过集成稳压器U11(317)及U12(317)和电阻R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄组成的一级稳压源，电源电压可降到10伏，用于对集成电压基U13(399)供电。电阻R₃₅是偏置电阻，U13(339)产生6.95伏基准电压，通过分压电阻R₃₆＝1.0186Ω、R₃₇＝981.4Ω、R₃₈＝1000Ω、R₃₉＝2000Ω、R₄₀用于调整整个分压电路值，使电阻R₃₆、R₃₇、R₃₈、R₃₉上电压与地电位分别是1.0186V、2V、3V、6V，通过转换开关K4与电阻R₄₂进入集成运算放大器U14同相端，输出端经过电阻R₄₂反馈到反向端，这里运放U14为电压跟随器，主要为了减小输出阻抗。经过开关K4，输出端O及P可以有不同基准电压输出。电容C₁₈、C₁₉、C₂₀、C₂₁、C₂₂用于改善纹波波形。

副线圈L5设中心抽头接地，端压为±8伏，D4、D5、D6、D7整流，C₂₃、C₂₄、C₂₅、C₂₆滤波，整流滤波后，从三端稳压器U15、U16输出，输出端QR输出为+5伏，SR输出为-5伏。

本模块中的输出可以单独设计，也可以用多路电缆通过转接头接往专用实验模块。还可以变动开关14旋钮的位置，设定既定输出端的配接用途。例如：处在交流电桥的位置，GH为交流电桥提供工作电源，±5伏的QR、SR作数字频率计的电源，LM作选频放大器的电源；当处在电位差计的位置时，QR、SR作电位差计、检流计的电源，输出端OP作为电位差计的基准源，输出端LM作电位差计的工作电源。对于不同专用实验模块的应用均给出预先设计。二、实施例2

图5-1是交流电桥专用实验模块的电路图。它的旋转开关上装有1∶10∶100∶1000∶10000的五只电阻，来代替二只交流电阻箱，在交流电桥中，它们是相邻臂时作比例运算，是相对臂时做乘积运算。为此，本例中将二只实数桥臂上的电阻设成1Ω、10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω，组成电桥后，比例有10^-4、10^-3……10³、10⁴九种，而且都是10的整数次幂，以后测量时测得数据后，数字不变，只要移动一下小数点位置即可；如果组成电桥时为相对臂，乘积也是十进整数；当然实数桥臂上的五只电阻亦可以设为10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω、100000Ω组合或2Ω、20Ω、200Ω、2000Ω、20000Ω组合，保持它们的比例为1∶10∶100∶1000∶10000最佳。当然，例中实数桥臂也可以选用四只电阻或六只电阻以至更多，只要维持一定的比例关系就行。用数只电阻及二只转换开关组成的实数臂替代二只交流电阻箱有利于降低成本而不影响实验效果。而且相当于用一台仪器替代了四台仪器组成的电桥。

图中开关K1与开关K2如图位置时，交流电源对电桥供电，电流输入端A分二路流过二个桥臂，一路经被测量阻抗ZX流入指零仪输入端C，另一路经过由电容箱C₀与电阻箱R₁串联的桥臂进入指零仪输入端D，指零仪输入端D经过桥臂3流入电源端B，指零仪输入端C流过由旋转开关与电阻R2组成桥臂流入电源端B。

图5-2是图5-1简化后的电路图，主要用于测量耗损小的电容Cx。

将图5-1中的开关K1转到中间那档，桥臂与电阻箱R₁和电容箱C₄串联的桥臂对调一下位置，便构成图5-3的结构。

图5-3是所述结构的简化电路图，主要用于测量Q≥10的电感Lx。

同样，图5-4的简化电路图，主要用于测量的Q＜10电感Ly。它是在图5-1中，除将开关K1转到中间档外，将开关K2也转到中间档，此时，原先电阻箱R₁与电容箱C串联而成的桥臂变成两者并联而成的桥臂。

图5-5是电感比较电桥电路。所示电感箱也可以作为桥臂，在图5-2测量小损耗电容电桥电路的基础上，若将图5-2中把电容箱Co改成电感箱L就成了电感比较电桥，将图5-1中的开关K1、开关K2、开关K3设在如图示位置，电容箱C₄所有示值指向“零”，电感箱L的接线端Q与电源接线端A用导线连接后，就完成这种变换。

图5-6是RLC串联谐振电路。其电感L、电容Co、电阻R₁串联，量值可调，用于串联谐振演示。电流表作电流指示用。

图5-7是LC并联谐振电路。图5-6、5-7均可从图5-1中改变开关设置而得到。将开关K1、K2、K3指向右边，可使电阻箱R₁、电容箱C、电感箱L组成串联电路。谐振状态随输入电源的频率、电容及电感值而变化。如果再把开关K3转向中间，则构成LC并联谐振电路，即图5-7所示电路。

开关K1、开关K2、开关K3指“独立”时，所有器件全部“独立”，通过接线柱A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U，可以进行各种连接。

图5-8是市电转换成交流正弦波电源电路和交流指零仪的复合电路。其中设置了内附内源装置。外接市电经过插座输入到变压器T后，分二路输出，一路经过开关K6后，由整流二极管D1、D2、D3、D4整流后，分正负二组电源输出，滤波电容C₁及C₂用于改善波形，分别送至7809正三端集成稳压器U1及7909负三端稳压器U2，正负二组电源给低漂移运放U3供电。电容C₃、C₄用于改善波纹。放大器采用同相输入，负反馈网络是带阻滤波器，电阻R₇及R₈和电容C₈决定通频带宽度，电阻R₄、R₅、R₆及电容C₅、C₆、C₇组成双T网络，当R₄＝R₅＝2R₆＝16KΩ，C₅＝C₆＝0.5C₇＝0.01μF时，1KHz频率反馈得到阻滞，因此运算放大器U3对1KHz频率波形可以进行放大，其它频率波形得到衰减，放大后的信号推动表头指示，R₉为限流电阻。测电感电容标准频率国家规定为1KHz，如果采用内附指零仪，宜采用1KHz带通滤波器。另一路经过开关K7、桥式整流D5及滤波电容C₁₀后，由二级三端稳压器U4及U5进行稳压，电容C₁₁、电容C₁₂为滤波电容，用于改善纹波；振荡器电路采用555时基集成电路U6。555时基电路震荡频率由电阻R₁₀及R₁₁跟C₁₃决定：

f＝1.433/[(R₁₀+2R₁₁)×C]适当选取电阻R₁₀、R₁₁及电容C₁₃的值，使它在一定范围内可调。其中R₁₁》R₁₀，这样波形对称性较好。电容C₁₅用于旁路来自电源的噪声及纹波电压，555时基集成电路输出为方波，经L₁和C₁₄整形后变成近似的正弦波，通过输出端A及B输出，并用频率计进行频率显示。

上述内附电源与指零仪电源也可以采用电池供电，图5-9就是采用电池电源转换为可变频率正弦波电源电路图。图中，电池组G对7660集成块U7第8脚供正电，第3脚连接电池组负板，电池组负极为地电位。电容C₁₉及C₂₀为7660开关切换时储存电量，第6脚当电池组小于3.5V时应接地，大于3.5V应悬空；当电池组电压大于6.5伏，应该有二极管D₆，小于6.5伏时，D₆短接。7660的第1脚、第7脚均悬空，7660集成块第5脚输出与电池组G电压相同的负电压。正负二组电源对运算放大器U8供电。电容C₂₁和电阻R₁₅，电容C₂₂和电组R₁₅一起组成正反馈网络，电阻R₁₇及R₁₈组成负反馈网络，输出频率由电阻R₁₅、R₁₆及电容C₂₁、C22定，当R₁₅＝R₁₆，C₂₁＝C₂₂时，输出频率：f＝1/(20πR₁₅C₂₁)，采用阻值相同双联电位器，可以在电源端及产生频率可调的正弦波。

图5-10则是电池供电的指零仪电路。图中，电池组G、7660集成块U9、电容C₂₃及C₂₄，二极管D7等原理与作用相同，与图5-9中相应。由运算放大器U10及外围元件参数决定放大倍数，也决定通过的频率信号：

放大倍数＝-(R₂₀/R₁₉)×{1/[(C₂₆/C₂₅)+1]}

通过频率≈(1/2π)×[1/(R₂₀C₂₅)×1/(R₂₂C₂₆)]^1/2        (Hz)电阻R₂₃阻值约等于电阻R₂₀阻值，电阻R₂₁可取5～10KΩ，电容C₂₇取几十微微法，运放输出端与地电位接表头。在外围元件取值中，应考虑通过频率为1KHz、放大倍数大于1000倍。

采用专用实验模块可减少仪器数量，减少实验装置体积，扩展实验项目与实验功能，而且整个装置设在金属箱内，可起到一层屏蔽效果，有效地排除外界各种干扰造成的虚假平衡。三、实施例3

图6为双桥演示仪模块装置的电路，该装置用于小电阻的测量演示。通过一种双臂电桥演示装置，让学生自己动手操作、选择比例进行小电阻测量的实验。到目前为止，尚无同类用双臂电桥原理进行小电阻测量的演示仪器，而只限于依靠课堂板书讲解。

本专用实验模块的电路中，用了两根直径为φ1～3mm金属线为绝缘基线，上面紧密绕着比基线细的电阻丝，从头绕到尾，并且用胶水固定。要求细电阻丝每匝之间绝缘，为此，可用聚酯漆包锰铜丝或漆包康铜丝，也可用一根裸露电阻丝与一根漆包线并排绕在绝缘基线上。绕制后的电阻长度在33cm到150cm为宜，电阻值在100Ω-10KΩ之间。要求两根绕制后的电阻等长、等阻、平行设置，中间设刻度尺，两根电阻丝上端各装有一个滑动触头，两个触头相互间绝缘且同步滑动，都有引出端可以与检流计进行连接。与滑动触头接触的电阻丝表面用断锯条片进行刮光，以保持接触良好。

图6中，二个滑动触头和A、B、C、D、E、F、G、H八个接线柱固定在支架上，外接电池G接在电流端A、H两点，外接标准电阻箱R₆采用四端接线法，E、H为电流端，F、G为电位端，外接检流计J的两根信号输入线分别接在滑动触点上。对被测小电阻R₃也按四端接线法，两个电位端接B和C，电流端接A和D，用粗导线连接D和E，就完成了一个完整的双桥电路。当滑动触头左右同步滑动到某点检流计J平衡时，从刻度尺的长度比例关系就可以推算出标准电阻箱R₆与被测小电阻R₃的比例关系。四、实施例4

图7-1、7-2为箱式电桥演示仪专用实验模块的电路图，用于电阻的测量演示。

市售现有的单臂电桥像QJ23、QJ47，双臂电桥像QJ42、QJ44及单双臂电桥QJ47、QJ46一类箱式电桥，其电阻、开关、引线均装在箱体内，面板上只有旋钮进行转换。因为电阻、开关、导线都在箱体内，相互遮拦，看不见摸不着，其直观性很差。

本实施例的箱式电桥，取一字排列的动合开关。把原来电桥比例开关上的电阻也按比例要求组成一组装在动合开关旁，对比例臂做出改进，对面版分布形式加以改变，改成直接用电阻符号、阻值及线路连接标志。

图7-1作为双桥电路图。可视作原双臂QJ44的改型，电源G、限流电阻R、第一测量盘R₂、第二测量盘R₃、被测电阻R₁、检流计J、按键开关K均没有改变，比例臂电阻亦保持与原QJ44电桥相同，不同之处在于电阻Ra_1-6、Rb_1-6分成二组、装在面板下，中间设一个双刀动合开关与检流计J连接。

图7-2则是单桥电路图。为原单桥QJ23的改型，与原电桥不同之处也在于将比例臂电阻按比例关系串联后也固定在面板底下，原旋转比例开关改成为单刀动合开关，且每一个比例有一只开关对应。

从电路图上分析与原有箱式电桥完全一样，进行实验时，教师不必去改动教材，从而带来方便。在仪器具体结构上，与原箱式电桥的区别在于比例臂开关Ka₁-Ka₇的设置上。图中电阻R、Ro，电池G以及开关K串接，开关Ka_1-7用于控制串联，I、J短接时为控制两路并联的比例关系。五、实施例5

图8-1及图8-2对应为多量程直流电位差计专用实验模块的电路图。它用于直流电压测量实验。

直流测量用电位差计，市售产品规格中有的UJ36a、UJ33a多量程直流电位差计，其标准回路与测量回路没有公用电阻，这样温度变化使电阻值变化，引起测量误差增大；量程变换的误差直接引起测量误差。有的UJ25、UJ24高电势，单量程的直流电位差计，其测量回路与标准回路有1.018欧姆公用电阻，这样测量回路电阻值变化，标准回路也跟着在误差相同的方向变化，可以抵消部分误差，但它不可能有多个量程。

图示的多量程直流电位差计，在所有量程内测量回路与标准回路大部分电压测量范围用的电阻是公用的；这样，可以有效降低量程变换及温度变化引起的测量误差。直流电位差计标准采用电子基准源，与基准源相连的直流电位差计“标准”两端装上一批分压电阻，并用开关进行分压比变换，该开关与量程转换开关同步，分压电阻之间的比例关系与量程比例关系一致，这样，在量程开关转换到不同量程时，就会有不同的电压基准值。直流电位差计某量程第一盘电压读数值应该大于或等于该量程时分压后的基准值，在直流电位差计第一盘中选取一个与基准值同义值的点，该点与第一测量盘零点之间的电阻作为公用电阻连接在标准回路内。对于第一盘采用分压线路的电位差计均适用，而且第一盘采用分压线路的电位差计占绝大多数。

现有0.01级直流电位差计保证准确度极限温度范围为20±5℃，0.1级直流电位差计保证准确度极限温度范围为20±10℃，采用第一盘公用电阻的方法，大幅度降低了温度对直流电位差计测量准确度的影响而且量程误差基本可以忽略。电子基准源可以方便地做到温度系数小于3PPM/℃。

图8-1是简单分压线路的低电势电位差计电路图。图中，直流电位差计工作电源输入端A和B，测量端C和D，标准输入端M和N。电阻R₂用来固定压强，工作电流调节电阻R₁用来调节工作电流的大小，电阻R₃与电阻R₄用于量程变换，其中电阻R₄是电阻R₃的9倍整，且电阻R₃的阻值等于电阻I(Ra_1-12)加电阻II的阻值。电位差计第1盘为电阻I，它由等值的12只电阻串联而成，与第2测量盘电阻II是滑线电阻。当量程转换开关K1-0指向X10时，电阻R₃加电阻R₄的阻值是电位差计两个测量盘总阻值的10倍；当开关K1-0指向X1时，两个测量盘的阻值加电阻R₄的总阻值是电阻R₃的阻值的10倍；因为流过测量盘电流两个量程相差10倍，所以直流电位差计有X10及X1的两个量程。电子基准源连接到标准输入端M及N后，由于其电压远大于低电势直流电位差计第一盘电压，因此用电阻R₇降压，降压后使电阻R₈加电阻R₉上的压降等于直流电位差计在X10量程时第一盘0～10只电阻压降，并使电阻R₈是电阻R₉电阻值的9倍，且使分压比例开关K1-1与量程比例开关K1-0同步。当电阻R₃或电阻R₄引起比例误差，或温度引起测量盘误差时，双刀双掷开关K2接入标准回路，检流计J就不会平衡，因此要调节可调节电阻R₁，使流过第一、第二两个测量盘电流恢复到准确值，使检流计J恢复平衡。

图8-2是本专用实验模块的另一个实施例。工作电源输入端A及B间输入3V电压，工作电流调节电阻R₁由20档步进开关每档26Ω组成，调节范围0～520Ω；工作电流调节电阻R₃由20档步进开关，每档1.5Ω组成，调节范围0～30Ω。工作电流调节电阻Rf，由0～2Ω滑线电阻组成。电阻总调节范围为0～552Ω。第一测量盘I为电阻Ra_1-23，它由23只100Ω电阻串联而成；第二测量盘II为电阻Rb，它由10只10Ω电阻串联而成，与第二测量盘联动的有一只代换盘，其电阻Rd构成同电阻Rb，由10只10Ω电阻串联而成。当测量回路进入一只电阻，代换盘就切出一只阻值相同的电阻，以保持A、B间阻值不变。第三测量盘III为电阻Rc，它也有一只代换盘。电阻Rc与该代换盘电阻Re均由10只1Ω电阻串联而成，第四测量盘IV由20只电阻Rf组成，其阻值Rf＝0.05Ω，AB间测量支路阻值为2411Ω。电阻R₅，阻值为241.1Ω，电阻R₇阻值为2169.9Ω，电阻R₉为21699Ω，当量程开关K1-0指×10、×1、×0.1时，电流流过测量盘的比为10∶1∶0.1。由于在×0.1量程时，A、C间并联电阻阻值由2191.818Ω降到238.91Ω，接入电阻Rf后，电阻值为1952.91Ω，以保证A、C间阻值不变，电阻R₆为262Ω，以抬高工作电压到2.7V，避免电池失效后继续工作，引起测量麻烦。本电路工作电流为1.1mA，通过工作电流调节电阻R₁、R₂和R₃，能使工作电压在2.7到3.3V之间进行调节，保持电路工作电流为1.1mA，测量端最大测量电压分别是2.411V、24.11mV、241.1mV。

标准输入端M和N输入基准电压为2V，分压电阻R₉、R₁₀和R₁₁组成分压比例电阻，电阻R₉为100Ω，电阻R₁₀为900Ω，电阻R₁₁为9000Ω。第一测量盘零点与输入端M相连，第一测量盘I与分压比转换开关K1-1相连，分压比转换开关K1-1与量程转换开关K1-0同步当量程转换开关按10∶1∶0.1转换时，分压比转换开关的分压比也按10∶1∶0.1分压。

本电路中，比例误差，电阻20温度变差都可以把检流计J通过双刀双掷开关K2切换到标准回路进行平衡检查，通过工作电流调节电阻调节来消除误差，因而可降低对电阻R₅、R₇和R₈，及电阻Ra_1-23的要求。转而集中于标准电阻R₉、R₁₀和R₁₁，要求它们用同种材料同种方法绕制、处理，并经过自然老化，装配前经过温度系数测定，择档选用之。六、实施例6

图9为多用途电学实验箱专用实验模块的电路图。它是一种较通用的实验设备。可以方便地用于物理方面像电表改装，灵敏电流计特性研究，二极管伏安特性研究，及热功当量实验及其它一些实验，化学方面，如电流滴定电解分析。能完成十几个涉及的电学方面的实验。

图示电源输入回路中，用变阻器(R₁)为串联连接，变阻器(R₂)并联在电源两端，并用电压表E与电流表G₁、G₂加以显示。这样，用二个接线端引出，就可以满足一些实验需要。有些实验要求电流既需要正向，又要求反向，可以加一个双刀双掷反向开关(K4)，再加上用接线柱引出，完全可以满足部分实验要求。在此基础上增加一只标准电阻箱(R₀)，可以用于电表改装实验。如果再增加只标准电阻箱(R₃)及一只小阻值标准电阻(R₄)，则可用于灵敏电流计特性测定研究。此装置的准确度取决于电压表、电流表、标准电阻及电阻箱的精度。

按上述的电路设计方案，用最少的器件，构成了一只多用途实验箱。电源可直接采用0～30V可调稳压电源，也可以设置成内置电源，构成为独立的实验模块。包括把市电变成0～30V可调稳压电源及0～2V可调恒流源的转换部分设计内容。

图示是一个具体的实例，其中设有0～30V电源插座，供外接电源用，E是功率表，G₁为多量程标准电流表，G₂为多量程标准电压表，R₁、R₂为滑线电阻器，R₃、R₄表示标准电阻箱，R₀为标准电阻，单刀双掷开关K1有触点e、d，单刀三掷开关K2触点a、b、c，单刀三掷开关K3触点f、g、h；双刀三掷换向开关K4，触点i、j；单刀三掷开关K5，触点l、m、n；K6为按键开关。此外还设有接线柱：A、B，C、D，E、F及单独的接线柱G、M。

以下的图9示实施例的应用举例，当0～30V直流电源接入后，可以通过滑线电阻器R₁，R₂来改变电路中的电流及被测量物体两端上的电压，并通过电压表G₂及电流表G₁给予显示，换向开关K4可以给接线柱C及D间的被测量物体以正向、反向二种电流。开关K5可以使电阻箱R₃接入或断开移出电路。本电路装置可以完成下列实验：例如

a)电表内阻测量：

开关位置按图9示，待测电表接接线柱C、D，断开开关K5，调节滑行电阻器R₁，使待测电表到满度，记下电流表G₁的值，然后开关K5指向l，调节滑线电阻器R₂及R₁，并调节电阻箱R₃，使电流表G₁的示值不变，且被测电表的显示值为原值的一半，则电阻箱R₃的示值即为被测电表内阻值。以上采用半值法测量电表内阻。也可以在C、D间接上被测电表后，开关K5指向m，记下电流表G₁的值，去掉被测电表，开关K5指向l，调节电阻箱R₃，使电流表G₁示值不变，电阻箱R₃的值就是电表的内阻值。此为全值法测量电表内阻。

b)电表改装成电流表：

调节滑线变阻器R₁使电流表G₁有一个整数值，调节电阻箱R₃使要改装的电表满度也显示该值，则电阻箱R₃上的电阻值及改装使需要并联的分流电阻值。

c)电表改装电压表：

图9中，开关K3指向h，开关K5指向m，把需要改装的电表一端接接线柱C，另一端接接线柱G，由于G和m是相通的，所以被测表和电阻箱R₃是串联在电路中的，调节滑线变阻器R₁，使电压表G₂有一个整数值，调节电阻箱R₃，使改装表满度，则电阻箱R₃的示值即为改装表达到该量程需串联电阻值。

d)二极管及变阻伏安特性研究：

开关K5指向m，接线柱C及D间接二极管，开关K3指向g，如此时二极管是正向偏置，则开关K3指向f，调节变阻器R₁及R₂，记录电压电流关系；再将开关K4指向j，开关K3指向h，调节变阻器R₁及R₂，记录电压、电流关系。用小灯泡替代二极管即可进行变阻伏安特性演示研究。

在现有的结构构架下，经增减少部分器件可以扩展到如热功当量测定，液体比热容的测定，电压表校正，电流表校正；在电化学方面电流滴定，电解分析：以及控制阴极电位电解分析，控制电位库仑法和控制电流库仑分析法的应用。

Claims (8)

1、一种实验用的单元模块，其特征在于它是由其实验用元器件按实验要求集装成的整体式模块，模块设有壳体(1)、面板(2)及其实验装置组件，其面板(2)上排列设置有连接和操作用的指示表头(5、6、8、9、11)、接插件、接线柱(7)、开关(20)、调节器(4、10、16、19)、插头或者插座(12、14、18)。

2、一种利用单元模块构成的教学实验用模块化实验装置，其特征在于该实验装置由其实验用元器件集装而成的单元模块构成，并成为配接使用的块体，它包括一个通用的电源模块(13)和至少一个专用实验模块(17)；所说的单元模块设有壳体(1)、面板(2)及其实验装置组件，其面板(2)上排列设置有连接和操作用的指示表头(5、6、8、9、11)、接插件、接线柱(7)、开关(20)、调节器(4、10、16、19)、插头或者插座(12、14、18)。

3、根据权利要求2所述的教学实验用模块化实验装置，其特征在于所说的电源模块(13)设有二路或二路以上的电源输出端。

4、根据权利要求2所述的教学实验用模块化实验装置，其特征在于所说的专用实验模块(17)是一个交流电桥实验用模块。

5、根据权利要求2所述的教学实验用模块化实验装置，其特征在于所说的专用实验模块(17)专用实验模块是一个设有电位差计，用于高电势、低电势测量的多量程直流电位差计模块。

6、根据权利要求2所述的教学实验用模块化实验装置，其特征在于所说的专用实验模块(17)专用实验模块是一个双桥演示仪模块。

7、根据权利要求2所述的教学实验用模块化实验装置，其特征在于所说的专用实验模块(17)专用实验模块是一个箱式电桥原理模块。

8、根据权利要求2所述的教学实验用模块化实验装置，其特征在于所说的专用实验模块(17)专用实验模块是一个多用途物理实验箱。

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