檢流計的特性研究

1、大學物理仿真實驗報告專業(yè)：能源動力與自動化專業(yè)班級：能動-21姓名：耶律楚材日期：一 實驗簡介:檢流計是磁電式儀表，它是根據(jù)載流線圈在磁場中受到力矩而偏轉德原理制成的。普通電表中線圈是安放在軸承上，用彈簧游絲來維持平衡，用指針來指示偏轉。由于軸承有摩擦，被測電流不能太弱。檢流計使用極細的金屬懸絲代替軸承懸掛在磁場中，由于懸絲細而長，反抗力矩很小，所以有很弱的電流通過線圈就足以使它產(chǎn)生顯著的偏轉。因而檢流計比一般的電流表靈敏的多，可以測量微電流（10-710-10A）或者微電壓（10-310-6V），如光電流、生理電流、溫差電動勢等。首次記錄神經(jīng)動作電位，就是用此類儀器實現(xiàn)的。檢流計的另一種用途

2、是平衡指零，即根據(jù)流過檢流計的電流是否為零來判斷電路是否平衡，它被廣泛使用在直流電橋和電位差計中。本實驗的目的就是為了了解磁電式檢流計的結構、原理和運動規(guī)律，測量臨界電阻，通過測量它的靈敏度和內阻，學習正確的使用方法。二實驗原理磁電式檢流計的結構以光點式檢流計為例，結構如圖 1和圖 2所示，檢流計由三部分組成：l 磁場部分：由永久磁鐵(N,S)產(chǎn)生磁場，圓柱形軟鐵心(J)使氣隙中磁場呈均勻輻射狀。l 偏轉部分：能在氣隙中轉動的矩形線圈C及從上下拉緊線圈的金屬張絲E,只要有很小的力矩作用，就能使線圈偏轉。l 讀數(shù)部分：小鏡M固定在動圈上，它把光源射進來的光束反射到標尺上形成一個光標，當電流流過動

3、圈時，動圈受力偏轉而帶動小鏡M轉過角，因而反射光束偏轉的角度為,光標在標尺上移動的距離，L為小鏡到標尺的距離。磁電式檢流計的結構以光點式檢流計為例，結構如圖 1和圖 2所示，檢流計由三部分組成：l 磁場部分：由永久磁鐵(N,S)產(chǎn)生磁場，圓柱形軟鐵心(J)使氣隙中磁場呈均勻輻射狀。l 偏轉部分：能在氣隙中轉動的矩形線圈C及從上下拉緊線圈的金屬張絲E,只要有很小的力矩作用，就能使線圈偏轉。l 讀數(shù)部分：小鏡M固定在動圈上，它把光源射進來的光束反射到標尺上形成一個光標，當電流流過動圈時，動圈受力偏轉而帶動小鏡M轉過角，因而反射光束偏轉的角度為,光標在標尺上移動的距離，L為小鏡到標尺的距離。檢流計的

4、工作原理當被測電流IG(或電壓)經(jīng)懸絲流過動圈時，載流動圈受到氣隙中永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(磁感應強度B)的作用。由于磁場是輻射裝的，因此手里的動圈不管偏轉到什么位置，B的方向總與l(即IG)的方向垂直，那么N匝載流動圈受到的總磁力矩為M = N B IG S= G IG&(1) 其中S為動圈面積，G = N B S 為檢流計的結構常數(shù)。在電磁力矩M的作用下動圈偏轉，同時懸絲受扭力而產(chǎn)生反作用力矩(扭轉力矩)，當作用在動圈上的電磁力矩和懸絲的反作用扭力矩平衡時，動圈停止偏轉，則 N B IG S W a (2) 為懸絲的扭轉系數(shù)，偏轉角a的大小由讀數(shù)裝置讀出，n = 2L a (3) 則(

5、4)或(5)CI稱為檢流計的電流常數(shù)或分度值，單位是A/mm。如果檢流計的結構已定，則CI為一定值。在使用中，W或其他結構參數(shù)可能有變化，所以必須用實驗測定CI。在實際中，也常用靈敏度SI來表示，即(6)SI的單位是mm/A。檢流計的運動狀態(tài)檢流計的動圈通電流后，除了受到電磁力矩和扭轉力矩的作用外，還存在空氣阻尼力矩和電磁阻尼力矩，而懸絲是彈性材料制成，若動圈的轉動慣量為J，則動圈運動狀態(tài)(7)或(8)其中稱為衰減系數(shù)，為阻尼系數(shù)，為固有角頻率，根據(jù)衰減系數(shù)的不同，有不同的運動狀態(tài)：欠阻尼狀態(tài)(b < wo 時):公式8的解為: (9) 其中aF = G IG / W , 。 此時外電阻

6、R較大，動圈以平衡位置aF為中心作一衰減振動，并且逐漸趨緊于平衡位置，運動曲線如圖中的曲線I。特別當外電路斷開和無空氣阻尼(D=0)時候，動圈為無阻尼運動，以平衡位置aF為中心作等幅振動，運動曲線如圖中的曲線IV。實際實驗中由于空氣阻尼D很小，當外電路斷開時動圈以位置aF為中心作一衰減系數(shù)很小的振動。臨界阻尼狀態(tài)(b wo 時):公式8的解為: (10)其中aF = G IG / W 。動圈無振動的很快達到平衡位置，此時的外電阻稱為臨界電阻Rc,它的運動曲線如圖2.1.1-3中的曲線II。一般來說，檢流計的臨界阻尼狀態(tài)是它的理想工作狀態(tài)。 過阻尼狀態(tài)(b > wo ,即R0<Rc)

7、。公式8的解為:(11)其中aF = G IG / W , 。此時動圈也是做單向偏轉運動，緩慢的趨向平衡位置aF , 運動曲線如圖中的曲線III。R越小，到達平衡位置的時間越長。因為過阻尼運動中，動圈到達平衡的時間長，而且不易判斷動圈是否到達平衡位置，因此它對于測量是不利的。測量電路由于檢流計很靈敏，一般通過電流不能超過1uA,在實際測量中常采用圖的電路。電壓經(jīng)過兩次分壓后得到很小的電壓(常小于1mV)后才加到檢流計電路中。第一次采用滑線變阻器分壓，第二次采用固定電阻的數(shù)量級分壓。K2是換向開關，用它可以變換過檢流計的電流方向，K3是阻尼開關，將它合上就可以將檢流計短路，檢流計的動圈就停止振動

8、。如圖4，我們得到IG ( RG+RKP ) = ( I-IG )R1(12) (13)因為R1<<R0,所以 (14)電流常數(shù) (15)加在開關K2兩端的電壓，由于RG+RKP>> R1,由公式（11）得到(16)檢流計電壓常數(shù) (17)檢流計的工作原理當被測電流IG(或電壓)經(jīng)懸絲流過動圈時，載流動圈受到氣隙中永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(磁感應強度B)的作用。由于磁場是輻射裝的，因此手里的動圈不管偏轉到什么位置，B的方向總與l(即IG)的方向垂直，那么N匝載流動圈受到的總磁力矩為M = N B IG S= G IG&(1) 其中S為動圈面積，G = N B S 為檢

9、流計的結構常數(shù)。在電磁力矩M的作用下動圈偏轉，同時懸絲受扭力而產(chǎn)生反作用力矩(扭轉力矩)，當作用在動圈上的電磁力矩和懸絲的反作用扭力矩平衡時，動圈停止偏轉，則 N B IG S W a (2) 為懸絲的扭轉系數(shù)，偏轉角a的大小由讀數(shù)裝置讀出，n = 2L a (3) 則(4)或(5)CI稱為檢流計的電流常數(shù)或分度值，單位是A/mm。如果檢流計的結構已定，則CI為一定值。在使用中，W或其他結構參數(shù)可能有變化，所以必須用實驗測定CI。在實際中，也常用靈敏度SI來表示，即(6)SI的單位是mm/A。檢流計的運動狀態(tài)檢流計的動圈通電流后，除了受到電磁力矩和扭轉力矩的作用外，還存在空氣阻尼力矩和電磁阻尼

10、力矩，而懸絲是彈性材料制成，若動圈的轉動慣量為J，則動圈運動狀態(tài)(7)或(8)其中稱為衰減系數(shù)，為阻尼系數(shù)，為固有角頻率，根據(jù)衰減系數(shù)的不同，有不同的運動狀態(tài)：欠阻尼狀態(tài)(b < wo 時):公式8的解為: (9) 其中aF = G IG / W , 。 此時外電阻R較大，動圈以平衡位置aF為中心作一衰減振動，并且逐漸趨緊于平衡位置，運動曲線如圖中的曲線I。特別當外電路斷開和無空氣阻尼(D=0)時候，動圈為無阻尼運動，以平衡位置aF為中心作等幅振動，運動曲線如圖中的曲線IV。實際實驗中由于空氣阻尼D很小，當外電路斷開時動圈以位置aF為中心作一衰減系數(shù)很小的振動。臨界阻尼狀態(tài)(b wo 時

11、):公式8的解為: (10)其中aF = G IG / W 。動圈無振動的很快達到平衡位置，此時的外電阻稱為臨界電阻Rc,它的運動曲線如圖2.1.1-3中的曲線II。一般來說，檢流計的臨界阻尼狀態(tài)是它的理想工作狀態(tài)。 過阻尼狀態(tài)(b > wo ,即R0<Rc)。公式8的解為:(11)其中aF = G IG / W , 。此時動圈也是做單向偏轉運動，緩慢的趨向平衡位置aF , 運動曲線如圖中的曲線III。R越小，到達平衡位置的時間越長。因為過阻尼運動中，動圈到達平衡的時間長，而且不易判斷動圈是否到達平衡位置，因此它對于測量是不利的。測量電路由于檢流計很靈敏，一般通過電流不能超過1uA

12、,在實際測量中常采用圖的電路。電壓經(jīng)過兩次分壓后得到很小的電壓(常小于1mV)后才加到檢流計電路中。第一次采用滑線變阻器分壓，第二次采用固定電阻的數(shù)量級分壓。K2是換向開關，用它可以變換過檢流計的電流方向，K3是阻尼開關，將它合上就可以將檢流計短路，檢流計的動圈就停止振動。如圖4，我們得到IG ( RG+RKP ) = ( I-IG )R1(12) (13)a) 因為R1<<R0,所以 (14)電流常數(shù) (15)加在開關K2兩端的電壓，由于RG+RKP>> R1,由公式（11）得到(16)檢流計電壓常數(shù) (17)三實驗內容 按照圖 4 接好線路，取的比例。將檢流計上的開

13、關撥到“直接”檔。1.觀察檢流計運動狀態(tài)并測量臨界電阻。合上開關K1,調節(jié)變阻器R使得光標偏轉至60mm,斷開K1使檢流計處于測量狀態(tài)。(1) 根據(jù)臨界阻尼的工作狀態(tài)要求，測量臨界電阻Rc。(2) 選取Rkp分別為時，判別檢流計的運動狀態(tài)，測出光標第一次回到自然平衡位置(零點)的時間和最終達到平衡位置的阻尼時間（每種狀態(tài)測兩次）。在上述操作中，選取合適的R0/R1,使得光標偏轉60mm。2.測量檢流計的電流常數(shù)CI和電壓常數(shù)CV。(1) 選擇Rkp= Rc,使檢流計工作在臨界狀態(tài)，選擇合適的R0/R1,調節(jié)滑線變阻器R，使光標n=60mm,記下對應的刻度n1和電壓V01,然后將開關K2迅速倒向

14、，記下反方向偏轉n1。(2) 調節(jié)變阻器R,使得光標每次減少5mm,重復(1)的步驟，得到一組ni、ni 和V0i的數(shù)據(jù)。(3) 由,做出n-V曲線，求出K=Dn/DV,帶入(15)和(17),計算CI和CV。3測量阻尼時間Tc阻尼時間Tc是指在臨界狀態(tài)下，檢流計從最大偏轉位置(如60mm)到達穩(wěn)定平衡位置需要的時間，斷開開關K1,測量三次Tc。4.根據(jù)步驟2的數(shù)據(jù)，求最大偏轉(60mm)時的。5.測量Rkp= 0.5Rc和2Rc及滿偏60mm時的CI和CV。四實驗儀器 AC-15/3-6直流復射式檢流計(光點檢流計)、滑線電阻、電壓表、電阻箱、開關等。AC-15/3-6直流檢流計是屬于便攜型

15、磁電式結構。它的測量機構工作原理是基于有電流經(jīng)過線圈與永久磁鐵磁場間的互相作用，活動線圈放置在軟鐵所制成的鐵心及永久磁鐵中間，當有電流通過導電游絲，拉絲而經(jīng)過線圈時，檢流計活動部分產(chǎn)生轉矩而轉動，檢流計活動部分偏轉的角度依通過線圈的電流值，拉絲及導電游絲的反作用力矩所決定。由于檢流計極其靈敏，一般通過的電流不能超過1A，否則要損壞檢流計，在實際測量電路中，電壓經(jīng)兩次分壓后得到很小的電壓（常小于1A）才加到檢流計電路中去，第一次就用滑線電阻器分壓。五數(shù)據(jù)處理1.測量得到,3066.7460092001840027600t/s7.555.231.465.086.497.425.031.515.016.612. 時, , , 60555045403551.046.041.035.530.52655.550.545.540.2535.2530.53.453.202.852.552.201.90n-V曲線K=15.90269mm/V Uk=0.32835 C1=6.46806*10(-10) Cv=6.28762*10(-10)滿偏時：其中： 電阻箱誤差所以帶入得3.測量 4. 時, , , 60555045403550.546.041.036.031.025.055.2550.545.540.535.530.01.801.651.451.301