直流電位差計(jì)的原理和使用

1、THMV-1型直流電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀直流電位差計(jì)的原理和使用補(bǔ)償法是電磁測(cè)量的一種基本方法。電位差計(jì)就是利用補(bǔ)償原理來(lái)精確測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差的一種精密儀器。其突出優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)量電學(xué)量時(shí)，它不從被測(cè)量電路中吸取任何能量，也不影響被測(cè)電路的狀態(tài)和參數(shù)，所以在計(jì)量工作和高精度測(cè)量中被廣泛利用。電位差計(jì)又叫電位計(jì)，它有多種類型，其中十一線電位差計(jì)是一種教學(xué)儀器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)，便于學(xué)習(xí)和掌握；而箱式電位差計(jì)是測(cè)量電位差的專用儀器，它使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到。電位差計(jì)是電磁學(xué)測(cè)量中用來(lái)直接精密測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差的主要儀器之一。它用途很廣泛，不但可以用來(lái)精確測(cè)量電動(dòng)勢(shì)、

2、電壓，與標(biāo)準(zhǔn)電阻配合還可以精確測(cè)量電流和電阻和功率等，還可以用來(lái)校準(zhǔn)精密電表和直流電橋等直讀式儀表，有些電器儀表廠則用它來(lái)確定產(chǎn)品的準(zhǔn)確度和定標(biāo)，而且在非電參量（如溫度、壓力、位移和速度等）的電測(cè)法中也占有極其重要的地位。它不僅被用于直流電路，也用于交流電路。因此在工業(yè)測(cè)量自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路中得到普遍的應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)和掌握電位差計(jì)的補(bǔ)償工作原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。2學(xué)習(xí)用十一線式電位差計(jì)來(lái)測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)或電位差的方法和技巧。3培養(yǎng)學(xué)生正確連接電學(xué)實(shí)驗(yàn)線路、分析線路和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中排除故障的能力。二、實(shí)驗(yàn)儀器1 直流電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)儀集成了4.5V直流穩(wěn)壓電源、1.0186V標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)、Ex

3、1、Ex2兩個(gè)待測(cè)電動(dòng)勢(shì)、數(shù)字檢流計(jì)G、0999W可調(diào)變阻器（電阻箱）、保護(hù)電阻RP等。2滑線式十一線電位差計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)原理1 補(bǔ)償原理在直流電路中，電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于電源開路時(shí)兩電極的端電壓。因此，在測(cè)量時(shí)要求沒(méi)有電流通過(guò)電源，測(cè)得電源的端電壓，即為電源的電動(dòng)勢(shì)。但是，如果直接用伏特表去測(cè)量電源的端電壓，由于伏特表總要有電流通過(guò)，而電源具有內(nèi)阻，因而不能得到準(zhǔn)確的電動(dòng)勢(shì)數(shù)值，所測(cè)得的電位差值總是小于電位差真值。為了準(zhǔn)確的測(cè)量電位差，必須使分流到測(cè)量支路上的電流等于零，直流電位差計(jì)就是為了滿足這個(gè)要求而設(shè)計(jì)的。補(bǔ)償原理就是利用一個(gè)電壓或電動(dòng)勢(shì)去抵消另一個(gè)電壓或電動(dòng)勢(shì)，其原理可用圖（1）來(lái)說(shuō)

4、明。兩個(gè)電源En和正極對(duì)正極、負(fù)極對(duì)負(fù)極，其中En為可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電源電動(dòng)勢(shì)，為待測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)，中間串聯(lián)一個(gè)檢流計(jì)G接成閉合回路。如果要測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)，可通過(guò)調(diào)節(jié)電源En ，使檢流計(jì)讀數(shù)為0，電路中沒(méi)有電流，此時(shí)表明，兩端的電位差和En兩端的電位差相互補(bǔ)償，這時(shí)電路處于補(bǔ)償狀態(tài)。若已知補(bǔ)償狀態(tài)下En 的大小，就可確定，這種利用補(bǔ)償原理測(cè)電位差的方法稱為補(bǔ)償法，該電路稱為補(bǔ)償電路。由上可知，為了測(cè)量，關(guān)鍵在于如何獲得可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)電源，并要求這電源：（1）便于調(diào)節(jié)；（2）穩(wěn)定性好，能夠迅速讀出其準(zhǔn)確的數(shù)值。圖（1）補(bǔ)償原理2電位差計(jì)原理根據(jù)補(bǔ)償法測(cè)量電位差的實(shí)驗(yàn)裝置稱為電位差計(jì)，其測(cè)量原理可分別用圖（2

5、）和圖（3）來(lái)說(shuō)明。圖（2）為電位差計(jì)定標(biāo)原理圖，其中ABCD為輔助工作回路，由電源E、限流電阻R、十一米長(zhǎng)粗細(xì)均勻電阻絲AB串聯(lián)成一閉合回路；MN為補(bǔ)償電路，由待測(cè)電源En和檢流計(jì)G組成。電阻箱R用來(lái)調(diào)節(jié)回路工作電流I的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)I可以調(diào)整每單位長(zhǎng)度電阻絲上電位差Vo的大小，M、N為電阻絲AB上的兩個(gè)活動(dòng)觸點(diǎn)，可以在電阻絲上移動(dòng)，以便從AB上取適當(dāng)?shù)碾娢徊顏?lái)與測(cè)量支路上的電位差補(bǔ)償，它相當(dāng)于補(bǔ)償電路（1）圖中的En，提供了一個(gè)可變電源。當(dāng)回路接通時(shí)，根據(jù)歐姆定律可知，電阻絲AB上任意兩點(diǎn)間的電壓與兩點(diǎn)間的距離成正比。因此，可以改變MN的間距，使檢流計(jì)G讀數(shù)為0，此時(shí)MN兩點(diǎn)間的電壓就等于

6、待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。要測(cè)量電動(dòng)勢(shì)（電位差），必須分兩步進(jìn)行：(1) 定標(biāo)利用標(biāo)準(zhǔn)電源高精確度的特點(diǎn)，使得工作回路中的電流I能準(zhǔn)確地達(dá)到某一標(biāo)定值，這一調(diào)整過(guò)程叫電位差計(jì)的定標(biāo)。圖（2） 電位差計(jì)定標(biāo)原理圖本實(shí)驗(yàn)采用滑線式十一線電位差計(jì)，電阻是11m長(zhǎng)粗細(xì)均勻電阻絲。根據(jù)定標(biāo)原則，按圖（2）連線，移動(dòng)滑動(dòng)觸頭M、N，將M、N之間的長(zhǎng)度固定在上，調(diào)節(jié)工作電路中的電阻R，使補(bǔ)償回路中的定標(biāo)回路達(dá)到平衡，即流過(guò)檢流計(jì)G的電流為零，此時(shí)：在工作過(guò)程中，ABCD中工作電流保持不變，因電阻是均勻電阻絲，令 （1）那么有 （2） 很明顯是電阻絲上單位長(zhǎng)度的電壓降，稱為工作電流標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，單位是V/m。在實(shí)際操作中，只

7、要確定，也就完成了定標(biāo)過(guò)程。由（2）式可知，當(dāng)保持不變時(shí)（即ABCD中工作電流保持不變），可以用電阻絲MN兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度（力學(xué)量）來(lái)反映待測(cè)電動(dòng)勢(shì)（電學(xué)量）的大小。為此，必須確定的數(shù)值。為使讀數(shù)方便起見，取為0.1或0.2，1.0V/m等數(shù)值。由于，而且電阻絲阻值穩(wěn)定，所以只有調(diào)節(jié)ABCD中工作電流的大小，才能得到所需的值，這一過(guò)程通常稱作“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”。（2）測(cè)量測(cè)量待測(cè)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)程與工作電流標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程正好相反。當(dāng)上面定標(biāo)結(jié)束后，按圖3連線，調(diào)節(jié)M、N之間長(zhǎng)度，使M、N兩點(diǎn)間電位差等于待測(cè)電動(dòng)勢(shì)，達(dá)到補(bǔ)償，此時(shí)流過(guò)檢流計(jì)G的電流為零。即圖3 電位差計(jì)測(cè)量原理圖結(jié)合式（2）得 （3）下面用

8、例子說(shuō)明定標(biāo)和測(cè)量過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)電源，取。定標(biāo)：為了保證單位長(zhǎng)度上的電壓降，則要使電位差計(jì)平衡的電阻絲長(zhǎng)度 ，調(diào)節(jié)限流電阻R使，即檢流計(jì)G的電流為0，此時(shí)上的單位長(zhǎng)度電壓降就是0.10000V/m了。測(cè)量：經(jīng)過(guò)定標(biāo)的電位差計(jì)就可用來(lái)測(cè)量待測(cè)電位差，調(diào)節(jié)，使和達(dá)到補(bǔ)償，即若，（V）3電位差計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)十一線電位差計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確度主要取決于下列因素：(1) 十一米電阻絲每段長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性和粗細(xì)的均勻性；(2) 標(biāo)準(zhǔn)電源的準(zhǔn)確度；(3) 檢流計(jì)的靈敏度；(4) 工作電流的穩(wěn)定性。用電位差計(jì)測(cè)量電位差具有下述優(yōu)點(diǎn)：（1）準(zhǔn)確度高，僅依賴于標(biāo)準(zhǔn)電阻、檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電源，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)儀精密電阻絲很均勻準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)電源的電

9、動(dòng)勢(shì)準(zhǔn)確穩(wěn)定，檢流計(jì)很靈敏，而且是數(shù)字式，讀數(shù)方便，故可作為標(biāo)準(zhǔn)儀器來(lái)校驗(yàn)電表。（2）測(cè)量范圍寬廣，靈敏度高，可測(cè)量小電壓或電壓的微小變化。（3）“內(nèi)阻”高，不影響待測(cè)電路。它避免了伏特計(jì)測(cè)量電位差時(shí)總要從被測(cè)電路上分流的缺點(diǎn)。由于采用電位補(bǔ)償原理，測(cè)量時(shí)不影響待測(cè)電路的原來(lái)狀態(tài)。用伏特表測(cè)量電壓時(shí)總要從被測(cè)電路上分出一部分電流，從而改變了待測(cè)電路的原來(lái)狀態(tài)，伏特表內(nèi)阻越低，這種影響就越大。而用電位差計(jì)測(cè)量時(shí)，補(bǔ)償回路中電流為零（當(dāng)然不是絕對(duì)的，檢流計(jì)靈敏度越高，越接近于零），對(duì)待測(cè)電路的影響可以忽略不計(jì)。缺點(diǎn)：電位差計(jì)在測(cè)量過(guò)程中，其工作條件易發(fā)生變化（如輔助回路電源E不穩(wěn)定、可變電阻R變化

10、等），所以測(cè)量時(shí)為保證工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，每次測(cè)量都必須經(jīng)過(guò)定標(biāo)和測(cè)量?jī)蓚€(gè)基本步驟，且每次達(dá)到補(bǔ)償都要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，所以操作繁瑣、費(fèi)時(shí)。四儀器介紹本實(shí)驗(yàn)利用的是十一線電位差計(jì)，如圖4所示，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、便于分析討論等優(yōu)點(diǎn)，適宜學(xué)生用來(lái)做實(shí)驗(yàn)。其中電阻絲AB長(zhǎng)11m，往復(fù)繞在木板的十一個(gè)接線插孔1、2、11上，每?jī)蓚€(gè)插孔間電阻絲長(zhǎng)為1m，插頭M可選插入孔1、2、11中任一孔，電阻絲BO附在帶有毫米刻度的米尺上，觸頭N可在它上面滑動(dòng)。電路中標(biāo)準(zhǔn)電源和檢流計(jì)G都不能通過(guò)較大電流，但在測(cè)量時(shí)，可能因接頭MN之間的電位差和（或）相差較大，而使標(biāo)準(zhǔn)電源和檢流計(jì)中通過(guò)較大電流，因此在回路中串接一只大電

11、阻，但這樣就降低了電位差計(jì)的靈敏度，即可能接頭MN之間電位差和（或）還沒(méi)有完全平衡，由于大電阻的存在而使檢流計(jì)無(wú)明顯偏轉(zhuǎn)。因此，在電位差計(jì)平衡后，還應(yīng)合上K2以提高電位差計(jì)的靈敏度，由于電阻起保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電源和檢流計(jì)的作用，故稱為保護(hù)電阻。五實(shí)驗(yàn)步驟1按圖4連接線路。R用電阻箱，注意電源正負(fù)極的連接。2定標(biāo)。取。將MN間長(zhǎng)度固定在10.186m處，斷開K2，將倒向，合上。調(diào)整R使檢流計(jì)大致指零，合上K2并反復(fù)調(diào)R，直到檢流計(jì)再次指零。此時(shí)，。3測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)。斷開K2，將倒向，合上。調(diào)整MN間長(zhǎng)度，使檢流計(jì)大致指零，合上K2并反復(fù)調(diào)MN之間距離，直到檢流計(jì)再次指零，記下此時(shí)，則待測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)。4取

12、，則?。恢貜?fù)步驟2，3。圖4 電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置圖六、電位差計(jì)的應(yīng)用電位差計(jì)所具有的優(yōu)點(diǎn)，使得它在高精度測(cè)量電壓方面得到廣泛的應(yīng)用。1量各種電動(dòng)勢(shì)，特別是微小電動(dòng)勢(shì)。例如溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)，各種電解液、電極組成的化學(xué)電池電動(dòng)勢(shì)，霍爾元件的霍爾電動(dòng)勢(shì)等。2校準(zhǔn)伏特計(jì)。另配一個(gè)大小合適輸出可調(diào)的待測(cè)電動(dòng)勢(shì)，將伏特計(jì)并接在待測(cè)電動(dòng)勢(shì)兩端，調(diào)節(jié)待測(cè)電動(dòng)勢(shì)輸出電壓，同時(shí)記錄直流電位差計(jì)和伏特計(jì)的讀數(shù)Ex和V，則V=Ex-V，V-V曲線即為伏特計(jì)的校正曲線。七、注意事項(xiàng)1一線電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)板上的電阻絲不要任意去撥動(dòng)，以免影響電阻絲的長(zhǎng)度和粗細(xì)均勻。2 本實(shí)驗(yàn)儀中的標(biāo)準(zhǔn)電源，不允許通過(guò)大電流，否則將使電動(dòng)勢(shì)下降，與標(biāo)準(zhǔn)值不符；不允許用一般電壓表或多用表去測(cè)量它的電動(dòng)勢(shì)，更不允許把它作為電源使用，否則會(huì)損壞該標(biāo)準(zhǔn)電源。八、思考題1 為什么用伏特計(jì)測(cè)量電位差時(shí)，所得之值必小于未接伏特計(jì)時(shí)的初始值？用什么方法可以測(cè)得精確的電位差？2 敘述電位補(bǔ)償?shù)脑砑捌涮攸c(diǎn)。畫出十一線電位差計(jì)的實(shí)驗(yàn)線路圖，并簡(jiǎn)述其測(cè)量步驟。3 為什么要進(jìn)行電位差計(jì)工作電流標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)節(jié)，值的物理意義是什么？值選取的根據(jù)是什么？當(dāng)工作電流標(biāo)準(zhǔn)化后，在測(cè)量時(shí)，電阻箱為什么不能再調(diào)節(jié)？4 要使電位差計(jì)能達(dá)到電位補(bǔ)償?shù)谋匾獥l件是什么？為什么？若工作電源電動(dòng)勢(shì)小于待測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生什么結(jié)果？為什么？5