实验3-3用补偿法测量电压、电流和电阻

1、实验3-3 用补偿法测量电压、电流和电阻电位差计是精密测量中应用最广的仪器之一，不但用来精确测量电动势、电压、电流和电阻等，还可用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表，在非电参量（如温度、压力、位移和速度等）的电测法中也占有重要地位。【实验目的】掌握补偿法原理，了解其优缺点。掌握UJ-31型直流电位差计的原理、构造及使用方法。学会用UJ-31型电位差计来校准微安表及测量其内阻。【仪器用具】 滑线式电位差计一套、UJ-31型直流电位差计一台、检流计一台、标准电池、工作电源、待测电池、微安表头、直流电阻箱。【实验原理】 电压的测量一般用伏特表来完成。由于电压表并联在测量电路中，电压表有分流作用，会

2、对原电路两端的电压产生影响，测量到的电压并不是原电路的电压。用电压表测量电源电动势时，由于电压表的引入，电源内部将有电流，而电源一般有内阻，内阻将有电压降，从而电压表读数是电源的端电压，它小于电源的电动势。由此可知，要测量电动势，必须让它无电流输出。 补偿法是电磁测量中一种常用的精密测量方法，它可以精确地测量电动势、电位差和低电阻，是学生会必须掌握的方法之一。 滑线式电位差计、UJ-31型电位差计或学生型电位差计UJ-36等都是根据补偿法原理而设计的仪器。补偿的电路原理图如图3-3-1所示。 由Ea、K、和R组成的回路称工作回路；由Es或Ex与检流计G组成测量支路，与R仪器组成测量回路。在Ea

3、Es, EaEx时，选择适当的，调节R的滑点，可使检流计G中无电流流过。此时有。在不变的情况下，降Es换成Ex，再调节R，若调节到C位置使检流计无电流流过，则。因此，有即： (3-3-1) 测量支路中无电流流过，那么Es或Ex就是它们的电动势，由此可知电压补偿法测量电动势或电位差时比一般电表法更为准确。由图3-3-1可知，用补偿法测电动势时，需一个标准电池（标准电动势）作为标准比较。标准电池的电动势比较稳定，精度比较高。图中起调节工作电流的作用，工作电流越大，分压电阻R上单位电阻上的电压降越大；工作电流越小，分压电阻上单位电阻上的电压降越小，表示测量精度越高。检流计G灵敏度越高，测量精度越高。

4、 下面介绍两种常用的电位差计的基本原理。一、线式电位差计基本原理如图3-3-2所示，按通K1后，有电流通过电阻丝AB，并在电阻丝上产生电压降。如果再接通K2，可能出现三种情况：1. 当时，G中有自右向左流动的电流（指针偏向右侧）。2. 当时，G中有自左向右流动的电流（指针偏向左侧）。3. 当时，G中无电流，指针不偏转。将这种情形称为电位差计处于补偿状态，或者说待测电路得到了补偿。在补偿状态时，。设每单位长度电阻丝的电阻为，段电阻丝的长度为，于是 (3-3-2)将保持可变电阻及稳压电源输出电压不变，即保持工作电流不变，再用一个电动势为的标准电池替换图中的，适当地将的位置调至，同样可使检流计G的指

5、针不偏转，达到补偿状态。设这时段电阻丝的长度为，则图3-3-2 （3-3-3）将上两式比较得到 （3-3-4） （3-3-4）式表明，待测电池的电动势可用标准电池的电动势和在同一工作电流下电位差计处于补偿状态时测得的和值来确定。可见电位差计测量的结果仅仅依赖于准确度极高的标准电池、标准电阻（或均匀电阻丝）以及高灵敏度的检流计，测量准确度可达到0.01%或更高。二、UJ-31型电位差计基本原理EG粗中细I0RNRxESEXKG标 准未 知图3-3-3S上图3-3-3是UJ31 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1V，倍率开关K1旋至

6、1）和170mV（最小分度10V，倍率开关旋到10）两档。该电路共有3个回路组成：工作回路校准回路测量回路。(1)校准：为了得到一个已知的“标准”工作电流。将开关S合向“标准”处，为标准电动势,取值范围为1.01781.0190V，101.78，为12个0.01的电阻，对应“粗”“中”“细”三个旋钮，调节这三个电阻旋钮使检流计G指零，显然 （3-3-5）(2)测量:将开关S合向“未知”测量处，是未知待测电动势。保持，调节使检流计G指零，则有 （3-3-6）被测电压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：电位差计是一电阻分压装

7、置，它将被测电压和一标准电动势接近于直接加以并列比较。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。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。【实验内容】 一、用滑线式电位差计测量电池的电动势按图3-3-5接好线路，A、B两端为11线电阻丝的两端，即将11线电阻丝全部串联在工作回路中，将限流电阻Rn调至40左右。接通K1,工

8、作回路有电流流过，工作电路的电流大小由工作电源E、11m电阻丝的电阻以及Rn决定。E及11m电阻丝是选定了的，主要靠调节Rn控制工作电流；工作电源E的电动势要大于标准电池或待测电池的电动势。将K2倒向标准电池Es一侧，插头C选在67m段电阻丝插孔，D在米尺电阻丝上滑动，有米尺读数，找出平衡点，读出平衡时电阻丝的长度，记录下来。将K2倒向待测电池Ex方向，选定插头C的位置，调节滑动头D，找出平衡点，读取平衡时电阻丝的长度,记录于表中。由公式（3-3-4）计算待测电池电动势。如果要测量甲电池的内阻，如何测量？二、用UJ-31型电位差计校准微安表和测量其内阻图3-3-4按图3-3-4接好线路。图中，

9、为标准电池，G为检流计，E为工作电源（要求其工作电压在5.76.4V范围内），为待测电路的电源；R为降压电阻箱，为标准电阻100。UJ-31的校准将UJ-31上的操作开关K2置“断”位置。先调好检流计光点为零，选择光电检流计为0.01档。根据当时温度计算标准电池的电动势，将温度补偿盘RN置于此值。将K2调至“标准”，量程变换开关K1调至10档。跃接电键“粗”按钮，调节工作电流调节电阻（粗）、（中）、（细），使检流计指示为零。检流计如指示摆动太大太快，应立即松开按钮、并注意使用“短路”按钮，以保护检流计。逐步将检流计换为0.1档，1档，重复（4）的步骤。最好按“细”按钮，检流计放在1档，调节粗、

10、中、细电阻调节旋钮使检流计指示为零，表示已校准好UJ-31，即工作电流已校准为10.0000mA。 3.校准微安表并测表头内阻 （1）温度补偿盘RN不动，电流调节电阻（粗）、（中）、（细）不动，将K1调到1档，K2调到”未知1”,检流计调到0.01档，按“粗”按钮，调节电阻盘 = 1 * ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III，使检流计指示为零。 (2 ) 逐步将检流计换成0.1、1档，调节 = 1 * ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III使检流计指示为零。（3）按“细”按钮，在检流计1档时，调节 = 1 *

11、 ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III使检流计指示为零。记下此时 = 1 * ROMAN I、 = 2 * ROMAN II、 = 3 * ROMAN III的读数。从而得到：（4）将K2拨到“未知2”，K1拨到10档，按测未知1的方法测出未知2。然后根据公式得出微安表的内阻。 （5）依次将微安表电流调至100A，80A，60A，40A，20A，校准微安表，列表记录。【数据处理】一、用滑线式电位差计测量电池的电动势测量次数电阻丝长度电阻丝长度待测电动势123456二、用UJ-31型电位差计校准微安表和测量其内阻微安表读数（A）通过微安表的实际电流（A

12、）差值10080604020【预习思考】为什么用电位差计可直接测电源的电动势？能否用伏特表测电动势？若可测，写出测量方法。检流计始终无偏转可能是什么原因？滑线式电位差计对测量范围有何限制？使用光电式检流计要注意什么事项？标准电阻应如何接入到电路中？【习题】如果电阻丝的电阻每米5，E=3V，标准电池Es=1V,待测电池Ex=1.5V左右，限流电阻Rn如何取值？无论如何滑动滑线电位差计上的滑动头C，检流计始终朝一个方向偏转，可能是何原因？如果工作电源的电动势E比待测电池电动势Ex小，能否做实验？为什么？能否用UJ-31型电位差计来直接测量甲电池的电动势？为什么？在校准UJ-31电位差计的过程中，尽

13、管电流调节电阻从最大值调到最小值，却仍然找不到平衡状态。试问：此故障有哪三种可能的原因？【附录】十一线式电位差计图3-3-5十一线式电位差计具有结构简单、直观、便于分析讨论等优点，其结构如图3-3-2所示。电阻丝AB长5.5m，往复绕在有机玻璃板的11个接线插柱上，每相邻两个接线柱间电阻丝有效长度为0.5m。插头C可连接在0,110中任一个位置。电阻丝BO旁边附有带毫米刻度的米尺，触头D在它上面滑动。CD间的电阻丝长度可在05.5m间连续变化。为可变电阻箱，用来调节工作电流。转换开关K2用来选择接通标准电池或待测电池。滑线变阻器是用来保护标准电池和检流计的，在电位差计未处于补偿状态时，必须调到

14、最大，在电位差计处于补偿状态进行读数时，应调到最小，以提高测量的灵敏度。UJ-31型低电势直流电位差计A. UJ-31型低电势直流电位差计面板分布图3-3-61五组接线端钮（标准、检流计、工作电源接入端、未知1、未知2）；2标准电池电动势的温度补偿盘RN ；3工作电流调节电阻盘（分为Rp1、Rp2、Rp3）；4测量调节电阻盘、，其中第盘带有游标尺A；5电位差计量程变换开关K1；6标准回路和测量回路的转换开关K2；7电键按钮（“粗”、“细”、“短路”）。 UJ-31型电位差计使用的电源是5.76.4V的直流电源，其工作电流为10mA . 它的三个工作电流调节盘中，第一个盘（Rp1）是16点步进的

15、转换开关，第二盘（Rp2）和第三盘（Rp3）均为滑线盘。标准电池电动势温度补偿盘RN的补偿范围为1.01801.0196V。该仪器有两个测量端，通过转换开关K2可接通“未知1”或“未知2”或“标准电池”。在它的三个测量调节电阻盘中，第测量盘是16点步进转换式开关，第测量盘是10点步进转换式开关，第测量盘是滑线盘；测量盘的电阻值已转换成电压刻度标在了仪器面板上。该仪器的量程变换开关K1有两档：在“1”档，测量范围是017.1mV，测量盘的最小分度值为1V，游标尺的分度值为0.1V；在“10”档，测量范围是0171mV，测量盘的最小分度值为10V，游标尺的分度值为1V。B. UJ-31型低电势直流

16、电位差计内部结构图图3-3-73.AC15/4型直流复射式检流计它是一种磁电式高灵敏度仪表，采用光点复射式（光标多次反射再投射到刻度尺上）读数，故又叫光点检流计。其分度值约510 A/分度， 用来测量微小电流（107 10 A）或微小电压（105 107 V），如光电流、生物电流及温差电动势等，也常作为电桥和电位差计的零指示器，以提高测量的准确度。仪器面板如图所示。使用方法及注意事项：A移动检流计或使用完毕时，“分流器”均应置于“短路”档；因线圈的金属悬丝很细、易断，切忌摇晃、震动，操作时动作一定要轻。B供电有交流220V和直流6V两种方式，实验室接220V电源，不得插错；面板“电源”开关扳向所选择的供电方式；一般电流由“”流入检流计时，光标向右偏。C使用前要调零：先调节“零点调节”，使光标中线指在中间“0”左右，然后移动标尺上的金属小柱使光标精确指“0”。D找不到光点时，可将“分流器”旋钮旋至“直接”；当光标摆动不停时，可旋向“短路”，使检流计受到阻尼而停止摆动。E“分流器”选择旋钮“0.01”、“0.1”、“1”等，其中“1”为灵敏度最高档，使用时，可先选最低档，调节后再换高灵敏档。 4. 标准电池标准电池是一种用来作电动势标准的原电池。由