3.3.1 指针式万用表
3.3.1.1 基本工作原理
指针式万用表的基本工作原理是利用一只比较灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。当有微小电流通过表头时，就会有电流指示。但表头不能通过大电流，所以必须在表头上并联或串联一些电阻进行分流或降压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。其工作原理如图3-25所示。
图3-25 万用表扩展量程原理图
（1）测量直流电流
如图3-25（a）所示，在表头上并联一个适当的电阻进行分流，就可以扩展电流量程。改变分流电阻的阻值，就能改变电流测量范围。
（2）测量直流电压
如图3-25（b）所示，在表头上串联一个适当阻值的电阻进行降压，就可以扩展电压量程。改变降压电阻的阻值，就能改变电压的测量范围。串接的电阻越大，电压表的量程就越大。
电压表的内阻越高，从测量电路分到的电流越小，被测电路受到的影响越小。通常用仪表的灵敏度来表示这一特征，即用仪表的总内阻与电压量程的比值来表示。如MF-30型万用表的500V挡，其总内阻为2500kΩ，则灵敏度为2500/500=5（kΩ/V）。
（3）测量交流电压
如图3-25（c）所示，因为表头是直流表，所以测量交流时，需加装一个并、串式半波整流器，将交流进行整流变成直流后再通过表头，这样就可以根据直流电的大小来测量交流电压。扩展交流电压量程的方法与直流电压量程相似。
（4）测量电阻
如图3-25（d）所示，在表头上并联和串联适当的电阻，同时串接一节电池，使电流通过被测电阻，根据电流的大小，就可测量出电阻值。改变分流电阻的阻值，就能改变测量电阻的量程。
模拟式万用表由表头、转换开关、测量电路三个基本部分以及表盘、表壳和表笔等组成。各种型号万用表的外形不尽相同，图3-26为MF47型万用表面板图。在模拟式万用表的面板上有带有标度尺和各种符号的表盘、转换开关旋钮、机械调零螺栓、电阻调零旋钮、测量晶体三极管的插座以及供连接表笔的插孔或接线柱等。
图3-26 MF47型万用表面板图
1—表盘；2—机械调零螺栓；3—电阻调零旋钮；
4—转换开关旋钮；5—测量种类和量程；6—表笔插孔；7—晶体管插座
3.3.1.2 基本结构
（1）表盘
在万用表的表盘上， 通常印有标度尺、数字和各种符号，如图3-27所示。
图3-27 万用表的表盘示例
①弧形标度尺 在万用表上都有一条电阻（Ω）标度尺，它位于刻度盘的最上方；一条直流用的50格等分的标度尺；一条50V以上交流用的标度尺；一条10V交流专用标度尺及一条音频电平（dB）标度尺。有的万用表上还有A、μF、mH及hFE等标度尺。
②常用符号及其意义 为了方便使用，万用表的使用条件和技术特性往往用一些特定符号标注在万用表的表盘上，使用者可根据表盘上特定的标记符号，了解万用表的特性，以确定是否符合测量需要。万用表表盘上的常用符号及其意义详见表3-2（其他可参见表3-1）。
表3-2 万用表表盘上的常用符号及其意义
（2）表头
表头是万用表的主要部件，其作用是用来指示被测量的数值，通常都是用高灵敏度的磁电系测量机构作为万用表的表头。一般万用表的表头及其内部结构如图3-28所示，
图3-28 表头及其内部结构
1—蝴蝶形支架；2—上调零杆；3—极掌；
4—圆柱形软铁；5—下调零杆；6—下游丝；
7—动圈；8—上游丝；9—刀形指针；10—表托；11—磁钢；12—表盘
磁场是由马蹄形磁钢11产生的，极掌3和圆柱形软铁4用来在空气隙内形成辐射的均匀磁场，动圈7通过胶在端面上的轴尖支承在宝石轴承上，可以在空气隙内自由转动，上轴尖的下面固定着指针9。当直流电流按规定方向通过线圈时，与空气隙内的磁场相互作用而产生转动力矩，使动圈顺时针方向转动。当转动力矩与上游丝8和下游丝6所产生的反作用力矩平衡时，指针便停止下来，从标度尺上便可得出读数。万用表表头的电气符号如图3-29所示，其中RM为表头内阻，即表头动圈电阻，IM为表头灵敏度——使表针满刻度偏转的表头中的电流。IM越小，说明万用表表头的灵敏度越高。一般来说，MF系列万用表表头的灵敏度为10～100μA。万用表表头的等效电路相当于一只阻值为RM的电阻，该电阻所允许通过的最大直流电流为IM。
图3-29 表头电气符号
①动圈（指针）转动的原理 磁电系仪表的作用原理为永久磁钢、圆弧形极掌和圆柱形软铁在空气隙中形成的均匀辐射磁场，与通过绕组的电流所形成的磁场相互作用，从而产生转动力矩使动圈转动，如图3-30所示。动圈受力的方向可用左手定则来判断。
图3-30 动圈在磁场内的偏转
动圈绕组在磁场中的一边受力的大小F与空气隙中磁感应强度B0、通过导体的电流I、线圈的匝数N和有效长度l成正比，即
F=B0INl
作用于动圈的转动力矩
T=2Fb/2=Fb=B0INlb=B0INS
式中 B0——空气隙中的平均磁感应强度；
I——通过动圈绕组的电流；
N——动圈绕组匝数；
l——动圈绕组在空气隙中的有效长度；
b——动圈绕组的平均宽度；
S——动圈的有效面积。
如果B0的单位为Wb/m2，S的单位为m2，I的单位为A，则T的单位为N·m。
②框架的阻尼作用 动圈的框架大多用铝制成。当电流I从线圈流过而使动圈偏转时，铝框（相当于一匝短路线圈）在空气隙中切割磁感应线形成感应电流I'，产生力矩T'。此力矩刚好与转动力矩方向相反（图3-31），从而降低了动圈的转动速度，并减少了表头指针停止前的摆动次数，以便迅速得到读数，这种作用叫作阻尼。同理，在动圈上单独绕以若干匝短路线圈也可起阻尼作用。短路线圈匝数越多，其阻尼作用越大。
图3-31 框架的阻尼力
在磁电系电工仪表中，如果有分流电阻，则动圈绕组两端通过分流电阻而构成闭合回路，相当于增大了电阻的短路线圈，也可起到阻尼作用。分流电阻的阻值越小，其阻尼越大；动圈绕组匝数越多，阻尼也越大。此外，磁钢磁性越强，阻尼也越大。所以匝数相当多的具有分流电阻的强磁场电表，往往不需要铝框或短路线圈就可得到需要的阻尼。
阻尼过大或过小都不好。阻尼过小则指针摇摆，读取数值时间延长；阻尼过大则指针移动滞缓，读取数值时间也会延长，且会增大摩擦误差。最好是使指针停止前只做一次摆动，即稍有退回，这可通过调节分流电阻的阻值来达到。
③表头的零位 表头中没有电流通过时，指针所指的位置叫作标度尺的零位。表头的零位在标度尺的左边，表头只允许通过单方向的电流。因为电流方向改变，电磁转矩的方向也要改变，指针就要反向偏转，易把指针打弯。为了表明仪表所允许的通过电流方向，在万用表面板上表笔的插孔或接线柱上，一般都标有“+”“-”符号。表示电流应从“+”插孔流入表头，从“-”插孔流出，测量时，必须注意接法要符合这一规定。
当表头中没有电流通过时，若指针所指的位置不在零位，可由图3-28中所示的上调零杆或下调零杆来调节指针到零位。上调零杆由面板上的机械调零螺栓来调节，下调零杆通常在表头出厂前已调好。
④表头质量的初步检查
a.水平方向转动表头，指针应无卡轧现象。停止转动后，应回到原来的位置。若原来在零位上，应基本上仍回零位，偏离不超过半格（标度尺全长设为50格，下同）。
b.水平位置使指针尖上下摆动，如果摆动幅度太大，表示轴承螺栓太松；如果一点儿不摆动，表示轴承螺栓太紧；稍微有些摆动，表示松紧适度。
c.将表头竖立、斜立、倒立，看指针是否偏离原来的位置。若偏离一格以上，则表明其平衡性能较差，必须加以调整。
d.通电测试其大概灵敏度，表头的灵敏度是指表头指针从标度尺零点偏转到满刻度时所通过的电流，电流越小，灵敏度越高。业余制作者在购买旧表头时，有必要知道其大概灵敏度。用一节干电池串联一只30kΩ普通电阻去测试，如图3-32所示，此时线路上的电流按欧姆定律计算约为（RM忽略不计）
假设表头偏转B格，即表头每偏转一格需要通过电流（50/B）A。表头满刻度为50格，表头指针从标度尺零点偏转到满刻度所需通过的电流为（50/B）×50μA，则得表头大概的灵敏度。若遇到很高灵敏度的表头时，则串联的电阻值应加大。
图3-32 表头大概灵敏度的测定
同时，还要仔细观察一下表头内部是否有串并联电阻、磁分路器（图3-33）是否完全闭合。若有串并联电阻或磁分路器已闭合（当磁分路器闭合时，一部分磁感应线从磁分路器通过，使空气隙中磁感应线减少，磁场强度降低，因而表头灵敏度也随之降低，灵敏度降低可达15%），只要去掉串并联电阻或把磁分路器移开些，就可增加其灵敏度。
图3-33 磁分路器
（3）转换开关
万用表中测量种类及量程的选择是通过转换开关实现的。转换开关里有许多静触点和动触点，用来闭合与断开测量电路。
动触点通常称为“刀”，静触点通常称为“掷”。当转动转换开关的旋钮时，转换开关上的“刀”跟随转动，并在不同的挡位上与相应的“掷”（静触点）接触闭合，从而接通相对应的电路，并断开其他无关的电路。万用表通常采用多刀多掷转换开关，以适应切换多种测量电路的需要。
图3-34是单层3刀24掷转换开关的触点示意图，它的24个固定触点沿圆周分布。在圆周内还有8个圆弧形的固定滑动触点A、B、C、D、E、F、G、H，如图3-34（a）所示。装在转轴上的动触点有a、b、 c三个，彼此是连通的，如图3-34（b）所示。当旋转开关旋钮时，装在转轴上的动触点b及c可以在不同挡位的固定滑动触点上滑动，而动触点a与相应的固定触点接触，使这些固定滑动触点与相应的固定触点上的线路连接，从而构成完整的测量电路。如图3-34（c）所示的是这种转换开关的等效平面展开图，其中a、b和c表示动触点。
图3-34 万用表转换开关
（4）测量电路
测量电路的作用是把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流，它是用来实现多种电量、多个量程测量的重要手段。
测量电路实际上是由多量程直流电流表、多量程直流电压表、多量程交流电压表和多量程欧姆表等几种电路组合而成的。构成测量电路的主要元件绝大部分是各种类型和各种数值的电阻元件，如线绕电阻、碳膜电阻、电位器等。测量时，通过转换开关将这些元件组成不同的测量电路，就可以把各种不同的被测量变换成磁电系表头能够反映的微小直流电流，从而达到一表多用的目的。此外，在测量交流电的电路中，还有由电力二极管组成的整流电路以及由电容组成的滤波电路。
万用表的型号种类虽然繁多，相应的测量电路也多种多样。但是各种测量电路都大同小异，工作原理基本相同。图3-35是MF47型万用表的电路原理图。
图3-35 MF47型万用表的电路原理图
3.3.1.3 主要技术指标
模拟式万用表的主要技术指标有测量种类、量程、电压灵敏度及最大电压降、准确度等级等。电压灵敏度是以直流或交流电压挡每伏刻度对应的内阻来表示的。MF47型万用表的主要技术指标如表3-3所示。
表3-3 MF47型万用表的主要技术指标
3.3.1.4 使用方法
（1）测量电阻
如图3-36（a）所示，选择合适的电阻挡位，将两表笔搭在一起短路，使指针向右偏转，随即调整“Ω”调零旋钮，使指针恰好指到0。然后将两根表笔分别接触被测电阻两端，如图3-36（b）所示，读出指针在欧姆刻度线上的数值，再乘以该挡位的倍数，就是所测电阻的阻值。例如用R×100挡测量电阻，指针指在15，则所测得的电阻值为15×100=1500（Ω）=1.5（kΩ）。
图3-36 测量电阻接线图
由于“Ω”刻度线左部读数较密，难于看准，所以测量时应选择适当的欧姆挡位，使指针指在刻度线的中部或偏右部，这样读数比较清楚准确。注意每次换挡时都应将两根表笔短接，调整指针到零位，即重新进行欧姆校零后才能再次进行测量。
（2）测量直流电压
首先估计一下被测电压的大小，然后将万用表的转换开关拨至适当的“V”量程，将正表笔接被测电压的“+”端，负表笔接被测量电压“-”端。然后根据该挡量程数字与标示直流符号“V”刻度线上的指针所指数字来读出被测电压的大小。如用“V”50V挡测量，可以直接读出0～50V的指示数值。如用“V”500V挡测量，只需将刻度线上50这个数字增加一个“0”，看成是500，再依次把40、30、20和10等数字看成是400、300、200、100等，即可直接读出指针指示的数值。
（3）测量直流电流
先估计一下被测电流的大小，然后将转换开关拨至合适的“mA”量程，再把万用表串接在电路中，同时观察标有直流符号“mA”的刻度线，如电流量程选在5mA挡，这时，应把表面刻度线上50的数字，去掉一个“0”看成5，然后依次把40、30、20、10看成是4、3、2、1，这样就可以读出被测电流数值。例如，当用直流5mA挡测量直流电流时，指针在30，则被测电流的大小为3mA。
（4）测量交流电压
测交流电压的方法与测量直流电压相似，所不同的是因交流电没有正、负之分，所以测量交流时，表笔也就不需分正、负。读数方法与上述测量直流电压的读法一样，只是数字应看标有交流符号刻度线上的指针位置。
3.3.1.5 注意事项
万用表是比较精密的仪器，如果使用不当，不仅造成测量不准确，而且极易损坏。使用万用表时应特别注意如下事项：
①使用前，应通过面板上的调零螺钉进行机械调零，以保证测量的准确性。
②万用表一般配有红黑两种颜色的表笔，面板上也有红黑两色端钮或标有“+”“-”极性的插孔。使用时应将红色表笔的连接线接红色端钮或插入标“+”号的插孔内，黑色表笔的连接线接黑色端钮或插入标有“-”号的插孔内。有的万用表备有交直流2500V的测量端钮，使用时，黑色表笔仍接在黑色端钮或标有“-”号的插孔内，而红色表笔接到2500V的端钮或标有2500V的插孔内。
③读数时要正视表面，认清所选测量挡的标度尺，再从垂直于表盘中心的位置正确读数，同时要注意标度尺读数和各量程挡倍率的配合，以免发生差错。若有反射镜，则应待指针与反射镜中镜像重合时读数。
④选择量程时应使被测量在所选择量程范围内；测量电压或电流时，指针尽量落在量程的1/2～2/3的范围内；测量电阻时，指针尽量落在欧姆表中心值的0.1～10倍范围内，这样读数比较准确。
⑤测量电流与电压不能旋错挡位。如果误用电阻挡或电流挡去测量电压，就容易把表烧坏。有些万用表的面板上有两个转换开关，一个选择测量对象，另一个选择测量量程。使用时应先选择测量对象，再选择测量量程。
⑥测量直流电压和直流电流时，应注意“+”“-”极性不可接错。红色表笔接正极，黑色表笔接负极。如发现指针反转，应立即调换表笔，以免损坏指针及表头。
⑦如事先不知道被测电压或电流的大小，应先用最高挡，而后选用合适的挡位来测试，以免表针偏转过度而损坏表头。所选用的挡位愈靠近被测值，测量的数值就愈准确。测量较高电压或较大电流时，不准带电转换开关旋钮，以防烧坏开关触点。
⑧被测电阻不能有并联支路，否则其测量结果是被测电阻与并联支路电阻并联后的等效电阻，而不是被测电阻的阻值。由于这一原因，测量电阻时，不能用手去接触被测电阻的两端，避免因人体电阻而造成不必要的测量误差。严禁在被测电阻带电的状态下进行电阻值的测量。
⑨用欧姆挡去判别二极管的极性或三极管的引脚时，要注意表笔的正负极性与表内电池的极性相反，即黑色表笔为电池的“+”极性，红色表笔为“-”极性。
⑩测量电阻时，如将两支表笔短接，调零旋钮调至最大时，指针仍然达不到0点，通常是由于表内电池电压不足造成的，此时应更换新电池。
当万用表使用完毕后，不要将其挡位旋在电阻挡，而应将其旋至交流电压最高挡，或旋至“OFF”挡。因为表内有电池，如不小心易使两根表笔相碰短路，不仅耗费电池，严重时甚至会损坏表头。
万用表应经常保持清洁干燥，避免振动或潮湿；当其长期不用时，要把电池取出，以防日久电池变质渗液，损坏万用表。