大学物理实验：电压补偿和电流补偿实验结果

2023-11-02 理论教育版权反馈

【摘要】：电位差计是一种精密测量电位差（电压）的仪器，它的原理是使被测电压和一已知电压相互补偿，其准确度可高达0.001%。掌握补偿法测电动势的基本原理。被测电压Ex 与补偿电压极性相反、大小相等，因而相互补偿（平衡）。这种测量未知电压的方式叫“补偿法”。因此，不改变被测回路的原有状态及电压等参量，同时可避免测量回路导线电阻、标准电阻的内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。

电位差计是一种精密测量电位差（电压）的仪器，它的原理是使被测电压和一已知电压相互补偿（即达到平衡），其准确度可高达0.001%。它还常用以间接测量电流、电阻和校正各种精密电表。在科学研究和工程技术中广泛使用电子电势差计进行自动控制和自动检测。

【实验目的】

（1）掌握补偿法测电动势的基本原理。

（2）用UJ—31型低电势电位差计校准电流表。

【实验原理】

1.补偿原理

图9-1中用已知可调的电信号E0 去抵消未知被测电信号Ex。当完全抵消时（检流计G指零），可知信号E0 的大小就是被测信号Ex 的大小，此方法为补偿法，其中已知信号为补偿信号。

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图9-1　补偿原理

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图9-2　电位差计原理图

2.电位差计的原理

图9-2是UJ—31型电位差计的原理简图。UJ—31型电位差计是一种测量直流低电位差的仪器，量程分为17mV （最小分度1μV，倍率开关K1 旋至×1）和170mV （最小分度10μV，倍率开关旋到×10）两挡。该电路共有3个回路组成：①工作回路；②校准回路；③测量回路。

（1）校准。为了得到一个已知的 “标准”工作电流I0=100mA。将开关S合向 “标准”处，EN 为标准电动势1.0186V，取RN=101.86Ω，调节“粗”、“中”、“细”三个电阻大小，使检流计G指零，显然

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（2）测量。将开关S合向“测量”处，Ex 是未知待测电动势。保持I0=10mA，调节Rx 使检流计G指零，则有

式中 I0Rx——测量回路中一段电阻上的分压，称为“补偿电压”。

被测电压Ex 与补偿电压极性相反、大小相等，因而相互补偿（平衡）。

这种测量未知电压的方式叫“补偿法”。补偿法具有以下优点：

（1）电位差计是一电阻分压装置，它将被测电压Ux 和一标准电动势接近于直接加以并列比较，Ux 的值仅取决于电阻比及标准电动势，因而能够达到较高的测量准确度。

（2）上述“校准”和 “测量”两步骤中，检流计两次均指零，表明测量时既不从标准回路内的标准电动势源（通常用标准电池）中也不从测量回路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及电压等参量，同时可避免测量回路导线电阻、标准电阻的内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。

3.电流表的校准

所谓校准是使被校电流表与标准电流表同时测量一定的电流，看其指示值与相应的标准值（从标准电表读出）相符的程度。校准的结果得到电表各个刻度的绝对误差。选取其中最大的绝对误差除以量程，即得该电表的标称误差，即

根据标称误差的大小，将电表分为不同的等级，常记为K。例如，若0.5%＜标称误差≤1.0%，则该电表的等级为1.0级。

【实验仪器】

UJ—31型电位差计；毫安表；平衡指示仪（检流计）；直流稳压电源；滑线变阻器；模拟标准电阻；导线；开关等。

【实验步骤】

（1）先将检流计“AC5型检流计”电源打开预热15min。

（2）按照图9-3所示连接好电路。图中E′是 “TH—SS3022型数显直流稳压电源”；ACB是滑线变阻器；R是电阻箱；R0 是模拟标准电阻；mA是被校电流表。

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图9-3　电流表校正电路图(www.chuimin.cn)

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图9-4　UJ—31型电位差计面板示意图

如图9-4所示，电位差计上的 “标准”接线柱接 “FB204型标准电势”； “检流计”接线柱接“AC5型检流计”；“5.7～6.4”接线柱接“晶体管稳压电源”；“未知1”接线柱接 “模拟标准电阻”（注意各接线柱的极性不能接反）。

（3）“AC5型检流计”调零。将开关打到 “调零”处，调节 “调零”旋钮，直到指针指零。再将开关打到“1μA”处。

（4）校准电位差计。先将电阻RN 设置为101.86Ω，就是将电位差计板面上RN 置于1.0186V处；倍率开关置于×10挡（不能置于中间空挡处），转换开关K′置于 “校准”，检流计开关KG （粗、细、短路）都弹起。

然后，开启“晶体管稳压电源”和 “FB204型标准电势”，按 “粗、中、细”顺序调节电位器，直至检流计指零，此时，I0=10mA，以后不得再动 “粗、中、细”电位器。关闭“FB204型标准电势”（工作电流校准后开关S置于“断”挡！！）。

（5）校准电流表。

1）首先，开启E′——TH—SS3022型数显直流稳压电源，输出电压调至6V，若被校电流表量程为100mA，则R0——模拟标准电阻设为1Ω，R——电阻箱设50Ω；若被校电流表量程为100μA，则R0——模拟标准电阻设为1kΩ，R——电阻箱设40kΩ。滑线变阻器ACB触头移至B 处。

2）然后闭合开关K′，移动滑线变阻器触头，调节被检电流值I′j=10mA，将转换开关S置于测量回路“未知1”，开始测量。按照“×1、×0.1、×0.001”的顺序调节测量盘，直检流计指零，将3个测量盘上的读数相加即为R0 两端的电压。根据欧姆定理求出流经被校电流表的电流大小Ij。用同样的方法依次校准20mA、30mA、40mA、50mA、60mA、70mA、80mA、90mA、100mA；90mA、80mA、70mA、60mA、50mA、40mA、30mA、20mA、10mA （注意R0 的正负端千万不能接错，每次改变被校电流值I′j时，转换开关S必须置于“断”挡！！）。

3）将测量数据填入表格，并计算ΔIj=I′j-Ij。

4）在坐标纸上画出ΔIj～I′j 折线图。在以后使用这个电表时，根据校准曲线可以修正电表的读数。

5）从ΔIj中找出绝对值最大的一个ΔIjm，从其绝对值ΔIm=|ΔIjm|算出被校表的最大基本误差ΔIm/Im，Im 是电流表的量程。校准电表的首要任务是根据ΔIm/Im 是否不大于表的基本误差极限（准确度等级指数/100），作出被校表是否“合格”的结论。

6）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极限的1/3，进而得出校验装置是否合理的初步结论。

【实验结果与数据处理】

1.数据记录及处理

（1）参数记录。

电位差计倍率：_____________×10，ΔU=_________μV。

被校电流表量程：______________________。被校电流表精度等级：0.5。

EN=1.0186V，R0=______________________Ω，ΔR0/R0=______________________。

（2）表格，见表9-1 （若被校准表是微安表，则表9-1内电流的单位均改为μA）

2.判断电流表是否合格