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1、实验八电位差计的原理和使用【实验目的】1 掌握电位差计的工作原理和正确使用方法，加深对补偿法测量原理的理解和运 用。2训练简单测量电路的设计和测量条件的选择。【实验仪器】UJ31 型直流电位差计、SS1791双路输出直流稳 压电源、标准电池、标准电阻、AC15/5 灵敏电流计、FJ31 型直流分压箱、滑线变阻器、直流电阻箱、待 校验电表、待测干电池、待测电阻、开关和导线等。【实验原理】如图 5.8.1 所示，电位差计的工作原理是根据电 压补偿法，先使标准电池 En与测量电路中的精密电 阻 Rn的两端电势差 Ust相比较，再使被测电势差（或 电压）Ex与准确可变的电势差 Ux相比较，通过检流 计
2、 G 两次指零来获得测量结果。电压补偿原理也可 从电势差计的“校准”和“测量”两个步骤中理解。校准：将 K2打向“标准”位置，检流计和校准电路联接，Rn取一预定值，其大小由标 准电池 ES的电动势确定；把 K1合上，调节 Rp,使检流计 G指零，即 En=IRn,此时测量 电路的工作电流已调好为 1=En/Rn。校准工作电流的目的：使测量电路中的 Rx流过一个 已知的标准电流 I。，以保证 Rx电阻盘上的电压示值（刻度值）与其（精密电阻 Rx上的）实 际电压值相一致。测量：将 K2打向“未知”位置，检流计和被测电路联接，保持 Io不变（即 Rp不变）,K1合上，调节 Rx，使检流计 G 指零，
3、即有 Ex=Ux=IoRxo 由此可得Ex Rx o 由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据 Rx电阻值标出其对 Rn 应的电压刻度值，因此只要读出 Rx电阻盘刻度的电压读数，即为被测电动势 Ex的测量值。所以，电位差计使用时，一定要先 校准”，后 测量”，粗-”1卜细 图 5.8.1 电位差计的工作原理 两者不能倒置。【实验装置】1.UJ31 型电位差计 图 5.8.2 UJ31型电位差计面板图 深对补偿法测量原理的理解和运用训练简单测量电路的设计和测量条件的选择实验仪器型直流电位差计双路输出直流稳压电源标准电池标准电阻灵敏电流计型直流分压箱滑线变阻器直流电阻箱待校验电表待测干电池待测电阻开关
4、和势差相比较再使被测电势差或电压与准确可变的电势差相比较通过检流计两次指零来获得测量结果电压补偿原理也可从电势差计的校准和测量两个步骤中理解校准将打向标准位置检流计和校准电路联接取预定值其大小由标准电池的过个已知的标准电流以保证电阻盘上的电压示值刻度值与其精密电阻上的实际电压值相致测量将打向未知位置检流计和被测电路联接保持不变即不变合上调节使检流计指零即有由此可得由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据电阻5.7V 6.4V 外接工作电源，标准电池和灵敏电流计均外接，其面板图如图 5.8.2 所示。调 节工作电流（即校准）时分别调节 Rp1（粗调）、R p 2（中调）和 Rp3（细调）三个电阻转
5、盘，以保证迅速准确地调节工作电流。Rn 是为了适应温度不同时标准电池电动势的变化而 设置的，当温度不同引起标准电池电动势变化时，通过调节 Rn，使工作电流保持不变。Rx 被分成 i（1）、n（0.1）和川（0.001）三个电阻转盘，并在转盘上标出对应 Rx的 电压值，电位差计处于补偿状态时可以从这三个转盘上直接读出未知电动势或未知电压。左 下方的“粗”和“细”两个按钮，其作用是：按下“粗”铵钮，保护电阻和灵敏电流计串联，此时电流计的灵敏度降低；按下“细”按钮，保护电阻被短路，此时电流计的灵敏度提高。K 2为标准电池和未知电动势的转换开关。标准电池、灵敏电流计、工作电源和未知电动势 Ex由相应的
6、接线柱外接。UJ31 型电位差计的使用方法：（1）将K2置到“断”，Ki置于“1”档或“10”档（视被测量值而定），分别接 上标准电池、灵敏电流计、工作电源。被测电动势（或电压）接于“未知 1”（或“未知 2”）。（2）根据温度修正公式计算标准电池的电动势 En（t）的值，调节Rn的示值与其相等。将 K2置“标准”档，按下“粗”按钮，调节 Rp1、Rp2和Rp3，使灵敏电流计指针指零，再 按下“细”按钮，用Rp2和Rp3精确调节至灵敏电流计指针指零。此操作过程称为“校准”。（3）将K2置“未知 1”（或“未知 2”）位置，按下“粗”按钮，调节读数转盘 i、n 使灵敏电流计指零，再按下“细”按钮
7、，精确调节读数转盘川使灵敏电流计指零。读数转 盘 i、n 和川的示值乘以相应的倍率后相加，再乘以 K1所用的倍率，即为被测电动势（或 电压）Ex。此操作过程称作“测量”。本实验室使用的 UJ31 电位差计的准确度等级为 0.05 级，在周围温度与 20C 相差不在 的条件下，其基本误差限 Ux 为 式中的U为电位差计的最小分度值，即当倍率取“10”时U为 10 V，当倍 率取“1”时 U 为 1 V 2.标准电池 标准电池的使用参阅 3.6。UX(0.05%U x 0.5 U)(5.8.1)深对补偿法测量原理的理解和运用训练简单测量电路的设计和测量条件的选择实验仪器型直流电位差计双路输出直流稳
8、压电源标准电池标准电阻灵敏电流计型直流分压箱滑线变阻器直流电阻箱待校验电表待测干电池待测电阻开关和势差相比较再使被测电势差或电压与准确可变的电势差相比较通过检流计两次指零来获得测量结果电压补偿原理也可从电势差计的校准和测量两个步骤中理解校准将打向标准位置检流计和校准电路联接取预定值其大小由标准电池的过个已知的标准电流以保证电阻盘上的电压示值刻度值与其精密电阻上的实际电压值相致测量将打向未知位置检流计和被测电路联接保持不变即不变合上调节使检流计指零即有由此可得由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据电阻3.FJ31 型直流分压箱 分压箱是用来扩大电位差计量程的，它实际上是由若干个准确度很高的电阻串联
9、组成的 分压器。分压箱上分别标明了每一档的倍率，使用时，选择合适的分压比 n,将分压箱的“输 入端”与待测的电动势(或电压)相接，“输出端”与电位差计的“未知”端相接，则所测 电动势(或电压)等于电位差计上的读数乘以分压箱上的倍率数 n,即 Vx n电位差读数值。4.灵敏电流计 灵敏电流计的使用参阅 3.5。【实验内容】1.用电位差计校准量程为 3V(或 75mV)的电压表(参考电路如图 5.8.3,图 5.8.4)(1)设计较准电压表的控制电路，要求控制电路的电压调节范围在 0 3V(或 075mV)间连续可调。(2)根据电位差计和待校电压表的量程，选取适当的分压比。(3)作 Ux Ux校准
10、曲线，对待校电压表的精度作出评价。(4)估算电表校验装置的误差，并判断它是否小于电表基本误差限的 1/3,进而得出校 验装置是否合理的初步结论。2.用电位差计校准量程为 15mA(或 30mA)的毫安表(参考电路如图 5.8.5)(1)设计较准毫安表的控制电路.要求控制电路的电流调节范围在 0.00 15.00mA (030mA)内连续可调。(2)选取适当的取样电阻和变阻器阻值。(3)作lx Ix校正曲线，对待校电流表的精度作出评价。(4)估算电表校验装置的误差，并判断它是否小于电表基本误差限的 1/3,进而得 出校验装置是否合理的初步结论。3.用电位差计测量干电池的电动势(参考电路如图 5.
11、8.6)(1)根据电位差计的量程和被测干电池，选取适当的分压器的分压比。深对补偿法测量原理的理解和运用训练简单测量电路的设计和测量条件的选择实验仪器型直流电位差计双路输出直流稳压电源标准电池标准电阻灵敏电流计型直流分压箱滑线变阻器直流电阻箱待校验电表待测干电池待测电阻开关和势差相比较再使被测电势差或电压与准确可变的电势差相比较通过检流计两次指零来获得测量结果电压补偿原理也可从电势差计的校准和测量两个步骤中理解校准将打向标准位置检流计和校准电路联接取预定值其大小由标准电池的过个已知的标准电流以保证电阻盘上的电压示值刻度值与其精密电阻上的实际电压值相致测量将打向未知位置检流计和被测电路联接保持不变
12、即不变合上调节使检流计指零即有由此可得由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据电阻(2)测量次数不少于 6 次，并进行误差分析，写出干电池的测量结果 4.用电位差计测电阻值(参考电路如图 5.8.7)(1)令稳压电源固定输出 1.5V，设计测定电阻的控制电路，由于实验室提供的 UJ31 型直流电位差计有两组输入测量端，则应设计一个能对标准电阻和待测电阻的端电压作连续 测量的控制电路。(2)选择合适的测量条件，包括：标准电阻，控制电路的工作电流和变阻器的 阻值。【注意事项】1.实验前熟悉 UJ31 型直流电位差计各 旋钮、开关和接线端钮的作用。接线路时注 意各电源及未知电压的极性。2.检查并调整电表
13、和电流计的零点，开始时电流计应置于其灵敏度最低档(0.01 档),以后逐步提高灵敏度档次。3.为防止工作电流的波动，每次测电压前都应校准并且测量时，必须保持标准的工 作电流不变，即当 K2置“未知 1”或“未知 2”测量待测电压时，不能调节 Q 之“粗”、“中”、“细”三个旋钮。(为什么？)4.测量前，必须预先估算被测电压值，并将测量盘I,n，川调到估算值。5.使用 UJ31 型电位差计，调节微调刻度盘川时，其刻度线缺口内不属于读数范围，进 入这一范围时测量电路已经断开，此时检流计虽回到中间平衡位置亦不是电路达到平衡状态 的指示。【思考题】1.箱式电位差计的工作原理是什么？使用箱式电位差计时，
14、为什么要“先校准，后测 量”？2.为什么要使工作电流标准化？(3)测量次数不少于 6 次,确定度给出测量结果 Rx 上述实验内容可任选两项完成。E 图 586 用电位差计测量干电池 图 5.8.5 用电位差计校正毫安表 Ex 计算不 深对补偿法测量原理的理解和运用训练简单测量电路的设计和测量条件的选择实验仪器型直流电位差计双路输出直流稳压电源标准电池标准电阻灵敏电流计型直流分压箱滑线变阻器直流电阻箱待校验电表待测干电池待测电阻开关和势差相比较再使被测电势差或电压与准确可变的电势差相比较通过检流计两次指零来获得测量结果电压补偿原理也可从电势差计的校准和测量两个步骤中理解校准将打向标准位置检流计和
15、校准电路联接取预定值其大小由标准电池的过个已知的标准电流以保证电阻盘上的电压示值刻度值与其精密电阻上的实际电压值相致测量将打向未知位置检流计和被测电路联接保持不变即不变合上调节使检流计指零即有由此可得由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据电阻3 电位差计的面板上的粗、中、细三个旋钮的作用是什么？4 在接线、拆线或调节未知电压 Ux之前，必须先把 Ki（或 K2）置断”处，其目的是 什么？5 箱式电位差计左下角之 粗”、细”两个按钮的作用是什么？如何使用？6.测量时为什么要估算并预置测量盘的电位差值？接线时为什么要特别注意电压极性 是否正确？7.校准（或测量）时如果无论怎样调节电流调节盘（或测量盘
16、），电流计总是偏向一侧，可能有哪几种原因？8什么是“补偿法”？用这种方法测电动势有什么特点？9如果电位差计没有严格校准，工作电流偏大，将使测量结果偏大还是偏小？【附录】1 在用电位差计校准电流表时，是通过用电位差计测量标准电阻上的电压来转化成标 准电流，进而对电流表各点进行校正。估算电表校验装置的误差，并判断它是否小于电表基 本误差限的 1/3，进而得出校验装置是否合理的结论。估算时只要求考虑电位差计的基本误 差限及标准电阻Rs的误差，可用下式确定：I 2 2 I Ux 艮 J I,Ux Rs 显然，电表校验装置的误差还应包括标准电动势 En（t）欠准、工作电流波动、线间绝缘 不良等其它因素的
17、影响，但考虑这些因素对教学实验就过于复杂了。式中电位差计测电压的 不确定度 Ux用上面（581）式式来估算；f级的标准电阻（本实验 f 0.01级）的不确 定度 RS可用下式简化估算 乓 Rsf%式中 n 为分压箱的分压比。Rs Rs f%2.用电位差计测干电池电动势的 B 类不确定度的计算公式用下式计算 B n UX n(0.05%Ux 0.5 U)深对补偿法测量原理的理解和运用训练简单测量电路的设计和测量条件的选择实验仪器型直流电位差计双路输出直流稳压电源标准电池标准电阻灵敏电流计型直流分压箱滑线变阻器直流电阻箱待校验电表待测干电池待测电阻开关和势差相比较再使被测电势差或电压与准确可变的电势差相比较通过检流计两次指零来获得测量结果电压补偿原理也可从电势差计的校准和测量两个步骤中理解校准将打向标准位置检流计和校准电路联接取预定值其大小由标准电池的过个已知的标准电流以保证电阻盘上的电压示值刻度值与其精密电阻上的实际电压值相致测量将打向未知位置检流计和被测电路联接保持不变即不变合上调节使检流计指零即有由此可得由于箱式电位差计面板上的测量盘是根据电阻