电位差计校准电流表

电位差计校准电流表电位差计校准电流表专业：摘要：电位差计不需要从待测电路中取出电流，不会干扰到待测电路的工作状态，因而可以进行精密测量。

由于结构中采用了高精密度的电阻元件，标准电池和灵敏的检流计，因而测量结果具有很高的精度。

由于学生式电位差计准确度等级为0.1级，而通常所用的电流表只有0.5级。

本实验通过设计一个合理的电路和选定合适的器材，校准一个20mA电流表。

关键字：电位差计等级电流表校准引言：通过用电位差计校准电表和测电阻，加强对设计性实验的练习，培养独立工作能力；并且学习到校准电表和测电阻的一种方法；还能更好地掌握电位差计的使用方法，加深对电位差计工作原理的理解。

实验目的：1、了解补偿法测电动势的原理2、掌握电位差计测电动势的使用方法3、学习用电位差计校准电表的方法原理简述：实验前，计算RX 允许通过的Imax ，为避免发热，常取1/5Im 为最大工作电流一、实验中应用的原理1、 电位补偿原理一定的电源具有一定的电动势，如果直接用伏特计接在电源的两极，用电压表不能准地测电动势。

电压表可以测量电路各部分的电压，但不能测量具有内阻的电源的电动势。

因为电压表并联在电源的两端时（图1），根据闭合欧姆定律可知，电压表的指示是此时电源的端电压，而不是它的电动势。

因为这时电路中有电流通过，根据全电路欧姆定律有：即rI E V r I V E x x ⋅-=⋅+=图1 补偿法原理图E —电源电动势；r —电源内阻；I —回路中电流；V —电压表指示数；电压表的指示数V ，表示电源的端电压；Ir 为电源内阻上的电压降。

由于电源内阻是未知的，因此由上式不能根据V 的值准确确定电源的电动势。

显然只有在待测电路中没有电流通过的条件下，测得的电源两极之间的端电压才是电源的电动势的准确值。

利用补偿法可以满足这种条件。

其原理如图1所示。

图中E x 是被测电动势，E s 是可调节电动势大小的标准电源。

两个电源通过检流计G 对接在一起。

调节电动势E s 的大小，使回路中检流计指针指示为零（即回路电流为零），则E x 与E s 的电动势大小相等，则有E x =E s 。

此时称电路达到平衡。

知道了平衡状态下E s 的大小，就可以确定被测电动势E x 的值了，这种测定电源电动势的方法叫补偿法。

利用补偿法制成的测量电位差（或电动势）的仪器就叫做电位差计。

图2是将被测电动势的电源Ex 与一已知电动势的电源E O “+”端对“+”端，“-”端对“-”端地联成一回路，在电路中串联检流计“G ”，若两电源电动势不相等，即Ex≠E 0，回路中必有电流，检流计指针偏转；如果电动势E O 可调并已知，那么改变E O 的大小，使电路满足E X =E 0，则回路中没有电流，检流计指示为零，这时待测电动势E X 得到己知电动势E O 的完全补偿。

可以根据已知电动势值E O 定出E X ，这种方法叫补偿法。

如果要测任一电路中两点之间的电压，只需将待测电压两端点接入图2 上述补偿回路代替Ex ，根据补偿原理就可以测出它的大小。

我们知道，用电压表测量电压时，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了被测电路的状态，用补E偿法测电压时，补偿电路中没有电流，所以不影响被测电路的状态。

这是补偿测量法最大的优点和特点。

2、电位差计的工作原理电位差计的原理线路如图2所示。

其中E s 为标准电池，E x 为被测电源，E 是工作电源，G 是检流计。

由工作电源E ，电阻R 、R 1及R n 串联组成的电路称为辅助电路（R －R s －R n －E ）。

调节R n 可改变电路的工作电流。

使用电位差计可分两个步骤。

（1）校准工作电流根据标准电池E s 的电动势调节工作电流，将开关K 置于“1”位置，则E s ，G ，R s 形成补偿电路（E s －K －G －R s －E s ），调节R n 使辅助电路的工作电流I 为某值时，使R s 两端的电压与标准电池的电动势E s 相补偿，检流计G 中无电池通过，此时有E s =IR s ，即辅助回路（E －R －R s －R n －E ）中的电流I 达标准化，ssR E I =（2）测量未知电动势将开关K 合在“2”位置，此时待测电动势为E x ，检流计G 与R 上的R x 段构成待测补偿电路（E x －R x －G －K －E x ），当调节电阻R 上的C 点位置再次使检流计G 指针指零，此时有x ssx x R R E IR E == （1） 这里的电流I 就是前面经过标准化的工作电流，从上式可知，如果E s 、R s 均为准确已知值，则被测电动势E x 的大小，在电流标准化的基础上，在电阻为R x 的位置上可以直接标出与IR x 对应的电动势（电压）值。

也就是说，调节R x 的值使检流计指示为零时，电位差计达到平衡。

这时即为被测电动势（电压）的测量值。

在测量过程中，为了避免工作电源E 不稳定所造成的影响。

在每次测量前，必须用上述校准电路标准工作流后，才能进行测量。

3、用电位差计测量电位差（或电动势）的优点是：（1）准确度高。

因其电阻R s ，R x 和校准电池都很准确，检流计灵敏度高，电源稳定，故可以作为标准仪器来校准电表。

（3） 灵敏度高，可测小电压。

（3）内阻高，不影响待测电路，因为用伏特计测量电位差时，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变被测电路的工作状态，伏特计内阻越低，这种影响就越大。

而用电位差计测量时，补偿回路中电流为零，故可测出电源电动势。

（4）能测出一切直接电学量（可转化为电压来测）二、电位差计按电压补偿原理构成的测量电动势的仪器称为电位差计。

由上述补偿原理可知，采用补偿法测量电动势对E O 应有两点要求：（1）可调。

能使E O 和E X 补偿。

（2）精确。

能方便而准确地读出补偿电压E O 大小，数值要稳定。

左图是实现补偿法测电动势的原理线路，即电位差计的 原理图。

采用精密电阻R ab 组成分压器，再用电压稳定的电源E 和限流电阻R 串联后向它供电。

只要 R cd 和I O 数值精确，则图中虚线内cd 之间的电压即为精确的可调补偿电压E O ，E O 和E X 组成的回路cdGE X 称为补偿回路。

三、电位差计的标准要想使回路的工作电流等于设计时规定的标准值I O ，必须对电位差计进行校准。

方法如图4所示。

E S 是已知的标准电动势，根据它的大小，取cd 间电阻为R cd ，使R cd =E S /I O ，将开关K 倒向E S ，调节R 使检流计指针无偏转，电路达到补偿，这时I O 满足关系I O = E S /R cd ，由于已知的E S 、R cd 都相当准确，所以I O 就被精确地校准到标准值，要注意测量时R 不可再调，否则工作电流不再等于I O 。

图4四、几种常见电位差计电位差计实质上是一个电压压连续可调的装置，它的电阻丝通以电流后，其上任意长度的两点的电压大小都是已知的。

如果调节已知电压与未知电动势相平衡，就可测出未知电动势。

各种系列的指针式直流仪表（主要是磁电式、电磁式和电动式仪表），虽然工作可靠，使用方便，造价低廉，可以满足许多实际工作的需要，但由于结构上、工艺上的许多原因，目前所能达到的测量准确度在使用到满量限时，最优者只为+0.1%。

更重要的是仪表工作时，要从被测电路中吸收小部分功率，从而不可避免地要破坏被测电路的原始工作状态，造成所谓的“方法误差”。

电位差计是电子测量中直接用来精密测量电动势或电位差的仪器。

也可用来间接测量电流、电阻和校准各种精密电表，有着广泛的用途。

电位差计是根据补偿原理将被测电动势与准确已知的标准电动势相比较而工作的。

1、线式电位差计线式电位差计电路图如图所示，稳压电源E、变阻器R和均匀电阻丝AB组成一个回路，C、D是可以在电阻线AB上任意滑动的接触点，是标准电池，将开关K倒向1，调节C、D两触点的位置，使检流计指针指零，则有，设此时C、D间的电阻为，就得出CD间每单位电阻上的电位差为；再将开关K倒向2，接入待测电池，又调节触点C、D的位置（此时切不可变动R），设触点在、时，检流计指针重新指在零线上（此时、间的电阻为，则待测电池的电动势为：由于电阻丝AB是均匀的，上式中两段电阻丝电阻之比可用两段电阻丝的长度比表示，因而有：因此，只要测出CD和两段电阻丝的长度，便可算出待测电池的电动势的大小。

4、由电阻箱组成电位差计如图2所示，稳压电源、电键，电阻箱和构成工作电流回路，而在补偿回路中，电阻箱和标准电源（或被测电源）相并联。

当开关K接通1时，调节和，使检流计指零，则：，而，则有：当K 接通2时，调节 和 且使两电阻箱的阻值之和保持不变，则工作电流就不会发生变化，设此时两电阻箱电阻分别为 和，若某一时刻检流计指零，则可得到待测电源电动势为：图2 箱式电位差计原理图读出两次测量时电阻箱的值，就可测出待测电源的电动势。

5、学生式电位差计学生式电位差计内部电路如图5虚线内所示，电阻R A 、R B 、R C 相当于图4中的电阻R ab ，可见BA +和R -两个接头相应于图4的ba 两点，E -E +两个接头则相应于c 、d 两点。

R A 全电阻是320欧姆，分16档，每档20欧姆；R B 全电阻是20欧姆，分10档，每档2欧姆电阻；R C 为滑线盘电阻，电阻值为2.2欧姆。

R B 电阻在测量时，会随测量档的变化而变化，这势必引起如图4中a 、b 间电阻变化，破坏了工作电流I O 的不变的规定。

为此，引入R B ’G100ΩΩΩΩΩΩ所谓的替代电阻。

R B和R B’同轴变化。

当R B每增加一档电阻时，R B’则减少一档电阻，反之亦然。

保证R B不论处于哪一档，R B+ R B’=20Ω不变，确保图4中a、b间总电阻值不变。

为了实施量程变换，在产生测量补偿电压支路上并联了一条分流支路。

当×1时，流过测量补偿电压支路的电流为5mA，分流支路电流为0.5 mA；当×0.1时，流过补偿电压支路电流为0.5 mA，流过分流支路电流5mA。

显然，后者量程由于电流减少到十分之一，量程也变小十分之一。

使用学生电位差计时，必须加接外电路，如图5所示。

而R A、R B、R C（由c到d）和外电路的检流计G、保护电阻R b等组成补偿回路。

K1为电源开关，K2可保持E S和E X相互迅速替换，K3作检流计的开关，R b是可变电阻箱，用以保护检流计和标准电池。

图6学生式电位差计的外电路所需配套件，除了电源E、标准电池和R b可变电阻箱要外配外，其它均已安装在同一木箱内，各部分之间连接导线也成套供应。

实验仪器与器材：实验室提供的仪器有：学生式电位差计、检流计、标准电池、直流稳压电源、量程20mA的电流表、滑线变阻器、电阻箱（0.1级、1/4W）、标准电阻及开关、导线等。