數(shù)字式儀表在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

潘良屯

（黔南民族師范學(xué)院，貴州 都勻558000）

電磁學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分, 電磁測(cè)量也是現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的測(cè)量方法，由此發(fā)展起來的電工技術(shù)和電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、通訊、國防以及科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，并且已經(jīng)深入到家用設(shè)備，對(duì)國計(jì)民生有十分重要的意義。掌握電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的基本方法已成為各學(xué)科領(lǐng)域的基本要求。電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)包括基本電磁量的測(cè)量及主要電磁測(cè)量儀器儀表的工作原理和使用方法兩部分。由于不同性質(zhì)的電磁量測(cè)量方法有很大差異，所用儀器也各不相同。因此，本文將主要分析數(shù)字式儀表在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 數(shù)字式儀表概述

數(shù)字式儀表是一種新型的電測(cè)儀表，在測(cè)量原理、儀器結(jié)構(gòu)和操作方法上都與指針式電表不同，數(shù)字儀表具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)。常有的有數(shù)字電壓表和電流表，其主要規(guī)格是：量程、內(nèi)阻、精確度。數(shù)字電壓表內(nèi)阻很高，一般在MΩ 以上，要注意的是其內(nèi)阻不能用統(tǒng)一的每伏歐姆數(shù)表示，說明書上會(huì)標(biāo)明各量程對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻。數(shù)字電流表具有內(nèi)阻低的特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中通常按照數(shù)字儀器的準(zhǔn)確度和精度，去數(shù)字儀器的分度值為數(shù)字儀器的儀器誤差。

2 數(shù)字式儀表在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 惠斯通電橋測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)

電橋法測(cè)量是一種十分重要的測(cè)量技術(shù)，因?yàn)殡姌蚍ň€路原理簡明，儀器結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛用于電磁測(cè)量和非電量測(cè)量。例如可以測(cè)量電阻、電容、電感、頻率、電壓、溫度等物理量，在現(xiàn)代自動(dòng)控制及儀器儀表中，通常利用電橋的這些特征進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制以及調(diào)試，電橋分為直流電橋和交流電橋，直流電橋有分為單臂電橋和雙臂電橋，其中單臂電橋就是惠斯通電橋，主要用于精確測(cè)量中值電阻。在此實(shí)驗(yàn)過程中，以往的平衡指示器采用的是指針式檢流計(jì)，如果采用數(shù)字電壓表，實(shí)驗(yàn)將會(huì)得到優(yōu)化完善。對(duì)比優(yōu)勢(shì)，第一，由于數(shù)字電壓表具有過載保護(hù)，即便電阻 初值不準(zhǔn)確，或者電路異常等情況下，對(duì)電壓表均不會(huì)產(chǎn)生破壞性影響。第二，應(yīng)用數(shù)字電壓表，其測(cè)量結(jié)果會(huì)直接將數(shù)值輸出，省略了數(shù)據(jù)估讀這一流程，可以有效避免讀數(shù)誤差。第三，數(shù)字電壓表最高速度可達(dá)到幾十萬次/秒，對(duì)比以往的測(cè)量表速度較快。第四，操作簡單，測(cè)量全程自動(dòng)化，可自主判斷極性，同時(shí)帶有微機(jī)處理器的數(shù)字儀表具有自動(dòng)校準(zhǔn)、校零、切換量限等功能，簡單便捷。第五，數(shù)字電壓表靈敏度高，分辨率能夠達(dá)到0.01μV。

2.2 電位差計(jì)校表實(shí)驗(yàn)

電位差計(jì)是測(cè)量電位差的儀器，精度高，在科研計(jì)量等部門得到了廣泛應(yīng)用，不僅可以測(cè)量直流電動(dòng)勢(shì)，還可以測(cè)量電流、電阻、功率等，同時(shí)還能夠通過轉(zhuǎn)換器件測(cè)量非電量。 傳統(tǒng)電位差計(jì)采用的是UJ37 型電位差計(jì)，應(yīng)用數(shù)字電壓表33D 型電位差計(jì)，可有效節(jié)省儀器費(fèi)用，因?yàn)椴槐夭捎脴?biāo)準(zhǔn)電池；測(cè)量更加方便、省時(shí)，節(jié)省調(diào)節(jié)時(shí)間，直接為UJ33D 讀出；其次，33D 型電位差計(jì)可避免工作電流帶來的系統(tǒng)誤差，在電路異常時(shí)，因?yàn)檫^載保護(hù)，可以避免電位差計(jì)被損毀。沒有讀數(shù)誤差、測(cè)量速度快、靈敏度度高，測(cè)量準(zhǔn)確度高，相比UJ37，UJ33D 的準(zhǔn)確度可達(dá)到滿意值的0.01%，最后是測(cè)量電壓值區(qū)域?qū)?，UJ37 和UJ33D 分別為1-103mV 和0-2500mV。

2.3 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在1879 年，霍普斯金大學(xué)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，置于磁場(chǎng)中的載流體，若電流方向和磁場(chǎng)垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)。近幾年，伴隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展，霍爾系數(shù)以及電導(dǎo)率的測(cè)量已經(jīng)成為研究半導(dǎo)體材料的重要方法之一，通過霍爾系數(shù)以及電導(dǎo)率，能夠獲取導(dǎo)電類型等參數(shù)，霍爾效應(yīng)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾器件應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，使用年限長，可靠性高，已經(jīng)被大范圍的使用在非電量測(cè)量方面。該實(shí)驗(yàn)以往主要用作于工作電流、霍耳電壓、勵(lì)磁電流的測(cè)量，常用的有指針式電流表和電壓表，應(yīng)用數(shù)字式電流表和電壓表不僅所占據(jù)體積小，而且和減小系統(tǒng)誤差、靈敏度高，和指針式相比，體積大約是指針式的1/5，測(cè)量速度快，更加節(jié)省時(shí)間。因?yàn)閿?shù)字儀表測(cè)量時(shí)間短，霍耳元件消耗的焦耳熱少，電阻變化就越小，因此，測(cè)量霍耳電壓UH 帶來的系統(tǒng)誤差自然也就越小?；魻栃?yīng)從本質(zhì)上來說，是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)只拿過受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)帶電粒子被約束在固體材料中時(shí)，這種便宜就會(huì)在垂直電流和磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，形成橫向電磁，即為霍爾電場(chǎng)。

2.4 沖擊電流計(jì)測(cè)電容、高電阻實(shí)驗(yàn)

沖擊電流計(jì)常被用于電量測(cè)量，而非電流，例如電路在短時(shí)間內(nèi)脈沖電流所遷移的電量、靜電電量等，因此，本質(zhì)上來看，是對(duì)脈沖電流的積分測(cè)量，同時(shí)也能夠間接測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容、電阻等。從前均采用機(jī)械式?jīng)_擊電流計(jì)進(jìn)行電容及高電阻測(cè)量，而應(yīng)用數(shù)字式?jīng)_擊電流計(jì)，可以不必安裝在墻上，大大節(jié)省了調(diào)節(jié)光路的繁瑣過程。和指針式相對(duì)比，數(shù)字式?jīng)_擊電流計(jì)所占據(jù)的空間是指針式的1/20，且不怕震動(dòng)，避免光路出現(xiàn)變化。在電路上更加簡便，省去了電磁阻尼開關(guān)，在恢復(fù)測(cè)量狀態(tài)上相對(duì)容易，只需按調(diào)零鍵就可以馬上回零。機(jī)械式?jīng)_擊電流計(jì)是人為讀數(shù)，因?yàn)榭陀^因素的存在，會(huì)有讀數(shù)誤差的情況存在，而數(shù)字式則可以很好的解決這一點(diǎn)，不用估讀數(shù)據(jù)，提高準(zhǔn)確度。在測(cè)量流程上，機(jī)械式在測(cè)量電量時(shí)，首先是得出沖擊常數(shù)，其次測(cè)量光標(biāo)移動(dòng)距離，通過計(jì)算最終才能得出電量值，而數(shù)字式在測(cè)量上十分簡便，可直接測(cè)出電量值。

3 結(jié)論

電磁學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，伴隨著庫侖定律等實(shí)驗(yàn)定律中提出，促使電磁學(xué)逐漸形成完整理論體系，不同電磁量測(cè)量方法差異較大，數(shù)字式儀表是用數(shù)字形式顯示測(cè)量結(jié)果的儀表，有機(jī)電式和電子式。本文對(duì)數(shù)字式儀表在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，總體來看，數(shù)字式儀表不僅可以用于上述實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還能夠用于磁場(chǎng)描繪實(shí)驗(yàn)、交流電橋、靜電場(chǎng)的描繪等等，對(duì)比傳統(tǒng)的指針儀表具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如所占體積小、可防止震動(dòng)、電路更加優(yōu)化、過載保護(hù)、測(cè)量簡便、準(zhǔn)確度高、能夠很好的和計(jì)算機(jī)配合等，具有和其他儀表、計(jì)算機(jī)連接的功能，通過輸出接口將結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，從而完成計(jì)算。