实验一电位差计的使用

实验一 电位差计的使用

电位差计是利用补偿原理和比较法精确测量电势差和电源电动势的常用仪器。在测量电势差或电源电动势时，伏特表要从被测量对象中取用电流，而电位差计则是采用补偿原理，不从被测量对象中取用电流，也就不改变被测对象原来的状态，因此用电位差计测量的结果稳定可靠且精度高。

电位差计配合标准电阻也可以精确地测量电流、电阻和校正各种精密电表。电位差计所采用的补偿原理还广泛用于非电学量（如温度、压力、位移等）的测量及自动检测和自动控制系统中。

【实验目的】

1．了解电位差计的结构和原理。

2．掌握87-1型学生电位差计的使用方法。 3．学会用电位差计来校准电压表。 【实验原理】 1．补偿原理

如图4.8-1所示，把待测电源Ex(其电动势用x表示)与一个电动势可以连续调节的电源E0(其电动势用0表示)相连。若x＞0则灵敏电流计指针将向一边偏转；若x＜

0，则灵敏电流计指针将向另一边偏转；若x=0则灵敏

电流计指针不偏转，这时电路处于补偿状态。在补偿状态法就称为补偿法,并称为0补偿电动势。

实际上，由于没有电动势可以连续调节的电源，在实验电路中，是用一个分压器来代替连续可调电源E0的。

2．电位差计原理

图4.8-1 补偿法原理图

下，如果可调电源电动势0是已知的，那么待测电源电动势x的大小也就被测定，这种方

K4 Rb

K3

图4.8-2

下面以87-1型电位差计为例，讨论电位差计的原理。其内部电路如图4.8-2所示，虚线框内等效电路图如图4.8-3所示，E、RA、RB、RC、R0、R组成工作回路，R1、R2组成的分流支

路。当把K1置于“外”或“内”时，由外接稳恒直流电源或内部电源在电路中形成稳恒电流。改变RA、RB、RC可以得到连续可调的补偿电压E0，其输出端为E+和E-。需要说明的是，特殊设计的电路（本图上没画出）可以保证无论RB调整到什么位置，都不会改变支路CA的电阻。这样，调节电阻RA、RB、RC仅相当于改变滑线电阻器RA、RC触点的位置，以获取适当的补偿电压E0。当用“×1”档时，流过工作支路CA的电流为5mA，分流支路电流为0.5 mA；当“×0.1”档时，则相反，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。

在图4.8-2中，由Es、G和K2 、K3 、K4组成标准电流校正回路；由Ex、G和K2 、K3、K4组成待测回路。

测量时，必须先对工作回路进行校准。

R-

图4.8-3

+接通K1，工作电流回路中有电流。RA、RB、RC使其电压读数为1.0186V，然后接通K3 、K4，先将K2转向S，调节电阻R以改变工作电流回路中电流的大小，当灵敏电流计指针指零时，工作电流回路中的电流即为标准电流。（若测量时温度为20℃，查得此时标准电池的电动势的大小为1.0186V。）此过程就是工作回路的校准过程。

保持电阻R不变，接入待测回路，依次调节RA、RB、RC, 当灵敏电流计指针指零时，E+和E-间的电压E0与待测电动势Ex相等，其数值可由RA、RB、RC盘上的数据给出。 本实验中所用到的标准电源和待测电源电动势均由DHBC－2标准电势和待测电势仪提供。

若需要测量外电路的某个电阻两端的直流电压，将其电压信号取出，区别其正、负极用其代替Ex即可。

利用电位差计还可校准电压表或电流表。 用电位差计校准微安表：

用电位差计和标准电阻可以校准微安表，图4.8-4为校准微安表电路图。其中E是直流电源，K是电源开关，R是滑线变阻器（作分压器使用），Rx是标准电阻，μA为待校准的微安表，R为限流电阻。校准原理是：接通开关K，微安表读数为I指，用电位差计测出Rx两端的电势差Ux，已知标准电阻Rx的阻值，则可以计算出通过Rx的标准电流I标Ux/Rx，因为电位差计的测量准确度和标准电阻的精确度都非常高，可以认为I标比微安表读数I指更准确，于是可以用电位差计来校准微安表，并定出微

安表的准确度等级。

用电位差计校准毫伏表： 图4.8-4 校准微安表电路图

调节RA、RB、RC设定合适的E0，将待校准毫伏表正确

接入E+和E-端，其读数Ux，而用E0可视为U标，于是可以用电位差计来校准毫伏表，并定出其准确度等级。

【实验仪器】

87－1型学生电位差计，DHBC-2电势箱，电阻箱，被校电表，滑线变阻器、连接线等。 【实验内容】

1、校准学生式电位差计（称校准）

(1) 接通DHBC-2电势箱的外接电源进行预热，一般预热30分钟方可进行测量。 (2)使用电位差计之前，先要进行校准，使电流达到规定值。87-1型电位差计面板如图4.8-5所示，首先取掉检流计上短路线，对检流计进行机械调零。打开电位差计电源，先放好RA、RB和RC，使其电压刻度等于标准电池电动势1.0186V，用所附导线将面板上各同名端相连，再将K1、K2、K3、G、R、Rb按原理线路图进行连接，经反复检查无误后，将K1扳向“内”接入工作电源E。将DHBC-2电势箱上的标准电池ES和待测电动势EX的输出端与检流计上的ES、EX的相应端相连， 合上K4，利用检流计电路上的调零旋

钮对对检流计进行带电环境下的调零。Rb先取电阻箱的最大值，（使用时如果检流计不稳定，可将其值调小，直到检流计稳定为止），合上K1、K3、K4，将K2推向ES（间歇使用），并同时调节R，使检流计无偏转（指零），为了增加检流计灵敏度，应逐步减少Rb，如此反复开、合K2 ，确认检流计中无电流流过时，则IO已达到规定值。

2、测量电池电动势（称测量）

调节DHBC-2电势箱上电压旋钮，设置待测电动势的大小，按待测电动势的近似值设置好RA、RB、RC，Rb先取最大值，K2推向EX并同时调电位差计RA、RB、RC和Rb使检流计无偏转（在测的步骤中R不能变动），此时RA、RB和RC显示的读数值即为EX值，测量结束应打开K1、K2、K3。

重复“校准”与“测量”两个步骤。共对EX测量三次，取EX的平均值作为测量结果。 3、校准毫伏表：

根据毫伏表量程，选择合适的档位，设置RA、RB、RC，记下E0值并视为U标，然后用待校准的毫伏表测量E+、 E-间的电压，记为U指，计算UU标U指。测定10组数据，根据公式定出毫伏表的等级。

4、校准微安表

按图4.8-4连接好外电路，调节滑线变阻R，使微安表依次指示为5.0μA、10.0μA、15.0μA、20.0μA、25.0μA、30.0μA、35.0μA、40.0μA、45.0μA、50.0μA，按照实验内容2的方法依次测出对应的Rx两端的电势差Ux值，并依次算出I标Ux/Rx和误差II标I指，根据公式定出微安表的等级。

【数据处理】

1．将实验内容2的EX测量结果填入设计好的表格中，并计算其平均值。

2．根据实验内容3测量的数据，将U指、U标、U系列数值填入自己设计好的表格中。以U指为横坐标，以U为纵坐标，作出毫伏表的校准曲线U~U指（校准曲线呈折线状）。

3．根据实验内容4测量的数据，将I指、Ux、I标、I系列数值填入自己设计好的表格中。以I指为横坐标，以I为纵坐标，作出微安表的校准曲线I~I指（校准曲线呈折线状）。

4．确定被校准电表的准确度等级

计算电表的基本误差

rm

ImaxIm

100%

式中Imax是I绝对值的最大值，Im是电表量程。根据电表的基本误差与电表准确度等级的关系a100rm，在电表的七个等级中选一个数值大于或等于100rm的最小值即为该电表的等级。仿照上述方法确定被校准毫伏表的准确度等级。

【注意事项】

1．连线时标准电池、电源正负极一定要接正确。

2．实验完毕后电动势箱、电位差计的开关要全部断开，测量选择开关K2放在中间位置的“断”档上。

3．实验完毕后灵敏电流计应置于“短路”档。 【预习思考题】

1．用电位差计和电压表分别测量同一电阻两端的电势差时读数是否相同？哪一个更准确？为什么？

2．用电位差计进行测量时为什么必须先校正工作电流？ 【分析讨论题】

1．在校正电位差计工作电流时，如果灵敏电流计指针总是向一边偏转，无法调到补偿状态，你认为可能的原因是什么？如果在测量某电势差时，也出现这种情况，可能的原因是什么？

【附录】

1．DHBC-2型标准电势和待测电势使用介绍

DHBC-2型产品选用高精度电压基准源来代替标准电池，克服了标准电池的诸多缺点，不仅能作为标准电池用，还可利用电压调节旋钮提供不同大小的被测电势差。当测量精度要求不高时，可以不对其进行温度修正，输出1.0186V标准电势作为电位差计的标准电源。

DHBC-2型产品为市电型，接通交流220V电源，预热半小时后即可工作。若对测量精度要求不高，也可适当缩短预热时间。

DHBC-2型标准电势和待测电势与电位差计连接示意图如下：

实验一 电位差计的使用

电位差计是利用补偿原理和比较法精确测量电势差和电源电动势的常用仪器。在测量电势差或电源电动势时，伏特表要从被测量对象中取用电流，而电位差计则是采用补偿原理，不从被测量对象中取用电流，也就不改变被测对象原来的状态，因此用电位差计测量的结果稳定可靠且精度高。

电位差计配合标准电阻也可以精确地测量电流、电阻和校正各种精密电表。电位差计所采用的补偿原理还广泛用于非电学量（如温度、压力、位移等）的测量及自动检测和自动控制系统中。

【实验目的】

1．了解电位差计的结构和原理。

2．掌握87-1型学生电位差计的使用方法。 3．学会用电位差计来校准电压表。 【实验原理】 1．补偿原理

如图4.8-1所示，把待测电源Ex(其电动势用x表示)与一个电动势可以连续调节的电源E0(其电动势用0表示)相连。若x＞0则灵敏电流计指针将向一边偏转；若x＜

0，则灵敏电流计指针将向另一边偏转；若x=0则灵敏

电流计指针不偏转，这时电路处于补偿状态。在补偿状态法就称为补偿法,并称为0补偿电动势。

实际上，由于没有电动势可以连续调节的电源，在实验电路中，是用一个分压器来代替连续可调电源E0的。

2．电位差计原理

图4.8-1 补偿法原理图

下，如果可调电源电动势0是已知的，那么待测电源电动势x的大小也就被测定，这种方

K4 Rb

K3

图4.8-2

下面以87-1型电位差计为例，讨论电位差计的原理。其内部电路如图4.8-2所示，虚线框内等效电路图如图4.8-3所示，E、RA、RB、RC、R0、R组成工作回路，R1、R2组成的分流支

路。当把K1置于“外”或“内”时，由外接稳恒直流电源或内部电源在电路中形成稳恒电流。改变RA、RB、RC可以得到连续可调的补偿电压E0，其输出端为E+和E-。需要说明的是，特殊设计的电路（本图上没画出）可以保证无论RB调整到什么位置，都不会改变支路CA的电阻。这样，调节电阻RA、RB、RC仅相当于改变滑线电阻器RA、RC触点的位置，以获取适当的补偿电压E0。当用“×1”档时，流过工作支路CA的电流为5mA，分流支路电流为0.5 mA；当“×0.1”档时，则相反，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。

在图4.8-2中，由Es、G和K2 、K3 、K4组成标准电流校正回路；由Ex、G和K2 、K3、K4组成待测回路。

测量时，必须先对工作回路进行校准。

R-

图4.8-3

+接通K1，工作电流回路中有电流。RA、RB、RC使其电压读数为1.0186V，然后接通K3 、K4，先将K2转向S，调节电阻R以改变工作电流回路中电流的大小，当灵敏电流计指针指零时，工作电流回路中的电流即为标准电流。（若测量时温度为20℃，查得此时标准电池的电动势的大小为1.0186V。）此过程就是工作回路的校准过程。

保持电阻R不变，接入待测回路，依次调节RA、RB、RC, 当灵敏电流计指针指零时，E+和E-间的电压E0与待测电动势Ex相等，其数值可由RA、RB、RC盘上的数据给出。 本实验中所用到的标准电源和待测电源电动势均由DHBC－2标准电势和待测电势仪提供。

若需要测量外电路的某个电阻两端的直流电压，将其电压信号取出，区别其正、负极用其代替Ex即可。

利用电位差计还可校准电压表或电流表。 用电位差计校准微安表：

用电位差计和标准电阻可以校准微安表，图4.8-4为校准微安表电路图。其中E是直流电源，K是电源开关，R是滑线变阻器（作分压器使用），Rx是标准电阻，μA为待校准的微安表，R为限流电阻。校准原理是：接通开关K，微安表读数为I指，用电位差计测出Rx两端的电势差Ux，已知标准电阻Rx的阻值，则可以计算出通过Rx的标准电流I标Ux/Rx，因为电位差计的测量准确度和标准电阻的精确度都非常高，可以认为I标比微安表读数I指更准确，于是可以用电位差计来校准微安表，并定出微

安表的准确度等级。

用电位差计校准毫伏表： 图4.8-4 校准微安表电路图

调节RA、RB、RC设定合适的E0，将待校准毫伏表正确

接入E+和E-端，其读数Ux，而用E0可视为U标，于是可以用电位差计来校准毫伏表，并定出其准确度等级。

【实验仪器】

87－1型学生电位差计，DHBC-2电势箱，电阻箱，被校电表，滑线变阻器、连接线等。 【实验内容】

1、校准学生式电位差计（称校准）

(1) 接通DHBC-2电势箱的外接电源进行预热，一般预热30分钟方可进行测量。 (2)使用电位差计之前，先要进行校准，使电流达到规定值。87-1型电位差计面板如图4.8-5所示，首先取掉检流计上短路线，对检流计进行机械调零。打开电位差计电源，先放好RA、RB和RC，使其电压刻度等于标准电池电动势1.0186V，用所附导线将面板上各同名端相连，再将K1、K2、K3、G、R、Rb按原理线路图进行连接，经反复检查无误后，将K1扳向“内”接入工作电源E。将DHBC-2电势箱上的标准电池ES和待测电动势EX的输出端与检流计上的ES、EX的相应端相连， 合上K4，利用检流计电路上的调零旋

钮对对检流计进行带电环境下的调零。Rb先取电阻箱的最大值，（使用时如果检流计不稳定，可将其值调小，直到检流计稳定为止），合上K1、K3、K4，将K2推向ES（间歇使用），并同时调节R，使检流计无偏转（指零），为了增加检流计灵敏度，应逐步减少Rb，如此反复开、合K2 ，确认检流计中无电流流过时，则IO已达到规定值。

2、测量电池电动势（称测量）

调节DHBC-2电势箱上电压旋钮，设置待测电动势的大小，按待测电动势的近似值设置好RA、RB、RC，Rb先取最大值，K2推向EX并同时调电位差计RA、RB、RC和Rb使检流计无偏转（在测的步骤中R不能变动），此时RA、RB和RC显示的读数值即为EX值，测量结束应打开K1、K2、K3。

重复“校准”与“测量”两个步骤。共对EX测量三次，取EX的平均值作为测量结果。 3、校准毫伏表：

根据毫伏表量程，选择合适的档位，设置RA、RB、RC，记下E0值并视为U标，然后用待校准的毫伏表测量E+、 E-间的电压，记为U指，计算UU标U指。测定10组数据，根据公式定出毫伏表的等级。

4、校准微安表

按图4.8-4连接好外电路，调节滑线变阻R，使微安表依次指示为5.0μA、10.0μA、15.0μA、20.0μA、25.0μA、30.0μA、35.0μA、40.0μA、45.0μA、50.0μA，按照实验内容2的方法依次测出对应的Rx两端的电势差Ux值，并依次算出I标Ux/Rx和误差II标I指，根据公式定出微安表的等级。

【数据处理】

1．将实验内容2的EX测量结果填入设计好的表格中，并计算其平均值。

2．根据实验内容3测量的数据，将U指、U标、U系列数值填入自己设计好的表格中。以U指为横坐标，以U为纵坐标，作出毫伏表的校准曲线U~U指（校准曲线呈折线状）。

3．根据实验内容4测量的数据，将I指、Ux、I标、I系列数值填入自己设计好的表格中。以I指为横坐标，以I为纵坐标，作出微安表的校准曲线I~I指（校准曲线呈折线状）。

4．确定被校准电表的准确度等级

计算电表的基本误差

rm

ImaxIm

100%

式中Imax是I绝对值的最大值，Im是电表量程。根据电表的基本误差与电表准确度等级的关系a100rm，在电表的七个等级中选一个数值大于或等于100rm的最小值即为该电表的等级。仿照上述方法确定被校准毫伏表的准确度等级。

【注意事项】

1．连线时标准电池、电源正负极一定要接正确。

2．实验完毕后电动势箱、电位差计的开关要全部断开，测量选择开关K2放在中间位置的“断”档上。

3．实验完毕后灵敏电流计应置于“短路”档。 【预习思考题】

1．用电位差计和电压表分别测量同一电阻两端的电势差时读数是否相同？哪一个更准确？为什么？

2．用电位差计进行测量时为什么必须先校正工作电流？ 【分析讨论题】

1．在校正电位差计工作电流时，如果灵敏电流计指针总是向一边偏转，无法调到补偿状态，你认为可能的原因是什么？如果在测量某电势差时，也出现这种情况，可能的原因是什么？

【附录】

1．DHBC-2型标准电势和待测电势使用介绍

DHBC-2型产品选用高精度电压基准源来代替标准电池，克服了标准电池的诸多缺点，不仅能作为标准电池用，还可利用电压调节旋钮提供不同大小的被测电势差。当测量精度要求不高时，可以不对其进行温度修正，输出1.0186V标准电势作为电位差计的标准电源。

DHBC-2型产品为市电型，接通交流220V电源，预热半小时后即可工作。若对测量精度要求不高，也可适当缩短预热时间。

DHBC-2型标准电势和待测电势与电位差计连接示意图如下：