电位差法校准电流表—大学物理实验

【实验概述与思政要素】

磁电式电表在经常使用或长期保存后，其元件参数和性能都会发生变化，如元件老化、磁性减弱、转动部件磨损等。这样，电表的准确度等级就可能降低，故需定期对其作校准，若校准结果表明其误差已经超过允许值，则该电表只能降级使用，或用校准曲线加以修正。

本实验的实际意义在于通过学习用电位差计校准电表的方法，可以加强同学们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的基本方法，还能更好地掌握电位差计以及类似地电学仪器的使用方法，加深对电位差计工作原理的理解。

以毫安表为例，设被校表的示值为I，校准结果为I′，则差值为

ΔI=I﹣I′

以I为横坐标，ΔI为纵坐标，作出如图4.7.1所示的校准曲线（各数据点连成折线）。只要将读出的被校表的示值减去该读数所对应的ΔI，就能得到校准后的数值。也可以从校准曲线的ΔI中找出绝对值最大的值，由此确定被校表的准确度等级。

图4.7.1　校准曲线

用同类的标准表来校准被校表最方便，但通常要求标准表的准确度等级要比被校表至少高两个级别。高精度的电表往往价格昂贵，而电位差计的准确度等级较高，且价格低廉。因此，实验室常采用电位差计来校准电表。

【实验目的】

①训练简单测量电路的设计和测量条件的选择。

②加深对补偿法测量原理的理解和运用。

【实验原理】

（1）电位差计原理

电位差计测量电压的依据是补偿原理。图4.7.2的电路中，当改变滑片N的位置，使A、N间的电压UAN=Ex，这时流过检流计的电流为零，则检流计指零。这就是电压UAN与Ex互相补偿，如果A、B间的电压分布已知，就可以得到UAN，进一步就可以知道电压Ex的值。这就是补偿原理。依据电压补偿原理制作的箱式电位差计的原理图如图4.7.3所示。

1）电位差计的校准

图4.7.3中的双刀双掷开关S1倒向右侧，则检流计和校准电路连接，然后调节变阻器RP，使检流计G内没有电流通过，即标准电阻RS两端的电压与标准电池的电动势ES相等，这样电路中的电流为一个标准值。

2）电位差计的测量

S1倒向左侧则检流计和被测电路连接，改变调节电阻R的数值，再次使检流计内无电流通过，即R两端电压与待测电动势Ex相等。

图4.7.2　电压补偿原理

图4.7.3　箱式电位差计原理

（2）可行性分析

将电流表与一只阻值已知的标准电阻RS串联，用电位差计测出RS两端的电压。然后可以计算出流过RS的电流（可近似认为是实际电流的大小），流过电流表的电流也是这个值，然后确定电流表的示值和这个值的差异。

（3）电路设计与参数选择

设计电路与选择参数时主要应考虑以下几点：

①当电流达到待校表的量程时，RS两端的电压也应接近电位差计的量程，从而可根据待校表和电位差计的量程确定RS的阻值。

②要求电路能实现被校电流在0～2mA连续可调，还要兼顾电压调节的均匀性。

③确定电路元件参数，包括电源输出电压。

④所设计的电路应安全可靠（要考虑各器件的额定电流和额定功率）。

【实验仪器】

待校准毫安表（1.5级）、直流稳压电源、ZX21电阻箱一只、标准电阻（0.1级，100Ω）、UJ36a电位差计（0.1级，量程230mV，如图4.7.4所示）。

图4.7.4　电位差计面板

UJ36a电位差计的使用步骤如下：

①将待测电压（电动势）接到“未知”接线柱上（极性一定不要接反）。

②将电键K置于中间位置，把“倍率”旋钮由“断”的位置按测量需要旋到“×1”或“×0.2”挡位上（本实验取×1挡），打开电源，调节“调零”旋钮使检流计指针指零。(https://www.xing528.com)

③左手将电键K推向“标准”（不要松手，如松手电键就会回到断开位置），右手调节“电流调节RP”旋钮，使检流计指零，然后松开电键K。

④估计待测电压大致为多少，然后使电位差计的两个读数盘的读数和乘以“倍率”大致等于待测电压（这样方便下一步找到电压补偿点）。

⑤将电键K拨向“未知”，调节电位差计两个读数盘（不要调节“电流调节RP”旋钮），在小范围内找到使检流计指零的位置，这就是补偿点（即两读数盘的读数和乘以“倍率”等于待测电压），将K拨回中间位置，记录两读数盘的读数和。

⑥重复步骤③④⑤，测出其他电压。

⑦测量完毕务必将电位差计右上角的电源开关关掉，防止内部干电池电量耗尽，造成漏液。

【实验内容】

①画出实验电路图，确定元件参数，并进行安全性分析（预习时完成）。

②在断电的情况下，根据自己设计的电路图连接实验电路，经检查无误后再通电。

③为了减小误差，校准时，电路电流应从零开始逐渐增大到被校电流表的量程，测量一组数据；然后使电路电流从稍大于被校表量程开始逐渐减小至零，相应的再测量一组数据，两次的测量电压取平均值。实验数据记入表4.7.1。

表4.7.1　电流表校准的实验数据

【数据处理】

①由表4.7.1中的数据作ΔI～I校准曲线，对被校电流表做出质量评价。

被校表的最大引用误差由式（4.7.1）计算：

式中，Im为被校表的量程；为校准曲线上ΔI的绝对值最大值。判定电表是否合格，就是判断电表是否能达到它所标明的准确度等级a。若r≤a%，则电表合格；若a%<r≤5%，电表应降级使用，并注明降为几级；若r>5%，则该表应作报废处理。

注意：指针式电表分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七个等级。

②利用校准曲线对电表示值分别为0.30，0.70，1.10，1.50，1.90mA时的测量结果进行修正，将修正结果填入表4.7.2。

表4.7.2　修正测量结果

③完成实验报告。要求论述实验的设计过程，包括电路设计、参数选择、校准步骤、数据处理及结论等。

【思考题】

1.校准电表时，为什么需要把电流从小到大做一遍，再从大到小做一遍？如果两者结果完全一致，说明了什么问题？两者结果不一致，又说明了什么问题？

2.能否用UJ36a型电位差计校准0～3V的电压表？提出你的设计电路并拟定实验方案。

3.使用UJ36a型电位差计校准电流表的操作步骤为________。

①将电键K推向“标准”，调节“电流调节RP”旋钮，使检流计指零，松开电键K。

②电键K置于中间，“倍率”旋钮由“断”旋到“×1”挡。

③估计待测电压，然后使电位差计的两个读数盘的读数大致等于待测电压。

④将待测电压接到“未知”接线柱上。

⑤重复测量，测出不同电流大小下的电压值。

⑥将电键K拨向“未知”，调节两个读数盘，使检流计指针指零，将电键K拨回中间位置，记录两个读数盘的读数和。

⑦打开电源，调节“调零”旋钮使检流计指针指零。

⑧测量完毕，将“倍率”旋钮由“×1”挡旋到“断”，关闭电源开关。

A.①②③④⑤⑥⑦⑧　B.④②⑦①③⑥⑤⑧

C.②①⑦③④⑤⑥⑧　D.⑥②④①⑧③⑦⑤

4.电位差计校准电流实验中，当电位差计读出电压为53.6mV时，其主刻度盘的读数应为____________。

A.50　B.3　C.0.6　D.53