数字式仪表在电磁学实验中的应用

潘良屯

（黔南民族师范学院，贵州 都匀558000）

电磁学是现代科学技术的重要组成部分, 电磁测量也是现代生产和科学研究中应用最广泛的测量方法，由此发展起来的电工技术和电子技术广泛应用于农业、工业、交通、通讯、国防以及科学技术的各个领域，并且已经深入到家用设备，对国计民生有十分重要的意义。掌握电磁学实验研究的基本方法已成为各学科领域的基本要求。电磁学实验包括基本电磁量的测量及主要电磁测量仪器仪表的工作原理和使用方法两部分。由于不同性质的电磁量测量方法有很大差异，所用仪器也各不相同。因此，本文将主要分析数字式仪表在电磁学实验中的应用。

1 数字式仪表概述

数字式仪表是一种新型的电测仪表，在测量原理、仪器结构和操作方法上都与指针式电表不同，数字仪表具有灵敏度高、准确度高、测量速度快的优点。常有的有数字电压表和电流表，其主要规格是：量程、内阻、精确度。数字电压表内阻很高，一般在MΩ 以上，要注意的是其内阻不能用统一的每伏欧姆数表示，说明书上会标明各量程对应的内阻。数字电流表具有内阻低的特点。在实验中通常按照数字仪器的准确度和精度，去数字仪器的分度值为数字仪器的仪器误差。

2 数字式仪表在电磁学实验中的应用

2.1 惠斯通电桥测电阻实验

电桥法测量是一种十分重要的测量技术，因为电桥法线路原理简明，仪器结构简单，被广泛用于电磁测量和非电量测量。例如可以测量电阻、电容、电感、频率、电压、温度等物理量，在现代自动控制及仪器仪表中，通常利用电桥的这些特征进行设计、控制以及调试，电桥分为直流电桥和交流电桥，直流电桥有分为单臂电桥和双臂电桥，其中单臂电桥就是惠斯通电桥，主要用于精确测量中值电阻。在此实验过程中，以往的平衡指示器采用的是指针式检流计，如果采用数字电压表，实验将会得到优化完善。对比优势，第一，由于数字电压表具有过载保护，即便电阻 初值不准确，或者电路异常等情况下，对电压表均不会产生破坏性影响。第二，应用数字电压表，其测量结果会直接将数值输出，省略了数据估读这一流程，可以有效避免读数误差。第三，数字电压表最高速度可达到几十万次/秒，对比以往的测量表速度较快。第四，操作简单，测量全程自动化，可自主判断极性，同时带有微机处理器的数字仪表具有自动校准、校零、切换量限等功能，简单便捷。第五，数字电压表灵敏度高，分辨率能够达到0.01μV。

2.2 电位差计校表实验

电位差计是测量电位差的仪器，精度高，在科研计量等部门得到了广泛应用，不仅可以测量直流电动势，还可以测量电流、电阻、功率等，同时还能够通过转换器件测量非电量。 传统电位差计采用的是UJ37 型电位差计，应用数字电压表33D 型电位差计，可有效节省仪器费用，因为不必采用标准电池；测量更加方便、省时，节省调节时间，直接为UJ33D 读出；其次，33D 型电位差计可避免工作电流带来的系统误差，在电路异常时，因为过载保护，可以避免电位差计被损毁。没有读数误差、测量速度快、灵敏度度高，测量准确度高，相比UJ37，UJ33D 的准确度可达到满意值的0.01%，最后是测量电压值区域宽，UJ37 和UJ33D 分别为1-103mV 和0-2500mV。

2.3 霍尔效应实验

在1879 年，霍普斯金大学发现了霍尔效应，置于磁场中的载流体，若电流方向和磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场。近几年，伴随着半导体物理学的发展，霍尔系数以及电导率的测量已经成为研究半导体材料的重要方法之一，通过霍尔系数以及电导率，能够获取导电类型等参数，霍尔效应随着电子技术的发展，霍尔器件应运而生，因为结构简单，使用年限长，可靠性高，已经被大范围的使用在非电量测量方面。该实验以往主要用作于工作电流、霍耳电压、励磁电流的测量，常用的有指针式电流表和电压表，应用数字式电流表和电压表不仅所占据体积小，而且和减小系统误差、灵敏度高，和指针式相比，体积大约是指针式的1/5，测量速度快，更加节省时间。因为数字仪表测量时间短，霍耳元件消耗的焦耳热少，电阻变化就越小，因此，测量霍耳电压UH 带来的系统误差自然也就越小。霍尔效应从本质上来说，是运动的带电粒子在磁场只拿过受洛仑兹力作用而引起的偏转，当带电粒子被约束在固体材料中时，这种便宜就会在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，形成横向电磁，即为霍尔电场。

2.4 冲击电流计测电容、高电阻实验

冲击电流计常被用于电量测量，而非电流，例如电路在短时间内脉冲电流所迁移的电量、静电电量等，因此，本质上来看，是对脉冲电流的积分测量，同时也能够间接测量磁感应强度、电容、电阻等。从前均采用机械式冲击电流计进行电容及高电阻测量，而应用数字式冲击电流计，可以不必安装在墙上，大大节省了调节光路的繁琐过程。和指针式相对比，数字式冲击电流计所占据的空间是指针式的1/20，且不怕震动，避免光路出现变化。在电路上更加简便，省去了电磁阻尼开关，在恢复测量状态上相对容易，只需按调零键就可以马上回零。机械式冲击电流计是人为读数，因为客观因素的存在，会有读数误差的情况存在，而数字式则可以很好的解决这一点，不用估读数据，提高准确度。在测量流程上，机械式在测量电量时，首先是得出冲击常数，其次测量光标移动距离，通过计算最终才能得出电量值，而数字式在测量上十分简便，可直接测出电量值。

3 结论

电磁学以实验为基础，伴随着库仑定律等实验定律中提出，促使电磁学逐渐形成完整理论体系，不同电磁量测量方法差异较大，数字式仪表是用数字形式显示测量结果的仪表，有机电式和电子式。本文对数字式仪表在电磁学实验中的应用进行了分析，总体来看，数字式仪表不仅可以用于上述实验，同时还能够用于磁场描绘实验、交流电桥、静电场的描绘等等，对比传统的指针仪表具有显著优势，例如所占体积小、可防止震动、电路更加优化、过载保护、测量简便、准确度高、能够很好的和计算机配合等，具有和其他仪表、计算机连接的功能，通过输出接口将结果输入计算机，从而完成计算。