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?！緦嶒災康?】1. 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?！緦嶒炘怼侩妷旱臏y量一般用伏特表來完成。由于電壓

2、表并聯(lián)在測量電路中，電壓表有分流作用，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?；€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)補償法原理而設計的儀器。補償?shù)碾娐吩韴D如圖3-3-1 所示。由 Ea、 K、 R限 和 R 組成的回路稱工作

3、回路；由Es 或 Ex 與檢流計 G組成測量支路，與R儀器組成測量回路。在EaEs, EaEx 時，選擇適當?shù)?R限 ，調(diào)節(jié) R的滑點，可使檢流計 G中無電流流過。此時有VACES 。在 R限 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VACEx 。因此，有IRACVACI RACV ACRACESRAC Ex即： ExRAC ES(3-3-1)RAC 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）

4、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R限起調(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 K 1 后，有電流 I 通過電阻絲 AB ，并在電阻絲上產(chǎn)生電壓降 I R 。如果再接通 K 2 ，可能出現(xiàn)三種情況：1.當 ExVCD 時， G 中有自右向左流動的電流（指針偏向右側(cè)）。2.當 ExVCD 時， G 中有自左向右流動的電流（指針偏向左側(cè)）。3.當

5、 ExVCD 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， Ex IRCD 。設每單位長度電阻絲的電阻為 r0 ， CD 段電阻絲的長度為 Lx ，于是ExIr 0 Lx(3-3-2)將保持可變電阻Rn 及穩(wěn)壓電源 E 輸出電壓不變，即保持工作電流I 不變，再用一個電動勢為 Es 的標準電池替換圖中的Ex ，適當?shù)貙?C、D 的位置調(diào)至 C 、D ，同樣可使檢流計 G 的指針不偏轉(zhuǎn)，達到補償狀態(tài)。設這時C D 段電阻絲的長度為Ls ，則EsIRC D Ir0 Ls（ 3-3-3 ）將上兩式比較得到EELxs（ 3-3-4）xLs

6、（3-3-4 ）式表明， 待測電池的電動勢 Ex可用標準電池的電動勢Es 和在同一工作電流下電位差計處于補償狀態(tài)時測得的 Lx 和 Ls 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圖 3-3-2粗中細E;. I0RxRNG.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1 V，倍率開關K1 旋至 1）和 170mV（最小分度 10V，倍率開關旋到10）兩檔。該電路共有3 個

7、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I 010mA 。將開關S 合向“標準”處， ES 為標準電動勢 , 取值范圍為 1.01781.0190V ， RN 101.78， RpN 為 12 個 0.01 的電阻，對應“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I 0ESmA（ 3-3-5 ）RNRpN10.0000(2)測量 : 將開關 S 合向“未知”測量處，Ex 是未知待測電動勢。保持I 010mA ，調(diào)節(jié) Rx 使檢流計 G指零，則有Ex I 0 Rx（ 3-3-6 ）被測電壓 Ex 與補償電壓極性相反、大小相等，因而

8、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：電位差計是一電阻分壓裝置，它將被測電壓U X 和一標準電動勢接近于直接加以并列比較。 U X 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

9、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)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D SC S 電阻絲的長度LS ，記錄下來。4.將 K2 倒向待測電池Ex 方向，選定

10、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D X CX 的長度 L X , 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和測量其內(nèi)阻圖 3-3-41.按圖 3-3-4接好線路。圖中，EN 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)），Ex 為待測電路的電源； R 為降壓電阻箱， RS為標準電阻100。2. UJ-31 的校準（ 1） 將 UJ-31 上的操作開關 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

11、）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 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 Rp1（粗）、R p 2（中）、R p3（細），使檢流計指示為零。檢流計如指示擺動太大太快，應立即松開按鈕、并注意使用“短路”按鈕，以保護檢流計。（ 5） 逐步將檢流計換為 0.1 檔， 1 檔，重復（ 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）

12、溫度補償盤RN 不動，電流調(diào)節(jié)電阻R p1 （粗）、 R p2 （中）、 R p3 （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 、 III 的讀數(shù)。從而得到：V未知1 （I 1II 0.1III 0.001） K 1 (mV )（ 4）將 K2 撥到“未知2”，K1 撥到 10

13、檔，按測未知 1 的方法測出未知 2。然后根據(jù)公式 V未知1V未知 2 得出微安表的內(nèi)阻R A 。RSR A（ 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LS電阻絲長度L X待測電動勢ExE x123456二、用 UJ-31型電位差計校準微安表和測量其內(nèi)阻微安表通過微安表的實讀數(shù)（ A）V未知 1差值際電流（ A）10080604020【預習思考】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

14、式電位差計對測量范圍有何限制？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RpN 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

15、原因？【附錄】1. 十一線式電位差計十一線式電位差計具有結(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。 Rn 為可變電阻箱，用來調(diào)節(jié)工作電流。轉(zhuǎn)換開關K 2 用來選擇接通標準電池Es 或待測電池 Ex ?；€變阻器 R滑 是用來保護標準電池和檢流計的，在電位差計圖 3-3-5未處于補償狀態(tài)時，必須調(diào)到最大，在

16、電位差計處于補償狀態(tài)進行讀數(shù)時，應調(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R pN （分為 R p1、Rp2 、R p3 ）；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K 1；6標準回路和測量回路的轉(zhuǎn)換開關K 2 ；7電鍵按鈕（ “粗”、“細”、“短路”）。UJ-31 型電位差計使用的電源是5.7 6.4 V 的直流電源，其工作電流為10mA . 它

17、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，第二盤（R p2）和第三盤（R p3）均為滑線盤。標準電池電動勢溫度補償盤RN 的補償范圍為1.0180 1.0196 V 。該儀器有兩個測量端，通過轉(zhuǎn)換開關K 2 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，第測量盤是10 點步進轉(zhuǎn)換式開關，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K1 有兩檔：在“ 1”檔，測量范圍是0 17.1 mV ，測量盤的最小分度值為 1V ，游標尺的分度值為 0.1 V ； 在“ 10

18、”檔，測量范圍是0 171mV ，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 型直流復射式檢流計它是一種磁電式高靈敏度儀表，采用光點復射式（光標多次反射再投射到刻度尺上）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（ 10 5 10 7 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”開關扳向所選擇的供電方