艾比布拉论文初稿

1、伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届物理学专业毕业论文伊犁师范学院物理科学与技术学院2014届本科毕业论文论文题目：电位差计的使用和测量作者姓名：艾比布拉·库尔班班级：2010级1 班专业：物理学学号：2010070201076指导教师：阿尔达克 副教授完成时间：2014年05月12日物理科学与技术学院二一四年五月电位差计的使用和测量内容摘要 众所周知，科学技术的高度发展，特别是微电子技术的飞跃发展，使我们进入了微机时代。出现了微机直流数字电压表和微机直流标准电压源等仪器，然而，直流电位差计作为一种传统的古典仪器并没有因此淘汰，它精度高、稳定性好、受外界干扰影响小，这些特点并非能

2、被数字仪器所代替，它的可靠性仍一直处于领先的地位。正是由于它的可靠性为广大用户所确认，所以迄今为止它仍是精密测量领域必不可少的一种仪器。电位差汁是一种测量直流电势的精密仪器。1841年Poggendorff第一个禅述了电位差计的原理，并称之为补偿法。补偿方法是不从测量对象中支取电流，因而不干扰被测量的数值，测量结果准确可,不仅能在对准确度要求很高的场合测量电动势、电势差(电压)、电流、电阻等电学量，而且配合以各种换能器，还可用于温度、位移等非电量的测量和控制。当没有电流流过时，电池的正负极间的电势差等于电池的电动势。如有电流流过，因在电池内阻上有一定电压降(用电压表测量电池两极间的电压，就是这

3、种情形)，这时测得的不再是电池电动势，而只能称作端电压。实验中的标准电池它能提供精确稳定的电压，为实验减少误差。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 I = 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Io，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，即有E

4、x = Ux = Io Rx。由此可得。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”，两者不能倒置。 关键词： 电位差计 电势差 灵敏度 误差分析 电动势目 录1、 引言42、 电位差计的结构灵敏度论52.1、电位差计的工作原理62.2、电位差计的使用方法和注意项72.3、用电位差计测量电阻和干电池的电动势83、 实验数据处理114、 电位差计的误差分析135、 小结16引言电位差计是精密测量中应用最广的仪器之一，可用于精确测量直流电动势，电压，电流

5、和电阻等，还可用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表。采用的测量方法是比较测量法，其原理是使被测电位与已知点位相互补偿。但是这类仪表对外界干扰十分敏感，特别是近代的电子电位差计已向高精度、高灵敏度、快速的方向发展，因此对仪表的抗干扰能力要求也相应提高，因为外界干扰的引入，会使原来性能良好的仪表示值超差、指示不稳定、不灵敏区增大、指针运行迟缓等，严重时将导致仪表不能正常工作，给生产和科研带来损失。本文意在研究仪表干扰的来源及采取抗干扰措施，同时提高测量精度和灵敏度。电位差计分板式和箱式两种，板式电位差计具有结构简单、直观，便于分析讨论等优点，但它的电阻丝不可能完全均匀，长度也不十分准确，存在一定

6、的测量误差，且体积大，使用不便，箱式电位差计克服了板式电位差计的缺点，准确度更高，更为实用. 箱式电位差计中电阻均采用锰铜合金线，以双线无感绕制，并经人工老化和精确调整，阻值稳定，而板式电位差计的电阻则是用镍铬合金制作.箱式电位差计可以测量直流电压(或电动势)，对各种直流毫伏表及电子电位差计进行刻度校正.箱式电位差计是电磁测量中最基本的精密仪器之一，是生产、科研和实验教学中经常用到的仪器。它常被用来测最电动势、电位差和电阻等.高级别的电位差计也常用来校准指针式仪表.因此对电位差计测得的测量误差分析显得十分重要。从而能够以较低的成本来大幅度的提高箱式电位差计的精度，具有显著的经济效益，通过对箱式

7、电位差计测量干电池电动式的误差分析这个实验的研究。我们可以利用误差修正技术对其进行修正。同样这也是计量测试与仪器制造领域的重要研究内容之一，也是我选此课题的目的之一。2 电位差计的结构和检流计灵敏度的讨论1. UJ31型电位差计图5.8.2 UJ31型电位差计面板图UJ31型箱式电位差计是一种测量低电势的电位差计，其测量范围为(置档)或（置档）。使用外接工作电源，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（粗调）、（中调）和（细调）三个电阻转盘，以保证迅速准确地调节工作电流。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

8、动势变化时，通过调节，使工作电流保持不变。被分成（）、（）和（）三个电阻转盘，并在转盘上标出对应的电压值，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。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由相应的接线柱外接。2.检流计的灵敏度讨论由于工作电流调节回路中电源电压不稳定，这样工作电流可能经常在变化，如果工作电流变化的值超过其允许的值时，将导致很大的误差。在要求很准确的测量，

9、以保证其变化的大小在允许范围内时，应选择足够大容量的电源。通常要求工作电流回路中电源的容量为电位差计工作电流的1000倍。如果使用的电源容量达不到1000倍的要求时，则可以使用多个电动势的值非常相近的单个电池进行并联使用。要使所使用的电源具有足够的稳定性，就要在检定的前几天就要连接好，而且每个端钮必须旋紧。 环境温度对电位差计的标准电池的影响很大，如果环境温度突然变化，标准电池就要产生滞后效应，这种现象老电池表现得尤为严重。同时还要求在使用中两电极温差很小，保证标准电池温度系数是一固定值，因此标准电池都应在充分的静止恒温后才可使用。标准电池在偏离环境温度20时其电动势值应通过下式进行重新确定，

10、此外，为了保证工作电流非常接近于额定值，测量前也要使用下面公式： (4) 式中：为在温度下的电动势值，为在温度20下的电动势值，为环境温度。 计算，而后用温度补偿盘来补偿标准电池受温度变化而产生的数值影响。再将电位差计开关指向位置，与标准电池进行对比，调整工作电流，然后再进行测量。测量过程中，还要注意每间隔一段时间使用标准电池检查和矫正工作回路的电流，来减少工作电流不准确导致的误差。通过公式使用温度补偿盘补偿标准电池受温度变化而产生的影响，由于标准电池充放电的发生会导致极化，使电极电位偏离平衡值，因此应尽量避免充放电作用，尤其不要用电压表或万用表这类内阻小而取用电流大的设备来测量电池的电动势。

11、2.1 电位差计的工作原理电位差计不仅准确度等级高，而且测量结果稳定可靠。它不从被测对象中取用电流，因此测量时不会使被测对象改变原来的数值。采用的测量方法是比较测量法，其原理是使被测电位与已知点位相互补偿。电位差计的工作原理如图2-1所示： 由图2-1可以知道，电位差计的结构由三部分组成：1）工作电流调节回路：由工作电源、调节工作电流的变阻器、补偿电阻、校准工作电流的组成。2）校正工作电流回路：由标准电池、单刀双掷开关、检流计、电阻是电阻的一部分或者全部组成。3）待测回路：由待测电源、单刀双掷开关、检流计、电阻是电阻的一部分或全部组成。 在工作电流调节回路中，设工作电流为，则在电阻和上产生电压

12、降。把开关指向S，接通电路，则检流计中有电流通过，先选定电阻，再调节变阻器，使检流计指零，这时标准电池的电动势被电阻上的电压所补偿，于是有 (1)则 (2)保持不变再将开关指向测量电路，调节上的的大小使检流计上的指针再次指向零位，则在上的电压降与值相等。即 (3)由于(3)式中、都可以准确测定或已知，所以被测电动势可以准确测知。2.2 电位差计的使用方法UJ31型电位差计的使用方法：（1）将置到“断”，置于“”档或“”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”（“未知2”）。(2)根据温度修正公式计算标准电池的电动势的值，调节的示值与其相等

13、。将置“标准”档，按下 “粗”按钮，调节、和，使灵敏电流计指针指零，再按下 “细”按钮，用和精确调节至灵敏电流计指针指零。此操作过程称为“校准”。(3) 将置“未知1”(或“未知2”)位置，按下“粗”按钮，调节读数转盘、使灵敏电流计指零，再按下 “细”按钮，精确调节读数转盘使灵敏电流计指零。读数转盘、和的示值乘以相应的倍率后相加，再乘以所用的倍率，即为被测电动势（或电压）。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20相差不在的条件下，其基本误差限为 (5.8.1)式中的为电位差计的最小分度值，即当倍率取“”时为，当倍率取“”时为2.3 用电位

14、差计测量电阻和电池电动势【实验步骤】1.电位差计的调整（1）参照图3-4-7连接电路。（2）调节检流计的零点。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 I = 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Io，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，即有Ex

15、 = Ux = Io Rx。由此可得。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”，两者不能倒置。（4）调节工作电流 将转换开关K旋到“标准”位置。R旋钮只是到1.0186V打开稳压电源。是工作电压处于六V，将电位差计按钮“粗”按下，用变阻器R（粗）R（中）调解工作电流使检流计指示到零位置，松开“粗”按钮，按下“细”按钮，调节R2，R3再次使检流计指零，此时表示工作电流调好。2.电位差计的测量测量电位差计的灵敏度直流电位差计的灵敏度是与准确度有密切关

16、系的，为了保证一定测量的准确度，整个测量装置要有足够的灵敏度。在电位差计平衡状态下，如果被测电压U有 U变化引起检流计的偏转格数有n的偏转格数，则电位差的灵敏度定义为 S= n/ u对应于n=1/3的 U就是电位差所能判断的极限。记下检流计35格所需要的该变量计算出电位差的灵敏度。测量未知电阻 （1）按图3-4-8连接电路取 R:R=1000:1 （2）重新校准工作电流。 （3）测量未知电压。将K2板向未知1档，依次调整读书盘 一二三是电路处于补偿状态，读书盘一二三指示的值之和为R的电将K2板向未知2用测量一的方法测量未知2上的R的电压U'计算Rx的公式为Rx= Rs·U/U

17、' 重复 （2）（3）的步骤5次。 图3-4-8用电位差计测电阻2、电位差计测电源电动势 图2 图3测量电路图如图2所示，=500,=4500时电位差计的测量范围可扩大10倍,当开关K断开时，电位差计直接测量被测电源电动势Ex 。当开关K合上时，测标准电阻RO两端电压Ux，由于 所以 （4）若被测电源电动势大于电位差计量程时，可采用标准电阻分压，如图3所示，测电动势Ex时，R1,R2取较大值（如取几千欧姆，可忽略电源的内压降），用电位差计测出R1两端电压U1后，再根据电阻分压比算出Ex （5）测电源内阻时，R1、R2取较小值（如取几十欧姆），用毫安表测回路电流I，用电位差计测出U1后，

18、再根据电阻分压比算出电源的端电压 根据全电路欧姆定律，得： (6)3、电位差计测电流测量电路图如图4所示，当R为标准电阻时，测出其两端的电压，则电流I等于 （7） 图 4 图5【注意事项】1. 标准电池不能作为电源使用.通入或取自标准电池的电流不应大于微安数量级，严格禁止用一般电表直接测量标准电池，更不充许两极短路.使用时正，负极不能接错。2. 标准电池是内装滑雪溶液的破璃容器，要小心平稳取放，避免倾斜和振动，不能倒置。3. 一般选用较灵敏的捡流计，要确保它的安全。使用的工作电源的电压要稳定，否则影响测量的精度3 数据处理五【数据】 测量未测电阻 次数 n 1234567891013.9581

19、3.95713.95713.95813.95713.95713.95613.95613.95513.9551.391.391.391.391.381.391.391.371.381.3799.5899.5999.5999.5899.5999.5999.5998.1798.8998.79次数 n 1112131415161718192013.95413.95413.95313.95513.89913.89513.89213.88813.88613.8851.411.401.391.381.391.391.391.391.381.38101.05100.3399.6298.89100.00100.

20、04100.06100.0999.3899.42次数 n2122232425262728293013.88313.88213.88213.88113.88113.87913.87913.88113.87913.8811.381.381.381.371.381.391.381.381.391.3999.4099.4199.4198.6999.42100.1599.4399.42100.1599.45可用 ： 公式、求知的值 的平均值为： =99.559 =0.44%【数据处理】电压 n1234561.661871.661851.661861.661841.661791.66176电压 n7891

21、011121.661721.661691.661671.661661.661651.66164电压 n1314151617181.661591.661581.661561.661531.661481.66148电压 n1920212223241.661471.661441.661411.661381.661371.66137电压 n2526272829301.661351.661271.661221.661191.661191.66118数字万用表测量干电池电压 n123451.66221.66211.66211.66211.6621电压 n6789101.66201.66211.66201.

22、66211.6621的平均值为：=1.6615的平均值为 = =1.6621相对误差： 0.04%误差分析(1)用UJ31型电位差计测量电动势(或电位差)的误差，它由两部分组成：a)电位差计的基本误差，在温度1525时仪器的绝对误差为：=±(5×10-4V+0.25V)式中V为电位差计的示数值，V；V为电位差计的标度盘上之最小分度值1/2格，V。b)电位差计的调节灵敏度所引进的误差，由于眼睛无法判断检流计上小于1/10格的变化所引误差，这可由电位差计的调节灵敏度求出。(2)标准电阻RS的误差。4 电位差计的误差分析元件误差元件误差是指因元件问题而产生的仪器误差。根据（1）式

23、，可得相对误差公式：（2）因是标准电池，故属量具误差。通常处理量具误差的办法是选用准确度等级足够高的量具，使该项误差成微小误差而可以忽略不计。“足够高”是指标准电池的电动势的相对变化不超过0.1a%。a为电位差计的准确度等级，0.1是由微小误差分配原则确定的。因此量具的准确度等级应比仪器的准确度等级高一个数量级，这样就能使该项误差忽略不计。这样电位差计的元件误差就为：（3）若这两部分误差的大小和符号都相同，就可以互相抵消。因此在设计、制造电位差计时，和这两组电阻总是尽量选用时间稳定性和温度稳定性以及误差符号（正或负）都相同的电阻。在使用电位差计时，应合理选择量限而使全部读数盘都用到。这不仅能保

24、证足够多的有效位数，而且可使上述两部分元件误差得到比较充分的抵消。一般说，元件误差是电位差计各种误差因素中影响最大的一项，约占总误差的一半。只要使用电阻来调节和的比例，这一项误差就总是存在。电阻元件的准确度、电阻的时间稳定性和温度稳定性限制了电位差计的准确度等级。温差电动势产生的误差不同金属相接触（如焊接点、电键、电刷、接线端钮等）时，将产生接触电位差。当各接触点温度不同时，则产生温差电动势，简称热电势。对于精密电位差计，特别在被测量很小时，热电势的影响不容忽视。此外，因测量回路的热电势直接与被测电动势（或电位差）相串接，其影响最大。为了减小这项误差，在设计、制造电位差计时，应尽量选用彼此接触

25、电位差小的金属元件和导线；在测量回路中应尽量减少焊接点、电键、电刷等；采用较小的工作电流，以减小元件的升温等。在使用时应注意，不要靠近冷源或热源（例如在直射阳光下进行测量）。当要求较高时，要采用恒温措施。此外，有一种比较简单的操作方法可以减小热电势带来的误差。根据热电势方向与回路电流无关的性质，而两个电路中电流的方向是对称的，可以用电流换向法（复测法）进行测量来消除热电势的影响，如图2所示。以代表测量回路中各处热电势的等效热电势，设其方向如图2所示。测量时先将开关K。合向“1”（只能合向“1”），调整工作电流。测量被测电动势时，再将开关K。、K3分别同时合向“1”和“2”。当电路达到平衡时，得（K。、K3均合向“1”）（K。、K3均合向“2”）和分别为两次电路平衡时测得的电动势，取两次测量