數字式儀表在電磁學實驗中的應用

潘良屯

（黔南民族師范學院，貴州 都勻558000）

電磁學是現代科學技術的重要組成部分, 電磁測量也是現代生產和科學研究中應用最廣泛的測量方法，由此發展起來的電工技術和電子技術廣泛應用于農業、工業、交通、通訊、國防以及科學技術的各個領域，并且已經深入到家用設備，對國計民生有十分重要的意義。掌握電磁學實驗研究的基本方法已成為各學科領域的基本要求。電磁學實驗包括基本電磁量的測量及主要電磁測量儀器儀表的工作原理和使用方法兩部分。由于不同性質的電磁量測量方法有很大差異，所用儀器也各不相同。因此，本文將主要分析數字式儀表在電磁學實驗中的應用。

1 數字式儀表概述

數字式儀表是一種新型的電測儀表，在測量原理、儀器結構和操作方法上都與指針式電表不同，數字儀表具有靈敏度高、準確度高、測量速度快的優點。常有的有數字電壓表和電流表，其主要規格是：量程、內阻、精確度。數字電壓表內阻很高，一般在MΩ 以上，要注意的是其內阻不能用統一的每伏歐姆數表示，說明書上會標明各量程對應的內阻。數字電流表具有內阻低的特點。在實驗中通常按照數字儀器的準確度和精度，去數字儀器的分度值為數字儀器的儀器誤差。

2 數字式儀表在電磁學實驗中的應用

2.1 惠斯通電橋測電阻實驗

電橋法測量是一種十分重要的測量技術，因為電橋法線路原理簡明，儀器結構簡單，被廣泛用于電磁測量和非電量測量。例如可以測量電阻、電容、電感、頻率、電壓、溫度等物理量，在現代自動控制及儀器儀表中，通常利用電橋的這些特征進行設計、控制以及調試，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，主要用于精確測量中值電阻。在此實驗過程中，以往的平衡指示器采用的是指針式檢流計，如果采用數字電壓表，實驗將會得到優化完善。對比優勢，第一，由于數字電壓表具有過載保護，即便電阻 初值不準確，或者電路異常等情況下，對電壓表均不會產生破壞性影響。第二，應用數字電壓表，其測量結果會直接將數值輸出，省略了數據估讀這一流程，可以有效避免讀數誤差。第三，數字電壓表最高速度可達到幾十萬次/秒，對比以往的測量表速度較快。第四，操作簡單，測量全程自動化，可自主判斷極性，同時帶有微機處理器的數字儀表具有自動校準、校零、切換量限等功能，簡單便捷。第五，數字電壓表靈敏度高，分辨率能夠達到0.01μV。

2.2 電位差計校表實驗

電位差計是測量電位差的儀器，精度高，在科研計量等部門得到了廣泛應用，不僅可以測量直流電動勢，還可以測量電流、電阻、功率等，同時還能夠通過轉換器件測量非電量。 傳統電位差計采用的是UJ37 型電位差計，應用數字電壓表33D 型電位差計，可有效節省儀器費用，因為不必采用標準電池；測量更加方便、省時，節省調節時間，直接為UJ33D 讀出；其次，33D 型電位差計可避免工作電流帶來的系統誤差，在電路異常時，因為過載保護，可以避免電位差計被損毀。沒有讀數誤差、測量速度快、靈敏度度高，測量準確度高，相比UJ37，UJ33D 的準確度可達到滿意值的0.01%，最后是測量電壓值區域寬，UJ37 和UJ33D 分別為1-103mV 和0-2500mV。

2.3 霍爾效應實驗

在1879 年，霍普斯金大學發現了霍爾效應，置于磁場中的載流體，若電流方向和磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產生一附加的橫向電場。近幾年，伴隨著半導體物理學的發展，霍爾系數以及電導率的測量已經成為研究半導體材料的重要方法之一，通過霍爾系數以及電導率，能夠獲取導電類型等參數，霍爾效應隨著電子技術的發展，霍爾器件應運而生，因為結構簡單，使用年限長，可靠性高，已經被大范圍的使用在非電量測量方面。該實驗以往主要用作于工作電流、霍耳電壓、勵磁電流的測量，常用的有指針式電流表和電壓表，應用數字式電流表和電壓表不僅所占據體積小，而且和減小系統誤差、靈敏度高，和指針式相比，體積大約是指針式的1/5，測量速度快，更加節省時間。因為數字儀表測量時間短，霍耳元件消耗的焦耳熱少，電阻變化就越小，因此，測量霍耳電壓UH 帶來的系統誤差自然也就越小?；魻栃獜谋举|上來說，是運動的帶電粒子在磁場只拿過受洛侖茲力作用而引起的偏轉，當帶電粒子被約束在固體材料中時，這種便宜就會在垂直電流和磁場方向上產生正負電荷的聚積，形成橫向電磁，即為霍爾電場。

2.4 沖擊電流計測電容、高電阻實驗

沖擊電流計常被用于電量測量，而非電流，例如電路在短時間內脈沖電流所遷移的電量、靜電電量等，因此，本質上來看，是對脈沖電流的積分測量，同時也能夠間接測量磁感應強度、電容、電阻等。從前均采用機械式沖擊電流計進行電容及高電阻測量，而應用數字式沖擊電流計，可以不必安裝在墻上，大大節省了調節光路的繁瑣過程。和指針式相對比，數字式沖擊電流計所占據的空間是指針式的1/20，且不怕震動，避免光路出現變化。在電路上更加簡便，省去了電磁阻尼開關，在恢復測量狀態上相對容易，只需按調零鍵就可以馬上回零。機械式沖擊電流計是人為讀數，因為客觀因素的存在，會有讀數誤差的情況存在，而數字式則可以很好的解決這一點，不用估讀數據，提高準確度。在測量流程上，機械式在測量電量時，首先是得出沖擊常數，其次測量光標移動距離，通過計算最終才能得出電量值，而數字式在測量上十分簡便，可直接測出電量值。

3 結論

電磁學以實驗為基礎，伴隨著庫侖定律等實驗定律中提出，促使電磁學逐漸形成完整理論體系，不同電磁量測量方法差異較大，數字式儀表是用數字形式顯示測量結果的儀表，有機電式和電子式。本文對數字式儀表在電磁學實驗中的應用進行了分析，總體來看，數字式儀表不僅可以用于上述實驗，同時還能夠用于磁場描繪實驗、交流電橋、靜電場的描繪等等，對比傳統的指針儀表具有顯著優勢，例如所占體積小、可防止震動、電路更加優化、過載保護、測量簡便、準確度高、能夠很好的和計算機配合等，具有和其他儀表、計算機連接的功能，通過輸出接口將結果輸入計算機，從而完成計算。