王 婷，談 勇，郭 鵬

(蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070)

在對于要求實現(xiàn)測量的高精度、快速度、自動化的信息化社會中，傳統(tǒng)的模擬指針式儀表是無法完成的［1-2］。用UJ31型電位差計校準(zhǔn)電流表是電磁學(xué)實驗中的一項重要內(nèi)容。操作過程中最重要的環(huán)節(jié)是附件設(shè)備--平衡指示器檢流計決定電路是否達(dá)到補償狀態(tài)。傳統(tǒng)的指針式檢流計給學(xué)生操作實驗帶來諸多不便。用數(shù)字式儀表替代，不僅給實驗的操作帶來很多方便，還能大大提高實驗的測量精度。

1 實驗?zāi)康?/h2>

加深對補償法測量原理的理解和運用，學(xué)習(xí)用電位差計校準(zhǔn)精度較高的電流表的原理;

練習(xí)測量電路的設(shè)計和測量條件的選擇，畫出校正電流表的電路原理圖;

學(xué)會用校準(zhǔn)曲線確定被校表的級別;

比較兩種不同平衡指示器的測量結(jié)果。

2 工作原理

2.1 補償法測量原理

UJ31型電位差計是基于補償法原理進(jìn)行設(shè)計制作的。補償原理就是利用一個電壓或電動勢去抵消另一個電壓或電動勢。補償法是電磁測量的一種基本方法，特點是在測量時儀器不從被測電路中分流，不影響被測電路的狀態(tài)［3］。UJ31型電位差計電路原理圖如圖1所示［4］，具體工作時首先要對標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢Es進(jìn)行溫度補償;其次要對工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，工作回路中電流要被精確地校準(zhǔn)為所需要的10 mA值;最后從測量盤所標(biāo)的刻度，讀出待測未知電勢EX值［5］。

圖1 UJ-31型電位差計工作原理圖

2.2 校準(zhǔn)電流表工作原理

校準(zhǔn)電流表是指將待校準(zhǔn)的電表和一個準(zhǔn)確度等級較高的標(biāo)準(zhǔn)表同時測量一定的電流，分別讀出被校準(zhǔn)電表各個刻度的示值I和標(biāo)準(zhǔn)表所對應(yīng)的示值IN，得到各刻度的修正值△I，以I為橫坐標(biāo)、△I為縱坐標(biāo)畫出電表的校正曲線［6］。

3 實驗內(nèi)容與步驟

采用不同平衡指示器用UJ31型電位差計對實驗室學(xué)生頻繁使用的一塊150 mA、0.5級的電流表進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.1 實驗器材選取

400 Ω滑線變阻器，DH1718D-5雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，ZX21型直流電阻箱，開關(guān)，導(dǎo)線，與UJ31型電位差計配套使用的附件設(shè)備(檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池、溫度計)等。

3.2 校準(zhǔn)電路設(shè)計

在校準(zhǔn)回路中，被校電流表與標(biāo)準(zhǔn)電阻RN串聯(lián)，流過相同的電流。在此用高精度的UJ31型電位差計測RN兩端的電壓，從而求出電流IN，將IN作為標(biāo)準(zhǔn)電流。因UJ31型電位差計的最大量程為171.1 mV，被校電流表最大量程為150 mA，所以RN應(yīng)選用最大值為1.14 Ω的電阻，則標(biāo)準(zhǔn)電阻選取時只要小于1.14 Ω即可。

根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)計電路見圖2［7］。選用合適的參數(shù):穩(wěn)壓電源固定輸出2 V，要求控制電路的電流調(diào)節(jié)范圍為0-150 mA，選取適當(dāng)?shù)目烧{(diào)限流電阻(0-99 999.9 Ω)、滑動變阻器(400 Ω)和標(biāo)準(zhǔn)電阻(用0.1級電阻箱調(diào)阻值為1.1 Ω)。

圖2 校準(zhǔn)電流表的電路圖

3.3 實驗數(shù)據(jù)采集

根據(jù)圖2連線，測得RN(RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻)兩端電壓后，即可根據(jù)歐姆定律算出通過負(fù)載的電流IN。進(jìn)行校正時要求選取多個測量點逐一進(jìn)行，然后將數(shù)據(jù)記錄下來，見表1。

表1 電位差計校準(zhǔn)電表實驗數(shù)據(jù)記錄

4 兩種平衡指示器的實驗比較

由電位差計工作原理可知，在具體測試過程中兩次用到補償，而確定是否達(dá)到補償狀態(tài)關(guān)鍵取決于其平衡指示器檢流計在操作規(guī)范的情況下，指針指示位置是否在零位，所以平衡指示器檢流計的精度將決定測量數(shù)值的準(zhǔn)確度。

4.1 指針式平衡指示器校準(zhǔn)電流表

平衡指示器檢流計采用機械式AC5/4型直流指針式檢流計。實際操作時，要將檢流計的鎖扣接入通路狀態(tài)，指針指示在零位，電計旋鈕接通［5］。確定指針是否在零位時要做到三合一(即指針、刻度線、鏡中的像三線重合)。事實上會造成人為的測量誤差和操作誤差。

4.2 數(shù)字式平衡指示器校準(zhǔn)電流表

數(shù)字儀表操作簡單，測量過程自動化，可以自動地判斷極性。數(shù)字化測量原理、方法及儀器結(jié)構(gòu)等方面完全不同于傳統(tǒng)的指針式儀表，它具有測量速度快、精確度高、操作方便等優(yōu)點［6］。測量過程直接以數(shù)字形式給出，所以在兩次補償過程中，平衡指示器的操作簡單、指零示數(shù)觀察方便，不會產(chǎn)生視覺和操作誤差。

4.3 兩種平衡指示器的校準(zhǔn)曲線

將實驗數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行處理，做出△II校準(zhǔn)曲線，見圖3。校準(zhǔn)曲線兩點之間以直線段相連，整個圖形是折線狀［8］。結(jié)果表明:指針式平衡指示器校準(zhǔn)電流表△Im=0.92 mA;數(shù)字式平衡指示器校準(zhǔn)電流表△Im=0.70 mA。

圖3 △I-I校準(zhǔn)曲線

4.4 待校電表的準(zhǔn)確度等級K

待校電流表的精度確定:電表級別由K=△Im/I×100%確定，△Im是測量值中差值最大的一個，I是被校表量程。根據(jù)國標(biāo)(GB)規(guī)定，電表的精度級別分為 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7級，由K的大小定出電表的級別［8］。從△I-I校準(zhǔn)曲線知:

指針式平衡指示器校準(zhǔn)電流表K=△Im/I×100%=0.61%，則0.5% ＜K＜1.0%，所以被校電表級別為1.0級。

數(shù)字式平衡指示器校準(zhǔn)電流表K=△Im/I×100%=0.47%，則0.2% ＜K＜0.5%，所以被校電表級別為0.5級。

綜合以上結(jié)果，可知被校電表的最大絕對誤差為0.92 mA。以后使用這塊電表時，可根據(jù)校準(zhǔn)曲線修正電表的讀數(shù)，得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

4.5 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)比較測試結(jié)果

由測試數(shù)據(jù)對兩種平衡指示器的實驗結(jié)果比較知:指針式儀表測量誤差為0.61%;數(shù)字式儀表測量誤差為0.47%。

所以，平衡指示器為數(shù)字式的測量結(jié)果優(yōu)于平衡指示器為指針式的測量結(jié)果。

5 實驗研究結(jié)果

經(jīng)過具體分析，使用UJ31型電位差計校準(zhǔn)電流表時，采用指針式平衡指示器操作繁瑣，誤差較大;采用數(shù)字式平衡指示器操作簡單、方便。

在UJ31型電位差計實驗中，采用數(shù)字顯示儀表模塊替代機械式檢流計，使學(xué)生在實驗操作過程中步驟簡單、測量省時、讀數(shù)容易且準(zhǔn)確、避免錯誤操作損壞檢流計設(shè)備，能更準(zhǔn)確的測得實驗數(shù)據(jù)。

［1］符時民，姜秀娟.數(shù)字式儀表在電磁學(xué)實驗中的應(yīng)用研究［J］渤海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，33(4):229-333.

［2］張潔，李敬兆.基于PWM的數(shù)字電位差計設(shè)計［J］.大學(xué)物理實驗，2014(1):22-24.

［3］張兆奎.大學(xué)物理實驗［M］.上海:華東化工學(xué)院出版社，1994.

［4］潘人培.物理實驗教學(xué)參考書［M］.北京:高等教育出版社，1990.

［5］李建豐，王婷.大學(xué)物理實驗教材［M］.北京:科學(xué)出版社，2012.

［6］朱世坤，辛旭平，等.設(shè)計創(chuàng)新型物理實驗導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［7］周珺，王婷.工科物理實驗教程［M］.北京:高等教育出版社，2013.

［8］劉平，陳巖.大學(xué)物理實驗［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2012.

［9］楊述武，趙立竹，沈國土，等.普通物理實驗［M］.北京:高等教育出版社，2007.