萬(wàn)用表的前世今生

作者：卓晴  TsinghuaJoking
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第一個(gè)用于檢測(cè)電流的指針表被稱(chēng)為檢流計(jì)（galvanometer），發(fā)明于1820年。配合使用惠斯通電橋(Wheatstone Bridge)可以將待測(cè)量未知的電阻和電壓與已知電壓、電阻進(jìn)行比較，進(jìn)而測(cè)量相關(guān)的電壓、電流、電阻等。在實(shí)驗(yàn)室使用這種方式進(jìn)行測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，方不方便。這個(gè)裝置繁瑣復(fù)雜，不易攜帶。

▲ 檢流計(jì)

檢流計(jì)只能大體反映出是否存在電流，但無(wú)法給出電流大小的精確數(shù)值。而采用活動(dòng)線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)(D'Arsonval/Weston傳動(dòng)機(jī)構(gòu))的電流表則可以顯示電流的大小。

使用精細(xì)漆包線(xiàn)繞制的空心線(xiàn)圈懸掛在永磁鐵磁極內(nèi)，在通過(guò)直流電流后可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩從而帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)。被設(shè)計(jì)成圓環(huán)狀的磁場(chǎng)使得通有電流線(xiàn)圈所受到的安培力與角度無(wú)關(guān)，配上一根孱細(xì)的金屬?gòu)椈山z產(chǎn)生回復(fù)力矩，這使得指針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與線(xiàn)圈通過(guò)的電流之間成正比。這種裝置被稱(chēng)為 D'Arsonval 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在仍然被廣泛使用在各類(lèi)指針式模擬電子表頭中。

▲ D'Arsonal 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

基于活動(dòng)線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)的電流表不再需要惠斯通電橋便可輕易便捷測(cè)量電流大小。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)增加分流電阻、串聯(lián)電阻以及穩(wěn)定的直流電源，便可以測(cè)量不同檔位范圍的電壓、電流、電阻了。

在19世紀(jì)二十年代，隨著電子管設(shè)備越來(lái)越被廣泛使用，萬(wàn)用表就孕育而生了。據(jù)說(shuō)第一個(gè)現(xiàn)代意義上的萬(wàn)用表是英國(guó)郵電局的工程師，Donald Macadie在1920年發(fā)明的。

在他的工作中，為了維修通訊設(shè)施中，需要不斷測(cè)量電路中的電壓、電流、電阻等。他實(shí)在受不了需要同時(shí)攜帶多種電表的麻煩，于是就研制出可以測(cè)量電壓、電流和電阻的萬(wàn)用表，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為安伏歐萬(wàn)用表(Avometer）。

▲ Donald Macadie的萬(wàn)用表

安伏歐萬(wàn)用表采用活動(dòng)線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)指針電流表，外配精密分壓電阻和分流電阻，使用檔位開(kāi)關(guān)和插座來(lái)選擇測(cè)量類(lèi)別和流程范圍。

Macadie將他設(shè)計(jì)的Avometer轉(zhuǎn)讓給自動(dòng)繞線(xiàn)和電氣設(shè)備公司(ACWEEC，建于1923年），當(dāng)年就變成商品銷(xiāo)售了。Avometer，在改進(jìn)型8 之前還只能測(cè)量直流電壓、電流信號(hào)。

在當(dāng)時(shí)還流行一種懷表式的電壓表，外殼是金屬的，比Avometer要便宜許多。它的外殼通常連接表頭的負(fù)極。這個(gè)簡(jiǎn)化雖然方便了操作，但也使得當(dāng)時(shí)很多粗心大意的電子工程師吃了很多被電擊的苦頭。

這種表通常也比較簡(jiǎn)陋，比如說(shuō)明書(shū)上只是標(biāo)明33Ω/V，刻度盤(pán)往往不是均勻的，沒(méi)有指針調(diào)零螺絲等。

▲ 懷表式電壓表

指針式的萬(wàn)用表通常需要從被測(cè)量電路吸收一定的電流驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)線(xiàn)圈，比如一個(gè)滿(mǎn)量程50微安的表頭，常用到的高靈敏度表頭。在測(cè)量時(shí)，指針如果滿(mǎn)偏，則需要從被測(cè)電路中續(xù)收50微安電流，這會(huì)影響一些高阻抗電路的測(cè)量結(jié)果，使得讀出的數(shù)值低于正常值。

使用真空電子管來(lái)提高萬(wàn)用表的輸入阻抗是非常必要的，它們被稱(chēng)為真空管萬(wàn)用表(VTVM ,VVM）。這種電子真空管萬(wàn)用表通常具有1MΩ以上的輸入阻抗，它利用了真空管陰極跟隨輸出（電壓串聯(lián)負(fù)反饋）電路來(lái)提高輸入阻抗，這樣便使得萬(wàn)用表在測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)電路不會(huì)產(chǎn)生顯著的 影響。

▲ 真空管萬(wàn)用表

在數(shù)字（集成）萬(wàn)用表發(fā)明前，高阻抗模擬晶體管電路，或者場(chǎng)效應(yīng)三極管（FETs）被用于替代真空電子管用于萬(wàn)用表設(shè)備。現(xiàn)代的數(shù)字萬(wàn)用表使用高阻抗的集成電路，輸入阻抗可以達(dá)到或者超過(guò)原來(lái)真空電子管萬(wàn)用表。

▲ 現(xiàn)代數(shù)字萬(wàn)用表

現(xiàn)在的萬(wàn)用表又增添了 很多附加的功能，比如測(cè)量功率的分貝表，測(cè)量電容，三極管增益，頻率，占空比，顯示保持等。萬(wàn)用表上的蜂鳴器可以在測(cè)量電路通斷時(shí)發(fā)出聲響，給出迅捷的測(cè)量反饋。配合一些特殊的傳感器，萬(wàn)用表還可以測(cè)量溫度、光度等，并帶有計(jì)算機(jī)的接口。有的還可以進(jìn)行語(yǔ)言讀出測(cè)量值的功能。

參考資料[1]

Multimeter - History: https://www.liquisearch.com/multimeter/history

萬(wàn)用表的前世今生原來(lái)是這樣的。下次能說(shuō)下示波器的前世今生嗎？

學(xué)習(xí)了，謝謝樓主

干了這么多年電學(xué)計(jì)量，才了解到這些

學(xué)習(xí)了，又漲知識(shí)了

學(xué)習(xí)了，謝謝樓主

漲知識(shí)了，謝謝分享

這個(gè)知識(shí)以前還真沒(méi)學(xué)過(guò)，謝謝樓主的分享！