實(shí)驗(yàn)3-3用補(bǔ)償法測(cè)量電壓、電流和電阻

1、實(shí)驗(yàn)3-3 用補(bǔ)償法測(cè)量電壓、電流和電阻電位差計(jì)是精密測(cè)量中應(yīng)用最廣的儀器之一，不但用來(lái)精確測(cè)量電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流和電阻等，還可用來(lái)校準(zhǔn)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(cè)法中也占有重要地位?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆昭a(bǔ)償法原理，了解其優(yōu)缺點(diǎn)。掌握UJ-31型直流電位差計(jì)的原理、構(gòu)造及使用方法。學(xué)會(huì)用UJ-31型電位差計(jì)來(lái)校準(zhǔn)微安表及測(cè)量其內(nèi)阻?！緝x器用具】 滑線(xiàn)式電位差計(jì)一套、UJ-31型直流電位差計(jì)一臺(tái)、檢流計(jì)一臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)電池、工作電源、待測(cè)電池、微安表頭、直流電阻箱?！緦?shí)驗(yàn)原理】 電壓的測(cè)量一般用伏特表來(lái)完成。由于電壓表并聯(lián)在測(cè)量電路中，電壓表有分流作用，會(huì)

2、對(duì)原電路兩端的電壓產(chǎn)生影響，測(cè)量到的電壓并不是原電路的電壓。用電壓表測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)時(shí)，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(dòng)勢(shì)。由此可知，要測(cè)量電動(dòng)勢(shì)，必須讓它無(wú)電流輸出。 補(bǔ)償法是電磁測(cè)量中一種常用的精密測(cè)量方法，它可以精確地測(cè)量電動(dòng)勢(shì)、電位差和低電阻，是學(xué)生會(huì)必須掌握的方法之一。 滑線(xiàn)式電位差計(jì)、UJ-31型電位差計(jì)或?qū)W生型電位差計(jì)UJ-36等都是根據(jù)補(bǔ)償法原理而設(shè)計(jì)的儀器。補(bǔ)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(chēng)工作回路；由Es或Ex與檢流計(jì)G組成測(cè)量支路，與R儀器組成測(cè)量回路。在Ea

3、Es, EaEx時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)?，調(diào)節(jié)R的滑點(diǎn)，可使檢流計(jì)G中無(wú)電流流過(guò)。此時(shí)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(jì)無(wú)電流流過(guò)，則。因此，有即： (3-3-1) 測(cè)量支路中無(wú)電流流過(guò)，那么Es或Ex就是它們的電動(dòng)勢(shì)，由此可知電壓補(bǔ)償法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差時(shí)比一般電表法更為準(zhǔn)確。由圖3-3-1可知，用補(bǔ)償法測(cè)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，需一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池（標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)）作為標(biāo)準(zhǔn)比較。標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)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(cè)量精度越高。檢流計(jì)G靈敏度越高，測(cè)量精度越高。

4、 下面介紹兩種常用的電位差計(jì)的基本原理。一、線(xiàn)式電位差計(jì)基本原理如圖3-3-2所示，按通K1后，有電流通過(guò)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(dāng)時(shí)，G中有自右向左流動(dòng)的電流（指針偏向右側(cè)）。2. 當(dāng)時(shí)，G中有自左向右流動(dòng)的電流（指針偏向左側(cè)）。3. 當(dāng)時(shí)，G中無(wú)電流，指針不偏轉(zhuǎn)。將這種情形稱(chēng)為電位差計(jì)處于補(bǔ)償狀態(tài)，或者說(shuō)待測(cè)電路得到了補(bǔ)償。在補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，。設(shè)每單位長(zhǎng)度電阻絲的電阻為，段電阻絲的長(zhǎng)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(gè)電動(dòng)勢(shì)為的標(biāo)準(zhǔn)電池替換圖中的，適當(dāng)?shù)貙⒌奈恢谜{(diào)至，同樣可使檢流計(jì)G的指

5、針不偏轉(zhuǎn)，達(dá)到補(bǔ)償狀態(tài)。設(shè)這時(shí)段電阻絲的長(zhǎng)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(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)可用標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)和在同一工作電流下電位差計(jì)處于補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)測(cè)得的和值來(lái)確定?？梢?jiàn)電位差計(jì)測(cè)量的結(jié)果僅僅依賴(lài)于準(zhǔn)確度極高的標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻（或均勻電阻絲）以及高靈敏度的檢流計(jì)，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.01%或更高。二、UJ-31型電位差計(jì)基本原理EG粗中細(xì)I0RNRxESEXKG標(biāo) 準(zhǔn)未 知圖3-3-3S上圖3-3-3是UJ31 型電位差計(jì)的原理簡(jiǎn)圖。UJ-31型電位差計(jì)是一種測(cè)量直流低電位差的儀器，量程分為17mV（最小分度1V，倍率開(kāi)關(guān)K1旋至

6、1）和170mV（最小分度10V，倍率開(kāi)關(guān)旋到10）兩檔。該電路共有3個(gè)回路組成：工作回路校準(zhǔn)回路測(cè)量回路。(1)校準(zhǔn)：為了得到一個(gè)已知的“標(biāo)準(zhǔn)”工作電流。將開(kāi)關(guān)S合向“標(biāo)準(zhǔn)”處，為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì),取值范圍為1.01781.0190V，101.78，為12個(gè)0.01的電阻，對(duì)應(yīng)“粗”“中”“細(xì)”三個(gè)旋鈕，調(diào)節(jié)這三個(gè)電阻旋鈕使檢流計(jì)G指零，顯然 （3-3-5）(2)測(cè)量:將開(kāi)關(guān)S合向“未知”測(cè)量處，是未知待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。保持，調(diào)節(jié)使檢流計(jì)G指零，則有 （3-3-6）被測(cè)電壓與補(bǔ)償電壓極性相反、大小相等，因而相互補(bǔ)償（平衡）。這種測(cè)量未知電壓的方式叫“補(bǔ)償法”。 補(bǔ)償法具有以下優(yōu)點(diǎn)：電位差計(jì)是一電阻分壓裝

7、置，它將被測(cè)電壓和一標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)接近于直接加以并列比較。的值僅取決于電阻比及標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，因而能夠達(dá)到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。上述“校準(zhǔn)”和“測(cè)量”兩步驟中，檢流計(jì)兩次均指零，表明測(cè)量時(shí)既不從標(biāo)準(zhǔn)回路內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)源（通常用標(biāo)準(zhǔn)電池）中也不從測(cè)量回路中吸取電流。因此，不改變被測(cè)回路的原有狀態(tài)及電壓等參量，同時(shí)可避免測(cè)量回路導(dǎo)線(xiàn)電阻，標(biāo)準(zhǔn)電阻的內(nèi)阻及被測(cè)回路等效內(nèi)阻等對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，這是補(bǔ)償法測(cè)量準(zhǔn)確度較高的另一個(gè)原因?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 一、用滑線(xiàn)式電位差計(jì)測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)按圖3-3-5接好線(xiàn)路，A、B兩端為11線(xiàn)電阻絲的兩端，即將11線(xiàn)電阻絲全部串聯(lián)在工作回路中，將限流電阻Rn調(diào)至40左右。接通K1,工

8、作回路有電流流過(guò)，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(dòng)勢(shì)要大于標(biāo)準(zhǔn)電池或待測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)。將K2倒向標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，有米尺讀數(shù)，找出平衡點(diǎn)，讀出平衡時(shí)電阻絲的長(zhǎng)度，記錄下來(lái)。將K2倒向待測(cè)電池Ex方向，選定插頭C的位置，調(diào)節(jié)滑動(dòng)頭D，找出平衡點(diǎn)，讀取平衡時(shí)電阻絲的長(zhǎng)度,記錄于表中。由公式（3-3-4）計(jì)算待測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)。如果要測(cè)量甲電池的內(nèi)阻，如何測(cè)量？二、用UJ-31型電位差計(jì)校準(zhǔn)微安表和測(cè)量其內(nèi)阻圖3-3-4按圖3-3-4接好線(xiàn)路。圖中，

9、為標(biāo)準(zhǔn)電池，G為檢流計(jì)，E為工作電源（要求其工作電壓在5.76.4V范圍內(nèi)），為待測(cè)電路的電源；R為降壓電阻箱，為標(biāo)準(zhǔn)電阻100。UJ-31的校準(zhǔn)將UJ-31上的操作開(kāi)關(guān)K2置“斷”位置。先調(diào)好檢流計(jì)光點(diǎn)為零，選擇光電檢流計(jì)為0.01檔。根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)，將溫度補(bǔ)償盤(pán)RN置于此值。將K2調(diào)至“標(biāo)準(zhǔn)”，量程變換開(kāi)關(guān)K1調(diào)至10檔。躍接電鍵“粗”按鈕，調(diào)節(jié)工作電流調(diào)節(jié)電阻（粗）、（中）、（細(xì)），使檢流計(jì)指示為零。檢流計(jì)如指示擺動(dòng)太大太快，應(yīng)立即松開(kāi)按鈕、并注意使用“短路”按鈕，以保護(hù)檢流計(jì)。逐步將檢流計(jì)換為0.1檔，1檔，重復(fù)（4）的步驟。最好按“細(xì)”按鈕，檢流計(jì)放在1檔，調(diào)節(jié)粗、

10、中、細(xì)電阻調(diào)節(jié)旋鈕使檢流計(jì)指示為零，表示已校準(zhǔn)好UJ-31，即工作電流已校準(zhǔn)為10.0000mA。 3.校準(zhǔn)微安表并測(cè)表頭內(nèi)阻 （1）溫度補(bǔ)償盤(pán)RN不動(dòng)，電流調(diào)節(jié)電阻（粗）、（中）、（細(xì)）不動(dòng)，將K1調(diào)到1檔，K2調(diào)到”未知1”,檢流計(jì)調(diào)到0.01檔，按“粗”按鈕，調(diào)節(jié)電阻盤(pán) = 1 * ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III，使檢流計(jì)指示為零。 (2 ) 逐步將檢流計(jì)換成0.1、1檔，調(diào)節(jié) = 1 * ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III使檢流計(jì)指示為零。（3）按“細(xì)”按鈕，在檢流計(jì)1檔時(shí)，調(diào)節(jié) = 1 *

11、 ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III使檢流計(jì)指示為零。記下此時(shí) = 1 * ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III的讀數(shù)。從而得到：（4）將K2撥到“未知2”，K1撥到10檔，按測(cè)未知1的方法測(cè)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(zhǔn)微安表，列表記錄?！緮?shù)據(jù)處理】一、用滑線(xiàn)式電位差計(jì)測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)測(cè)量次數(shù)電阻絲長(zhǎng)度電阻絲長(zhǎng)度待測(cè)電動(dòng)勢(shì)123456二、用UJ-31型電位差計(jì)校準(zhǔn)微安表和測(cè)量其內(nèi)阻微安表讀數(shù)（A）通過(guò)微安表的實(shí)際電流（A

12、）差值10080604020【預(yù)習(xí)思考】為什么用電位差計(jì)可直接測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)？能否用伏特表測(cè)電動(dòng)勢(shì)？若可測(cè)，寫(xiě)出測(cè)量方法。檢流計(jì)始終無(wú)偏轉(zhuǎn)可能是什么原因？滑線(xiàn)式電位差計(jì)對(duì)測(cè)量范圍有何限制？使用光電式檢流計(jì)要注意什么事項(xiàng)？標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)如何接入到電路中？【習(xí)題】如果電阻絲的電阻每米5，E=3V，標(biāo)準(zhǔn)電池Es=1V,待測(cè)電池Ex=1.5V左右，限流電阻Rn如何取值？無(wú)論如何滑動(dòng)滑線(xiàn)電位差計(jì)上的滑動(dòng)頭C，檢流計(jì)始終朝一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，可能是何原因？如果工作電源的電動(dòng)勢(shì)E比待測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)Ex小，能否做實(shí)驗(yàn)？為什么？能否用UJ-31型電位差計(jì)來(lái)直接測(cè)量甲電池的電動(dòng)勢(shì)？為什么？在校準(zhǔn)UJ-31電位差計(jì)的過(guò)程中，盡

13、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(wèn)：此故障有哪三種可能的原因？【附錄】十一線(xiàn)式電位差計(jì)圖3-3-5十一線(xiàn)式電位差計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、便于分析討論等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3-3-2所示。電阻絲AB長(zhǎng)5.5m，往復(fù)繞在有機(jī)玻璃板的11個(gè)接線(xiàn)插柱上，每相鄰兩個(gè)接線(xiàn)柱間電阻絲有效長(zhǎng)度為0.5m。插頭C可連接在0,110中任一個(gè)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(dòng)。CD間的電阻絲長(zhǎng)度可在05.5m間連續(xù)變化。為可變電阻箱，用來(lái)調(diào)節(jié)工作電流。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K2用來(lái)選擇接通標(biāo)準(zhǔn)電池或待測(cè)電池?；€(xiàn)變阻器是用來(lái)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電池和檢流計(jì)的，在電位差計(jì)未處于補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，必須調(diào)到

14、最大，在電位差計(jì)處于補(bǔ)償狀態(tài)進(jìn)行讀數(shù)時(shí)，應(yīng)調(diào)到最小，以提高測(cè)量的靈敏度。UJ-31型低電勢(shì)直流電位差計(jì)A. UJ-31型低電勢(shì)直流電位差計(jì)面板分布圖3-3-61五組接線(xiàn)端鈕（標(biāo)準(zhǔn)、檢流計(jì)、工作電源接入端、未知1、未知2）；2標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)的溫度補(bǔ)償盤(pán)RN ；3工作電流調(diào)節(jié)電阻盤(pán)（分為Rp1、Rp2、Rp3）；4測(cè)量調(diào)節(jié)電阻盤(pán)、，其中第盤(pán)帶有游標(biāo)尺A；5電位差計(jì)量程變換開(kāi)關(guān)K1；6標(biāo)準(zhǔn)回路和測(cè)量回路的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K2；7電鍵按鈕（“粗”、“細(xì)”、“短路”）。 UJ-31型電位差計(jì)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(gè)工作電流調(diào)節(jié)盤(pán)中，第一個(gè)盤(pán)（Rp1）是16點(diǎn)步進(jìn)的

15、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，第二盤(pán)（Rp2）和第三盤(pán)（Rp3）均為滑線(xiàn)盤(pán)。標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)溫度補(bǔ)償盤(pán)RN的補(bǔ)償范圍為1.01801.0196V。該儀器有兩個(gè)測(cè)量端，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K2可接通“未知1”或“未知2”或“標(biāo)準(zhǔn)電池”。在它的三個(gè)測(cè)量調(diào)節(jié)電阻盤(pán)中，第測(cè)量盤(pán)是16點(diǎn)步進(jìn)轉(zhuǎn)換式開(kāi)關(guān)，第測(cè)量盤(pán)是10點(diǎn)步進(jìn)轉(zhuǎn)換式開(kāi)關(guān)，第測(cè)量盤(pán)是滑線(xiàn)盤(pán)；測(cè)量盤(pán)的電阻值已轉(zhuǎn)換成電壓刻度標(biāo)在了儀器面板上。該儀器的量程變換開(kāi)關(guān)K1有兩檔：在“1”檔，測(cè)量范圍是017.1mV，測(cè)量盤(pán)的最小分度值為1V，游標(biāo)尺的分度值為0.1V；在“10”檔，測(cè)量范圍是0171mV，測(cè)量盤(pán)的最小分度值為10V，游標(biāo)尺的分度值為1V。B. UJ-31型低電勢(shì)直流

16、電位差計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-3-73.AC15/4型直流復(fù)射式檢流計(jì)它是一種磁電式高靈敏度儀表，采用光點(diǎn)復(fù)射式（光標(biāo)多次反射再投射到刻度尺上）讀數(shù)，故又叫光點(diǎn)檢流計(jì)。其分度值約510 A/分度， 用來(lái)測(cè)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(dòng)勢(shì)等，也常作為電橋和電位差計(jì)的零指示器，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。儀器面板如圖所示。使用方法及注意事項(xiàng)：A移動(dòng)檢流計(jì)或使用完畢時(shí)，“分流器”均應(yīng)置于“短路”檔；因線(xiàn)圈的金屬懸絲很細(xì)、易斷，切忌搖晃、震動(dòng)，操作時(shí)動(dòng)作一定要輕。B供電有交流220V和直流6V兩種方式，實(shí)驗(yàn)室接220V電源，不得插錯(cuò)；面板“電源”開(kāi)關(guān)扳向所選擇的供電方式；一般電流由“”流入檢流計(jì)時(shí)，光標(biāo)向右偏。C使用前要調(diào)零：先調(diào)節(jié)“零點(diǎn)調(diào)節(jié)”，使光標(biāo)中線(xiàn)指在中間“0”左右，然后移動(dòng)標(biāo)尺上的金屬小柱使光標(biāo)精確指“0”。D找不到光點(diǎn)時(shí)，可將“分流器”旋鈕旋至“直接”；當(dāng)光標(biāo)擺動(dòng)不停時(shí)，可旋向“短路”，使檢流計(jì)受到阻尼而停止擺動(dòng)。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(shí)，可先選最低檔，調(diào)節(jié)后再換高靈敏檔。 4. 標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是一種用來(lái)作電動(dòng)勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)的原電池。由