直流電位差計的原理和使用

1、THMV-1型直流電位差計實驗儀直流電位差計的原理和使用補償法是電磁測量的一種基本方法。電位差計就是利用補償原理來精確測量電動勢或電位差的一種精密儀器。其突出優(yōu)點是在測量電學量時，它不從被測量電路中吸取任何能量，也不影響被測電路的狀態(tài)和參數(shù)，所以在計量工作和高精度測量中被廣泛利用。電位差計又叫電位計，它有多種類型，其中十一線電位差計是一種教學儀器，它結構簡單、直觀性強，便于學習和掌握；而箱式電位差計是測量電位差的專用儀器，它使用方便、測量準確、穩(wěn)定性好，在科學實驗和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到。電位差計是電磁學測量中用來直接精密測量電動勢或電位差的主要儀器之一。它用途很廣泛，不但可以用來精確測量電動勢、

2、電壓，與標準電阻配合還可以精確測量電流和電阻和功率等，還可以用來校準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確定產(chǎn)品的準確度和定標，而且在非電參量（如溫度、壓力、位移和速度等）的電測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)測量自動控制系統(tǒng)的電路中得到普遍的應用。一、實驗目的1學習和掌握電位差計的補償工作原理、結構和特點。2學習用十一線式電位差計來測量未知電動勢或電位差的方法和技巧。3培養(yǎng)學生正確連接電學實驗線路、分析線路和實驗過程中排除故障的能力。二、實驗儀器1 直流電位差計實驗儀，實驗儀集成了4.5V直流穩(wěn)壓電源、1.0186V標準電動勢、Ex

3、1、Ex2兩個待測電動勢、數(shù)字檢流計G、0999W可調(diào)變阻器（電阻箱）、保護電阻RP等。2滑線式十一線電位差計。三、實驗原理1 補償原理在直流電路中，電源電動勢在數(shù)值上等于電源開路時兩電極的端電壓。因此，在測量時要求沒有電流通過電源，測得電源的端電壓，即為電源的電動勢。但是，如果直接用伏特表去測量電源的端電壓，由于伏特表總要有電流通過，而電源具有內(nèi)阻，因而不能得到準確的電動勢數(shù)值，所測得的電位差值總是小于電位差真值。為了準確的測量電位差，必須使分流到測量支路上的電流等于零，直流電位差計就是為了滿足這個要求而設計的。補償原理就是利用一個電壓或電動勢去抵消另一個電壓或電動勢，其原理可用圖（1）來說

4、明。兩個電源En和正極對正極、負極對負極，其中En為可調(diào)標準電源電動勢，為待測電源電動勢，中間串聯(lián)一個檢流計G接成閉合回路。如果要測電源的電動勢，可通過調(diào)節(jié)電源En ，使檢流計讀數(shù)為0，電路中沒有電流，此時表明，兩端的電位差和En兩端的電位差相互補償，這時電路處于補償狀態(tài)。若已知補償狀態(tài)下En 的大小，就可確定，這種利用補償原理測電位差的方法稱為補償法，該電路稱為補償電路。由上可知，為了測量，關鍵在于如何獲得可調(diào)節(jié)的標準電源，并要求這電源：（1）便于調(diào)節(jié)；（2）穩(wěn)定性好，能夠迅速讀出其準確的數(shù)值。圖（1）補償原理2電位差計原理根據(jù)補償法測量電位差的實驗裝置稱為電位差計，其測量原理可分別用圖（2

5、）和圖（3）來說明。圖（2）為電位差計定標原理圖，其中ABCD為輔助工作回路，由電源E、限流電阻R、十一米長粗細均勻電阻絲AB串聯(lián)成一閉合回路；MN為補償電路，由待測電源En和檢流計G組成。電阻箱R用來調(diào)節(jié)回路工作電流I的大小，通過調(diào)節(jié)I可以調(diào)整每單位長度電阻絲上電位差Vo的大小，M、N為電阻絲AB上的兩個活動觸點，可以在電阻絲上移動，以便從AB上取適當?shù)碾娢徊顏砼c測量支路上的電位差補償，它相當于補償電路（1）圖中的En，提供了一個可變電源。當回路接通時，根據(jù)歐姆定律可知，電阻絲AB上任意兩點間的電壓與兩點間的距離成正比。因此，可以改變MN的間距，使檢流計G讀數(shù)為0，此時MN兩點間的電壓就等于

6、待測電動勢。要測量電動勢（電位差），必須分兩步進行：(1) 定標利用標準電源高精確度的特點，使得工作回路中的電流I能準確地達到某一標定值，這一調(diào)整過程叫電位差計的定標。圖（2） 電位差計定標原理圖本實驗采用滑線式十一線電位差計，電阻是11m長粗細均勻電阻絲。根據(jù)定標原則，按圖（2）連線，移動滑動觸頭M、N，將M、N之間的長度固定在上，調(diào)節(jié)工作電路中的電阻R，使補償回路中的定標回路達到平衡，即流過檢流計G的電流為零，此時：在工作過程中，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度的電壓降，稱為工作電流標準化系數(shù)，單位是V/m。在實際操作中，只

7、要確定，也就完成了定標過程。由（2）式可知，當保持不變時（即ABCD中工作電流保持不變），可以用電阻絲MN兩點間的長度（力學量）來反映待測電動勢（電學量）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，這一過程通常稱作“工作電流標準化”。（2）測量測量待測電動勢的過程與工作電流標準化的過程正好相反。當上面定標結束后，按圖3連線，調(diào)節(jié)M、N之間長度，使M、N兩點間電位差等于待測電動勢，達到補償，此時流過檢流計G的電流為零。即圖3 電位差計測量原理圖結合式（2）得 （3）下面用

8、例子說明定標和測量過程，標準電源，取。定標：為了保證單位長度上的電壓降，則要使電位差計平衡的電阻絲長度 ，調(diào)節(jié)限流電阻R使，即檢流計G的電流為0，此時上的單位長度電壓降就是0.10000V/m了。測量：經(jīng)過定標的電位差計就可用來測量待測電位差，調(diào)節(jié)，使和達到補償，即若，（V）3電位差計的優(yōu)缺點十一線電位差計測量的準確度主要取決于下列因素：(1) 十一米電阻絲每段長度的準確性和粗細的均勻性；(2) 標準電源的準確度；(3) 檢流計的靈敏度；(4) 工作電流的穩(wěn)定性。用電位差計測量電位差具有下述優(yōu)點：（1）準確度高，僅依賴于標準電阻、檢流計、標準電源，因為本實驗儀精密電阻絲很均勻準確，標準電源的電

9、動勢準確穩(wěn)定，檢流計很靈敏，而且是數(shù)字式，讀數(shù)方便，故可作為標準儀器來校驗電表。（2）測量范圍寬廣，靈敏度高，可測量小電壓或電壓的微小變化。（3）“內(nèi)阻”高，不影響待測電路。它避免了伏特計測量電位差時總要從被測電路上分流的缺點。由于采用電位補償原理，測量時不影響待測電路的原來狀態(tài)。用伏特表測量電壓時總要從被測電路上分出一部分電流，從而改變了待測電路的原來狀態(tài)，伏特表內(nèi)阻越低，這種影響就越大。而用電位差計測量時，補償回路中電流為零（當然不是絕對的，檢流計靈敏度越高，越接近于零），對待測電路的影響可以忽略不計。缺點：電位差計在測量過程中，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），所以測量時為保證工作電流標準化，每次測量都必須經(jīng)過定標和測量兩個基本步驟，且每次達到補償都要進行細致的調(diào)節(jié)，所以操作繁瑣、費時。四儀器介紹本實驗利用的是十一線電位差計，如圖4所示，它具有結構簡單、直觀、便于分析討論等優(yōu)點，適宜學生用來做實驗。其中電阻絲AB長11m，往復繞在木板的十一個接線插孔1、2、11上，每兩個插孔間電阻絲長為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。電路中標準電源和檢流計G都不能通過較大電流，但在測量時，可能因接頭MN之間的電位差和（或）相差較大，而使標準電源和檢流計中通過較大電流，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的靈敏度，即可能接頭MN之間電位差和（或）還沒有完全平衡，由于大電阻的存在而使檢流計無明顯偏轉。因此，在電位差計平衡后，還應合上K2以提高電位差計的靈敏度，由于電阻起保護標準電源和檢流計的作用，故稱為保護電阻。五實驗步驟1按圖4連接線路。R用電阻箱，注意電源正負極的連接。2定標。取。將MN間長度固定在10.186m處，斷開K2，將倒向，合上。調(diào)整R使檢流計大致指零，合上K2并反復調(diào)R，直到檢流計再次指零。此時，。3測量未知電動勢。斷開K2，將倒向，合上。調(diào)整MN間長度，使檢流計大致指零，合上K2并反復調(diào)MN之間距離，直到檢流計再次指零，記下此時，則待測電池電動勢。4取

12、，則取；重復步驟2，3。圖4 電位差計實驗裝置圖六、電位差計的應用電位差計所具有的優(yōu)點，使得它在高精度測量電壓方面得到廣泛的應用。1量各種電動勢，特別是微小電動勢。例如溫差電偶的溫差電動勢，各種電解液、電極組成的化學電池電動勢，霍爾元件的霍爾電動勢等。2校準伏特計。另配一個大小合適輸出可調(diào)的待測電動勢，將伏特計并接在待測電動勢兩端，調(diào)節(jié)待測電動勢輸出電壓，同時記錄直流電位差計和伏特計的讀數(shù)Ex和V，則V=Ex-V，V-V曲線即為伏特計的校正曲線。七、注意事項1一線電位差計實驗板上的電阻絲不要任意去撥動，以免影響電阻絲的長度和粗細均勻。2 本實驗儀中的標準電源，不允許通過大電流，否則將使電動勢下降，與標準值不符；不允許用一般電壓表或多用表去測量它的電動勢，更不允許把它作為電源使用，否則會損壞該標準電源。八、思考題1 為什么用伏特計測量電位差時，所得之值必小于未接伏特計時的初始值？用什么方法可以測得精確的電位差？2 敘述電位補償?shù)脑砑捌涮攸c。畫出十一線電位差計的實驗線路圖，并簡述其測量步驟。3 為什么要進行電位差計工作電流標準化的調(diào)節(jié)，值的物理意義是什么？值選取的根據(jù)是什么？當工作電流標準化后，在測量時，電阻箱為什么不能再調(diào)節(jié)？4 要使電位差計能達到電位補償?shù)谋匾獥l件是什么？為什么？若工作電源電動勢小于待測電源電動勢將產(chǎn)生什么結果？為什么？5