用補償法測量電流電壓和電阻

1、實驗3-3 用補償法測量電壓、電流和電阻電位差計是精密測量中應(yīng)用最廣的儀器之一，不但用來精確測量電動勢、電壓、電流和電阻等，還可用來校準精密電表和直流電橋等直讀式儀表，在非電參量（如溫度、壓力、位移和速度等）的電測法中也占有重要地位?！緦嶒?zāi)康摹?. 掌握補償法原理，了解其優(yōu)缺點。2. 掌握UJ-31型直流電位差計的原理、構(gòu)造及使用方法。3. 學會用UJ-31型電位差計來校準微安表及測量其內(nèi)阻?！緝x器用具】 滑線式電位差計一套、UJ-31型直流電位差計一臺、檢流計一臺、標準電池、工作電源、待測電池、微安表頭、直流電阻箱。【實驗原理】 電壓的測量一般用伏特表來完成。由于電壓表并聯(lián)在測量電路中，電

2、壓表有分流作用，會對原電路兩端的電壓產(chǎn)生影響，測量到的電壓并不是原電路的電壓。用電壓表測量電源電動勢時，由于電壓表的引入，電源內(nèi)部將有電流，而電源一般有內(nèi)阻，內(nèi)阻將有電壓降，從而電壓表讀數(shù)是電源的端電壓，它小于電源的電動勢。由此可知，要測量電動勢，必須讓它無電流輸出。 補償法是電磁測量中一種常用的精密測量方法，它可以精確地測量電動勢、電位差和低電阻，是學生會必須掌握的方法之一。 滑線式電位差計、UJ-31型電位差計或?qū)W生型電位差計UJ-36等都是根據(jù)補償法原理而設(shè)計的儀器。補償?shù)碾娐吩韴D如圖3-3-1所示。 由Ea、K、和R組成的回路稱工作回路；由Es或Ex與檢流計G組成測量支路，與R儀器組

3、成測量回路。在EaEs, EaEx時，選擇適當?shù)?，調(diào)節(jié)R的滑點，可使檢流計G中無電流流過。此時有。在不變的情況下，降Es換成Ex，再調(diào)節(jié)R，若調(diào)節(jié)到C位置使檢流計無電流流過，則。因此，有即： (3-3-1) 測量支路中無電流流過，那么Es或Ex就是它們的電動勢，由此可知電壓補償法測量電動勢或電位差時比一般電表法更為準確。由圖3-3-1可知，用補償法測電動勢時，需一個標準電池（標準電動勢）作為標準比較。標準電池的電動勢比較穩(wěn)定，精度比較高。圖中起調(diào)節(jié)工作電流的作用，工作電流越大，分壓電阻R上單位電阻上的電壓降越大；工作電流越小，分壓電阻上單位電阻上的電壓降越小，表示測量精度越高。檢流計G靈敏度越

4、高，測量精度越高。 下面介紹兩種常用的電位差計的基本原理。一、線式電位差計基本原理如圖3-3-2所示，按通K1后，有電流通過電阻絲AB，并在電阻絲上產(chǎn)生電壓降。如果再接通K2，可能出現(xiàn)三種情況：1. 當時，G中有自右向左流動的電流（指針偏向右側(cè)）。2. 當時，G中有自左向右流動的電流（指針偏向左側(cè)）。3. 當時，G中無電流，指針不偏轉(zhuǎn)。將這種情形稱為電位差計處于補償狀態(tài)，或者說待測電路得到了補償。在補償狀態(tài)時，。設(shè)每單位長度電阻絲的電阻為，段電阻絲的長度為，于是 (3-3-2)將保持可變電阻及穩(wěn)壓電源輸出電壓不變，即保持工作電流不變，再用一個電動勢為的標準電池替換圖中的，適當?shù)貙⒌奈恢谜{(diào)至，同

5、樣可使檢流計G的指針不偏轉(zhuǎn)，達到補償狀態(tài)。設(shè)這時段電阻絲的長度為，則圖3-3-2 （3-3-3）將上兩式比較得到 （3-3-4） （3-3-4）式表明，待測電池的電動勢可用標準電池的電動勢和在同一工作電流下電位差計處于補償狀態(tài)時測得的和值來確定?？梢婋娢徊钣嫓y量的結(jié)果僅僅依賴于準確度極高的標準電池、標準電阻（或均勻電阻絲）以及高靈敏度的檢流計，測量準確度可達到0.01%或更高。二、UJ-31型電位差計基本原理EG粗中細I0RNRxESEXKG標 準未 知圖3-3-3S上圖3-3-3是UJ31 型電位差計的原理簡圖。UJ-31型電位差計是一種測量直流低電位差的儀器，量程分為17mV（最小分度1V

6、，倍率開關(guān)K1旋至1）和170mV（最小分度10V，倍率開關(guān)旋到10）兩檔。該電路共有3個回路組成：工作回路校準回路測量回路。(1)校準：為了得到一個已知的“標準”工作電流。將開關(guān)S合向“標準”處，為標準電動勢,取值范圍為1.01781.0190V，101.78，為12個0.01的電阻，對應(yīng)“粗”“中”“細”三個旋鈕，調(diào)節(jié)這三個電阻旋鈕使檢流計G指零，顯然 （3-3-5）(2)測量:將開關(guān)S合向“未知”測量處，是未知待測電動勢。保持，調(diào)節(jié)使檢流計G指零，則有 （3-3-6）被測電壓與補償電壓極性相反、大小相等，因而相互補償（平衡）。這種測量未知電壓的方式叫“補償法”。 補償法具有以下優(yōu)點：電位

7、差計是一電阻分壓裝置，它將被測電壓和一標準電動勢接近于直接加以并列比較。的值僅取決于電阻比及標準電動勢，因而能夠達到較高的測量準確度。上述“校準”和“測量”兩步驟中，檢流計兩次均指零，表明測量時既不從標準回路內(nèi)的標準電動勢源（通常用標準電池）中也不從測量回路中吸取電流。因此，不改變被測回路的原有狀態(tài)及電壓等參量，同時可避免測量回路導線電阻，標準電阻的內(nèi)阻及被測回路等效內(nèi)阻等對測量準確度的影響，這是補償法測量準確度較高的另一個原因?！緦嶒瀮?nèi)容】 一、用滑線式電位差計測量電池的電動勢1. 按圖3-3-5接好線路，A、B兩端為11線電阻絲的兩端，即將11線電阻絲全部串聯(lián)在工作回路中，將限流電阻Rn調(diào)

8、至40左右。2. 接通K1,工作回路有電流流過，工作電路的電流大小由工作電源E、11m電阻絲的電阻以及Rn決定。E及11m電阻絲是選定了的，主要靠調(diào)節(jié)Rn控制工作電流；工作電源E的電動勢要大于標準電池或待測電池的電動勢。3. 將K2倒向標準電池Es一側(cè)，插頭C選在67m段電阻絲插孔，D在米尺電阻絲上滑動，有米尺讀數(shù)，找出平衡點，讀出平衡時電阻絲的長度，記錄下來。4. 將K2倒向待測電池Ex方向，選定插頭C的位置，調(diào)節(jié)滑動頭D，找出平衡點，讀取平衡時電阻絲的長度,記錄于表中。5. 由公式（3-3-4）計算待測電池電動勢。6. 如果要測量甲電池的內(nèi)阻，如何測量？二、用UJ-31型電位差計校準微安表

9、和測量其內(nèi)阻圖3-3-41. 按圖3-3-4接好線路。圖中，為標準電池，G為檢流計，E為工作電源（要求其工作電壓在5.76.4V范圍內(nèi)），為待測電路的電源；R為降壓電阻箱，為標準電阻100。2. UJ-31的校準（1） 將UJ-31上的操作開關(guān)K2置“斷”位置。先調(diào)好檢流計光點為零，選擇光電檢流計為0.01檔。（2） 根據(jù)當時溫度計算標準電池的電動勢，將溫度補償盤RN置于此值。（3） 將K2調(diào)至“標準”，量程變換開關(guān)K1調(diào)至10檔。（4） 躍接電鍵“粗”按鈕，調(diào)節(jié)工作電流調(diào)節(jié)電阻（粗）、（中）、（細），使檢流計指示為零。檢流計如指示擺動太大太快，應(yīng)立即松開按鈕、并注意使用“短路”按鈕，以保護檢

10、流計。（5） 逐步將檢流計換為0.1檔，1檔，重復(fù)（4）的步驟。（6） 最好按“細”按鈕，檢流計放在1檔，調(diào)節(jié)粗、中、細電阻調(diào)節(jié)旋鈕使檢流計指示為零，表示已校準好UJ-31，即工作電流已校準為10.0000mA。 3.校準微安表并測表頭內(nèi)阻 （1）溫度補償盤RN不動，電流調(diào)節(jié)電阻（粗）、（中）、（細）不動，將K1調(diào)到1檔，K2調(diào)到”未知1”,檢流計調(diào)到0.01檔，按“粗”按鈕，調(diào)節(jié)電阻盤I、II、III，使檢流計指示為零。 (2 ) 逐步將檢流計換成0.1、1檔，調(diào)節(jié)I、II、III使檢流計指示為零。（3）按“細”按鈕，在檢流計1檔時，調(diào)節(jié)I、II、III使檢流計指示為零。記下此時I、II、I

11、II的讀數(shù)。從而得到：（4）將K2撥到“未知2”，K1撥到10檔，按測未知1的方法測出未知2。然后根據(jù)公式得出微安表的內(nèi)阻。 （5）依次將微安表電流調(diào)至100A，80A，60A，40A，20A，校準微安表，列表記錄?！緮?shù)據(jù)處理】一、用滑線式電位差計測量電池的電動勢測量次數(shù)電阻絲長度電阻絲長度待測電動勢123456二、用UJ-31型電位差計校準微安表和測量其內(nèi)阻微安表讀數(shù)（A）通過微安表的實際電流（A）差值10080604020【預(yù)習思考】1. 為什么用電位差計可直接測電源的電動勢？能否用伏特表測電動勢？若可測，寫出測量方法。2. 檢流計始終無偏轉(zhuǎn)可能是什么原因？3. 滑線式電位差計對測量范圍有

12、何限制？4. 使用光電式檢流計要注意什么事項？5. 標準電阻應(yīng)如何接入到電路中？【習題】1. 如果電阻絲的電阻每米5，E=3V，標準電池Es=1V,待測電池Ex=1.5V左右，限流電阻Rn如何取值？2. 無論如何滑動滑線電位差計上的滑動頭C，檢流計始終朝一個方向偏轉(zhuǎn)，可能是何原因？3. 如果工作電源的電動勢E比待測電池電動勢Ex小，能否做實驗？為什么？4. 能否用UJ-31型電位差計來直接測量甲電池的電動勢？為什么？5. 在校準UJ-31電位差計的過程中，盡管電流調(diào)節(jié)電阻從最大值調(diào)到最小值，卻仍然找不到平衡狀態(tài)。試問：此故障有哪三種可能的原因？【附錄】1. 十一線式電位差計圖3-3-5十一線式

13、電位差計具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、便于分析討論等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖3-3-2所示。電阻絲AB長5.5m，往復(fù)繞在有機玻璃板的11個接線插柱上，每相鄰兩個接線柱間電阻絲有效長度為0.5m。插頭C可連接在0,110中任一個位置。電阻絲BO旁邊附有帶毫米刻度的米尺，觸頭D在它上面滑動。CD間的電阻絲長度可在05.5m間連續(xù)變化。為可變電阻箱，用來調(diào)節(jié)工作電流。轉(zhuǎn)換開關(guān)K2用來選擇接通標準電池或待測電池?；€變阻器是用來保護標準電池和檢流計的，在電位差計未處于補償狀態(tài)時，必須調(diào)到最大，在電位差計處于補償狀態(tài)進行讀數(shù)時，應(yīng)調(diào)到最小，以提高測量的靈敏度。2. UJ-31型低電勢直流電位差計A. UJ-31型低電勢

14、直流電位差計面板分布圖3-3-61五組接線端鈕（標準、檢流計、工作電源接入端、未知1、未知2）；2標準電池電動勢的溫度補償盤RN ；3工作電流調(diào)節(jié)電阻盤（分為Rp1、Rp2、Rp3）；4測量調(diào)節(jié)電阻盤、，其中第盤帶有游標尺A；5電位差計量程變換開關(guān)K1；6標準回路和測量回路的轉(zhuǎn)換開關(guān)K2；7電鍵按鈕（“粗”、“細”、“短路”）。 UJ-31型電位差計使用的電源是5.76.4V的直流電源，其工作電流為10mA . 它的三個工作電流調(diào)節(jié)盤中，第一個盤（Rp1）是16點步進的轉(zhuǎn)換開關(guān)，第二盤（Rp2）和第三盤（Rp3）均為滑線盤。標準電池電動勢溫度補償盤RN的補償范圍為1.01801.0196V。該

15、儀器有兩個測量端，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)K2可接通“未知1”或“未知2”或“標準電池”。在它的三個測量調(diào)節(jié)電阻盤中，第測量盤是16點步進轉(zhuǎn)換式開關(guān)，第測量盤是10點步進轉(zhuǎn)換式開關(guān)，第測量盤是滑線盤；測量盤的電阻值已轉(zhuǎn)換成電壓刻度標在了儀器面板上。該儀器的量程變換開關(guān)K1有兩檔：在“1”檔，測量范圍是017.1mV，測量盤的最小分度值為1V，游標尺的分度值為0.1V；在“10”檔，測量范圍是0171mV，測量盤的最小分度值為10V，游標尺的分度值為1V。B. UJ-31型低電勢直流電位差計內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-3-73.AC15/4型直流復(fù)射式檢流計它是一種磁電式高靈敏度儀表，采用光點復(fù)射式（光標多次反射再投射

16、到刻度尺上）讀數(shù)，故又叫光點檢流計。其分度值約510 A/分度， 用來測量微小電流（107 10 A）或微小電壓（105 107 V），如光電流、生物電流及溫差電動勢等，也常作為電橋和電位差計的零指示器，以提高測量的準確度。儀器面板如圖所示。使用方法及注意事項：A移動檢流計或使用完畢時，“分流器”均應(yīng)置于“短路”檔；因線圈的金屬懸絲很細、易斷，切忌搖晃、震動，操作時動作一定要輕。B供電有交流220V和直流6V兩種方式，實驗室接220V電源，不得插錯；面板“電源”開關(guān)扳向所選擇的供電方式；一般電流由“”流入檢流計時，光標向右偏。C使用前要調(diào)零：先調(diào)節(jié)“零點調(diào)節(jié)”，使光標中線指在中間“0”左右，然后移動標尺上的金屬小柱使光標精確指“0”。D找不到光點時，可將“分流器”旋鈕旋至“直接”；當光標擺動不停時，可旋向“短路”，使檢流計受到阻尼而停止擺動。E“分流器”選擇旋鈕“0.01”、“0.1”、“1”等，其中“1”為靈敏度最高檔，使用時，可先選最低檔，調(diào)節(jié)后再換高靈敏檔。 4. 標準電池標準電池是一種用來作電動勢標準的原電池。由于內(nèi)電