電位差計(jì)研究型報(bào)告

1、電位差計(jì)的應(yīng)用研究型報(bào)告 電位差計(jì)的應(yīng)用研究型報(bào)告第一作者：第二作者：能源與動(dòng)力工程學(xué)院2015年12月13日目錄摘要1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 實(shí)驗(yàn)原理1、1補(bǔ)償原理 1、2 UJ25型電位差計(jì)3、 實(shí)驗(yàn)儀器4、 實(shí)驗(yàn)步驟4、1自組電位差計(jì)自組電位差計(jì)測(cè)干電池電動(dòng)勢(shì)4、2 UJ25型箱式電位差計(jì)箱式電位差計(jì)測(cè)固定電阻5、 數(shù)據(jù)處理5、1自組電位差計(jì)測(cè)干電池電動(dòng)勢(shì)5、2箱式電位差計(jì)測(cè)固定電阻6、 討論6、1實(shí)驗(yàn)操作中的細(xì)節(jié)分析6、2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)自組電位差計(jì)測(cè)干電池電動(dòng)勢(shì)6、3 UJ25型電位差計(jì)內(nèi)部線路簡(jiǎn)圖6、4 UJ25型電位差計(jì)測(cè)電壓誤差進(jìn)一步分析7、 感想8、 參考文獻(xiàn)1摘要電位差計(jì)是一種

2、精確度很高的電壓測(cè)量方式，運(yùn)用補(bǔ)償原理，通過(guò)使待測(cè)電壓與并聯(lián)電阻兩端電位差相等，用電阻兩端電壓代替待測(cè)電壓。本文將從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、儀器、步驟以及實(shí)驗(yàn)的誤差、改進(jìn)、注意事項(xiàng)等方面探討自組電位差計(jì)與箱式電位差計(jì)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：自組電位差計(jì) UJ25型電位差計(jì) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 誤差分析AbstractPotentiometer is a high accuracy voltage measurement, using the principle of compensation, by making the measured voltage is equal to the potential differ

3、ence across the resistor in parallel with a voltage across the resistor in place of the test voltage. This article from the experimental purposes, principles, instruments, procedures and experimental error, improvements, etc. Discussion precautions from a potentiometer and box potentiometer features

4、.Keywords: self-potentiometer to UJ25 type Potentiometer Experiment improved error analysi141、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;學(xué)習(xí)補(bǔ)償原理和比較測(cè)量法。 牢固掌握基本電學(xué)儀器的使用方法，進(jìn)一步規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作 。培養(yǎng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)能力。    學(xué)習(xí)儀器誤差限和不確定度的估算。2、實(shí)驗(yàn)原理 1、1補(bǔ)償原理 測(cè)量干電池電動(dòng)勢(shì)Ex的最簡(jiǎn)單辦法是把伏特表借到電池的正負(fù)極上直接讀數(shù)（見(jiàn)圖1）,但由于電池和伏特表的內(nèi)阻（電池內(nèi)阻r0，伏特表內(nèi)阻R

5、不能看做），測(cè)得的電壓 并不等于電池的電動(dòng)勢(shì)。它表明：因伏特表的接入，總要從被測(cè)電路上分出一部分電流，從而改變了被測(cè)電路的狀態(tài)。我們把由此造成的誤差稱(chēng)為接入誤差。為了避免接入誤差，可以采用如圖2所示的“補(bǔ)償”電路。如果cd可調(diào)，E>，則總可以找到一個(gè)cd位置，使所在回路中無(wú)電流通過(guò)，這時(shí)=。上述原理稱(chēng)為補(bǔ)償原理；回路Gdc稱(chēng)為補(bǔ)償回路；ESABE構(gòu)成的回路稱(chēng)為輔助回路。為了確認(rèn)補(bǔ)償回路中沒(méi)有電流通過(guò)（完全補(bǔ)償），應(yīng)當(dāng)在補(bǔ)償回路中接入一個(gè)具有足夠靈敏度的檢流計(jì)G，這種用檢流計(jì)來(lái)判斷電流是否為零的方法，稱(chēng)為零示法。由補(bǔ)償原理可知，可以通過(guò)測(cè)定來(lái)確定，接下來(lái)的問(wèn)題便是如何精確確定，在此采用比較

6、測(cè)量法。如圖2所示，把接入的抽頭，當(dāng)抽頭滑至位置cd時(shí)，G中無(wú)電流通過(guò)，則=，其中是I流過(guò)的電流；再把一電動(dòng)勢(shì)已知的標(biāo)準(zhǔn)電池接入的抽頭，當(dāng)抽頭滑至位置ab時(shí)，G再次為0，則，于是： (1)   這種方法是通過(guò)電阻的比較來(lái)獲得待測(cè)電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)的比值關(guān)系的。由于是精密電阻,可以精確讀出，是標(biāo)準(zhǔn)電池，其電動(dòng)勢(shì)也有很高的準(zhǔn)確度，因此只要在測(cè)量過(guò)程中保持輔助電源E的穩(wěn)定并且檢流計(jì)G有足夠的靈敏度，就可以有很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。按照上述原理做成的電壓測(cè)量?jī)x器叫做電位差計(jì)。 應(yīng)該指出，式（1）的成立條件是輔助回路在兩次補(bǔ)償中的工作電流I必須相等。事實(shí)上，為了便于讀

7、數(shù),應(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化（例如?。?，這樣就可由相應(yīng)的電阻值直接讀出即。預(yù)先設(shè)置好，調(diào)節(jié)但不改變，直到；再接入，調(diào)節(jié)，并保持工作電流不變。1、2 UJ25型電位差計(jì) UJ25型電位差計(jì)是一種高電勢(shì)電位差計(jì)，測(cè)量上限為1.911110V，準(zhǔn)確度為0.01級(jí)，工作電流=0.1mA。它的原理如圖3所示，圖4是它的面板，上方12個(gè)接線柱的功能在面板上已表明。圖中為兩個(gè)步進(jìn)的電阻旋鈕，標(biāo)有不同溫度的標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)的值，當(dāng)調(diào)節(jié)工作電流時(shí)做標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)修正之用。（標(biāo)有粗、中、細(xì)、微的四個(gè)旋鈕）做調(diào)節(jié)工作電流之用。是標(biāo)有電壓值（即之值）的六個(gè)大旋鈕，用以測(cè)出未知電壓的值。左下角的功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，當(dāng)其處于“斷”時(shí)

8、，電位差計(jì)不工作；處于“N”時(shí)，接入可進(jìn)行工作電流的檢查和調(diào)整；處于和時(shí)，測(cè)第一路或者第二路的未知電壓。標(biāo)有“粗”、“細(xì)”、“短路”的三個(gè)按鈕是檢流計(jì)（電計(jì)）的控制開(kāi)關(guān)，通常處于斷開(kāi)狀態(tài)，按下“粗”，檢流計(jì)接入電路，但串聯(lián)一大電阻R',用以在遠(yuǎn)離補(bǔ)償?shù)那闆r下，保護(hù)檢流計(jì)；按下“細(xì)”，檢流計(jì)直接接入電路，使電位差計(jì)處于高靈敏度的工作狀態(tài)；“短路”是阻尼開(kāi)關(guān)，按下后檢流計(jì)線圈被短路，擺動(dòng)不止的線圈因受很大的電磁阻尼而迅速停止。3、實(shí)驗(yàn)儀器 ZX-21電阻箱兩個(gè)、UJ25型電位差計(jì)、指針式檢流計(jì)（即原理圖中G）、標(biāo)準(zhǔn)電池、穩(wěn)壓電源、待測(cè)干電池、雙刀雙擲開(kāi)關(guān)、電子檢流計(jì)、待校電壓表、

9、待測(cè)電流表、導(dǎo)線若干。4、實(shí)驗(yàn)步驟 4、1自組電位差計(jì)自組電位差計(jì)測(cè)干電池電動(dòng)勢(shì)（1）標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)與溫度有關(guān)，冬天時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度通常低于室溫20攝氏度，因此讀出溫度計(jì)上溫度示數(shù)（通常為標(biāo)準(zhǔn)電池上自帶溫度計(jì)），對(duì)其進(jìn)行溫度修正。標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正公式為： 其中，為20攝氏度時(shí)的電動(dòng)勢(shì)，可取=1.01860V。（2）設(shè)計(jì)并連接自組電位差計(jì)的線路 畫(huà)出電路圖（如圖5），注意正確使用開(kāi)關(guān)，安排好工作電流標(biāo)準(zhǔn)化及測(cè)量的補(bǔ)償回路。 按照回路進(jìn)行連接，先連接輔助回路，再連接補(bǔ)償回路。本實(shí)驗(yàn)中，電源選用箱式電源，輔助回路干路上必須串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，用以保護(hù)電路

10、。檢流計(jì)無(wú)法承受較大電流的沖擊，因此應(yīng)在補(bǔ)償回路中串聯(lián)一個(gè)大電阻（本實(shí)驗(yàn)中阻值為1）與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電路元件，同時(shí)在補(bǔ)償調(diào)節(jié)中采用躍接法，用以保護(hù)檢流計(jì)。連接電路后，打開(kāi)箱式電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)箱式電源電壓電流使電源電壓E3V，開(kāi)始準(zhǔn)備測(cè)量。（3）工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，測(cè)量干電池電動(dòng)勢(shì) 如圖5所示，輔助回路中串聯(lián)電阻箱和,初始時(shí)，斷開(kāi)，調(diào)節(jié)=1.018.8，調(diào)節(jié)=，使輔助回路中電流為1mA。將接入回路，斷開(kāi)，保持不動(dòng)，調(diào)節(jié)使檢流計(jì)指針為零（使用說(shuō)明）（檢流計(jì)檔位先為1后為30nA,下同），閉合開(kāi)關(guān),再次調(diào)節(jié)使檢流計(jì)示數(shù)為零，記錄和。將接入回路，保證+不變，同時(shí)調(diào)節(jié)和，使得檢流計(jì)示數(shù)變?yōu)榱?，調(diào)節(jié)方法同

11、上，記錄和。保證不變，調(diào)節(jié)使檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)1014格。記錄和。（4）實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，記錄三組數(shù)據(jù)。4、2 UJ25型箱式電位差計(jì)箱式電位差計(jì)測(cè)固定電阻(1) 調(diào)解工作電流：將功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置N，溫度補(bǔ)償電阻旋至修正后的標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)“1.018V”的后兩位，分別按下“粗”、“細(xì)”按鈕，調(diào)節(jié)至檢流計(jì)指零。(2) 測(cè)量待測(cè)電壓：功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置或，分別按“粗”，“細(xì)”調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)至檢流計(jì)指零，則的顯示值即為待測(cè)電壓。(3) 連接檢測(cè)電路如圖6。調(diào)節(jié)R使其電阻與接近，連接3V電源至電源接線柱，連接檢流計(jì)至檢流接線柱，連接標(biāo)準(zhǔn)電池至標(biāo)準(zhǔn)接線柱，連接待測(cè)電壓至接線柱，完成以上步驟。記錄，,。5、數(shù)據(jù)處理5、1自

12、組電位差計(jì)測(cè)干電池電動(dòng)勢(shì)原始數(shù)據(jù)次數(shù)格數(shù)11018.82084.51470.01633.31491.11633.31121018.82082.61488.41622.91518.41622.91131018.82075.01467.01626.81447.91626.811 （1） : （2） ：（3） :（4） ：（5） :(6) :（7） :(8) 靈敏度誤差：靈敏度誤差可忽略原因：很小，可忽略不計(jì)。綜上所述：5、2箱式電位差計(jì)測(cè)固定電阻1801.581401.478666、討論6、1實(shí)驗(yàn)操作中的細(xì)節(jié)分析實(shí)驗(yàn)的精確度取決于實(shí)驗(yàn)方法的正確性，實(shí)驗(yàn)器材的精確度，數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性等多方面的因素。

13、但一個(gè)實(shí)驗(yàn)是否能夠成功實(shí)現(xiàn)理想中的效果，卻與實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作水平密不可分。有時(shí)候一個(gè)小小的失誤都會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離真實(shí)值，實(shí)驗(yàn)失敗?，F(xiàn)在我們所做的實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)經(jīng)過(guò)了許多代人的嘗試，在程序上，技術(shù)上都已逐漸趨于成熟。每一個(gè)小的步驟都有它的意義所在。而實(shí)驗(yàn)中又會(huì)有一些小竅門(mén)，幫助我們得到在有限的條件下得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。接電路是要將各接線柱擰緊，防止接頭處阻值增大，使系統(tǒng)誤差增大。打開(kāi)電源后，putout開(kāi)關(guān)要按下。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，打開(kāi)檢流計(jì)開(kāi)關(guān)，先進(jìn)行調(diào)零。再調(diào)整過(guò)程中一旦調(diào)好就不能變動(dòng)，否則會(huì)使誤差增大。在調(diào)解過(guò)程中可以先使被調(diào)量向一個(gè)方向產(chǎn)生較大的變化，觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向，這樣在之后的調(diào)節(jié)里就

14、很清楚電阻，增大減小檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向。自組電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)中，在檢流計(jì)調(diào)零一定要先按下電計(jì)鍵。電子檢流計(jì)比較敏感，指針晃動(dòng)幅度大，因此可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候按“短路”使擺動(dòng)不定的指針迅速停止。檢流計(jì)，電壓表，電流表讀數(shù)時(shí)，注意觀察在刻度盤(pán)下方平面鏡中指針的像是否與指針重合，重合時(shí)即可讀數(shù)，降低了讀數(shù)誤差。因?yàn)橄涫诫娫瓷巷@示的最小電流為0.01A，因此無(wú)法在電源顯示屏上顯示，因此通過(guò)控制電壓與兩個(gè)電阻箱的電阻和控制輔助回路電流。在初次調(diào)節(jié)時(shí)將調(diào)為可以大大減少接入標(biāo)準(zhǔn)電池后電阻的調(diào)節(jié)范圍，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間。在測(cè)量靈敏度時(shí)保持前一個(gè)值不變，既使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，又可以減少過(guò)程中的一個(gè)數(shù)據(jù)，降低不確定度。6、2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)自

15、組電位差計(jì)測(cè)干電池電動(dòng)勢(shì)改進(jìn)目的：消除由于輔助回路電流微小變化引起的誤差。分析實(shí)驗(yàn)步驟可知，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并不能保證輔助回路電流保持不變，為1mA。首先，實(shí)驗(yàn)中采用的是箱式電源（如圖8），可以發(fā)現(xiàn)，顯示屏上的電流最小顯示值為0.01A，無(wú)法顯示0.001A的電流，同時(shí)電壓顯示分度值為0.1V，存在顯示誤差。再者，在調(diào)節(jié)電阻的過(guò)程中，一開(kāi)始+為3000，但之后的過(guò)程中被調(diào)節(jié)，使電阻和發(fā)生了變化。因此，我們不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程中都沒(méi)有明確保證。改進(jìn)中我們直接放棄控制的準(zhǔn)確值，只保證其在1mA附近，不超過(guò)各種器材所能承受的電流大小。選擇將標(biāo)準(zhǔn)電池與待測(cè)電池分別并聯(lián)在和兩端，分別在兩個(gè)補(bǔ)償回路中接入檢流計(jì)

16、，因此檢流計(jì)指針同時(shí)為零時(shí)，和電流一定相等，可直接進(jìn)行計(jì)算。測(cè)量待測(cè)電池內(nèi)阻。電池的重要參數(shù)除了電動(dòng)勢(shì)還有電池內(nèi)阻。如圖8所示，待測(cè)電阻兩端并聯(lián)定值電阻,接入后調(diào)節(jié)檢流計(jì)示數(shù)為零，因此改進(jìn)步驟：閉合 ,調(diào)節(jié) 使電流表電流約為1mA，閉合 ，調(diào)節(jié) 使檢流計(jì) 為零，閉合 ，調(diào)節(jié) 使檢流計(jì) 和 同時(shí)為零，記錄 和 。 閉合 ，調(diào)節(jié) 和 使檢流計(jì) 和 同時(shí)為零，記錄 和 。即可按照以上公式求得 和 。重復(fù)三次，取平均值，減小隨機(jī)誤差。6、3 UJ25型電位差計(jì)內(nèi)部線路簡(jiǎn)圖實(shí)驗(yàn)是難以通過(guò)內(nèi)部構(gòu)造分析箱式電位差計(jì)的使用方法，而如果知道了其內(nèi)部構(gòu)造就能更深入地掌握UJ25型電位差計(jì)的特征。圖9 UJ25型電

17、位差計(jì)內(nèi)部線路簡(jiǎn)圖6、4 UJ25型電位差計(jì)測(cè)電壓誤差進(jìn)一步分析以如下數(shù)據(jù)為例：1.47866（1）電位差計(jì)儀器誤差（2）溫度誤差（3）檢流計(jì)誤差,實(shí)驗(yàn)時(shí)檢流計(jì)最小檔位為10nA=A,靈敏度誤差約為數(shù)量級(jí)，與電位差計(jì)儀器誤差相比過(guò)小，可忽略不計(jì)。7、感想本次實(shí)驗(yàn)，我們了解了一種更精確的測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的方法補(bǔ)償法。運(yùn)用補(bǔ)償法的原理，通過(guò)使補(bǔ)償回路中電流為零排除電源內(nèi)阻等的干擾。同時(shí)我們也了解了一種精度很高的測(cè)量?jī)x器UJ25型電位差計(jì)。通過(guò)課下查找資料，我們發(fā)現(xiàn)UJ25型電位差計(jì)雖然使用范圍較小（由于其操作較繁瑣，量程較小，箱身笨重不方便搬運(yùn)，輔助器件多等原因），但卻可以為數(shù)字電壓表，其他型號(hào)電位差計(jì)

18、校準(zhǔn)，可以看出，它的精度非常高，其測(cè)量值可以作為約定真值使用。再者，此次實(shí)驗(yàn)使我對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)有了更深一步的了解。包括電路的連接，電器元件的保護(hù)，電學(xué)儀器的讀數(shù)和使用等。在做完此次試驗(yàn)后，完成其他電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)我明顯感覺(jué)到得心應(yīng)手了很多。我認(rèn)為，這學(xué)期所有的電學(xué)實(shí)驗(yàn)都存在共同點(diǎn)，學(xué)會(huì)了一個(gè)，其他的也將變得容易。對(duì)于基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課，我想提一點(diǎn)建議。我感覺(jué)學(xué)校開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)位置有一點(diǎn)緊張。我認(rèn)為預(yù)約實(shí)驗(yàn)是很重要的，因?yàn)橐淮螌?shí)驗(yàn)是很難將實(shí)驗(yàn)的整體過(guò)程研究清楚，而做一次預(yù)約能夠幫助同學(xué)們了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，彌補(bǔ)最初的不足。同時(shí)，預(yù)約實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的最佳時(shí)間，沒(méi)有正式實(shí)驗(yàn)室的限制，可以將自己的想法付諸實(shí)施。而這學(xué)期的預(yù)