實(shí)驗(yàn)五、靈敏電流計(jì)特性的研究

實(shí)驗(yàn)五、靈敏電流計(jì)特性的研究靈敏電流計(jì)是一種用途十分廣泛的高靈敏度的直讀式磁電式儀表。它常常用來測量微弱電流（10-5?10-10A），如生理電流、光電流等。還可用它來測量微弱電壓（10-5~10-6V）,如溫差電動(dòng)勢等。正因?yàn)殪`敏電流計(jì)有較高的靈敏度，所以常用它做為電橋和電位差計(jì)中的平衡指示儀（也稱檢流計(jì)）。靈敏電流計(jì)在獲得高靈敏度的同時(shí)，伴隨帶來了如何控制電流計(jì)指示迅速穩(wěn)定和迅速回零的問題，因此，有必要了解靈敏電流計(jì)線圈在磁場中的運(yùn)動(dòng)特性，最佳工作狀態(tài)，以及它的內(nèi)阻和靈敏度等。靈敏電流計(jì)的種類較多，現(xiàn)以常用的直流復(fù)射式檢流計(jì)（AC15型）為例，了解靈敏電流計(jì)的基本構(gòu)造、工作原理、主要參數(shù)的測定及正確使用方法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解靈敏電流計(jì)的構(gòu)造和工作原理。（2）并觀察在過阻尼、欠阻尼及臨界阻尼下的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（3）掌握測定靈敏電流計(jì)內(nèi)阻和靈敏度的方法。（4）學(xué)習(xí)正確使用靈敏電流計(jì)的方法。儀器和用具圖1.靈敏電流計(jì)的構(gòu)造AC15型直流復(fù)射式靈敏電流計(jì)、ZX21直流電阻箱（2個(gè)）、DM—V9數(shù)字電壓表、BZ3標(biāo)準(zhǔn)電阻器（1Q）、WYT—10直流電源、BX—7型滑線變阻器（0?100Q）、雙刀雙擲開關(guān)（1個(gè)）、單刀雙擲開關(guān)（2個(gè)）、秒表（1塊），fx-3600p圖1.靈敏電流計(jì)的構(gòu)造實(shí)驗(yàn)原理一、靈敏電流計(jì)的構(gòu)造原理靈敏電流計(jì)的構(gòu)造如（圖1）所示。它由一個(gè)多匝線圈和宙-2靈敏電菟沖中線凰博電轉(zhuǎn)動(dòng)曲嵐的棉示方蟲宙-2靈敏電菟沖中線凰博電轉(zhuǎn)動(dòng)曲嵐的棉示方蟲在靈敏電流計(jì)中，線圈通電轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不用指針來指示，而采用光學(xué)放大的方法來指示，如（圖2）所示，在線圈上端的金屬絲裝置了一個(gè)小平面鏡M，由光源S向這小鏡M射來一束定向的聚焦平行光。這束光經(jīng)小鏡M反射后，投影到以轉(zhuǎn)軸00/為中心的弧形標(biāo)尺BD上,并形成一個(gè)有黑色準(zhǔn)線象的光標(biāo)（以下簡稱光標(biāo)），當(dāng)有微弱電流通過線圈，線圈在磁場中磁力作用下，和小鏡m一起轉(zhuǎn)過e角時(shí)，光標(biāo)則轉(zhuǎn)過20角，光標(biāo)中央的黑色準(zhǔn)線象在標(biāo)尺上移動(dòng)的距離為d二219（1）

式中1為小鏡M到標(biāo)尺BD的距離。由此可知，光標(biāo)中央的準(zhǔn)線在標(biāo)上移動(dòng)的距圖、2AC15直疣復(fù)射式靈敏電疣計(jì)的光路1-標(biāo)尺圖、2AC15直疣復(fù)射式靈敏電疣計(jì)的光路1-標(biāo)尺2-球面反射領(lǐng)3-燈泡「凸透鏡「光闌A反向號T-固走反向鏡A可動(dòng)反射鏡9-電疣線圈張絲另外由式(1)可知，對同樣大小的偏轉(zhuǎn)角e來說，如果鏡面M到標(biāo)尺BD之間的距離L越大,則光標(biāo)移動(dòng)距離d越大，這樣一來又可以提高電流計(jì)的靈敏度。實(shí)驗(yàn)上，為了增大L，又不致于使電流計(jì)的外形尺寸過大，可以使光源射出的聚焦平行光經(jīng)多次反射后再投射到標(biāo)尺上，從而達(dá)到了使電流的靈敏度進(jìn)一步提高的目的。如(圖3)所示的AC15型直流復(fù)射式靈敏電流計(jì)的光路就是這樣設(shè)計(jì)的。二、靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)特性當(dāng)有待測電流I通過線圈時(shí)，由于磁場的作用，線圈將會受到一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩Mf的作用而偏轉(zhuǎn)。因線圈在徑向分布的勻強(qiáng)磁場中旋轉(zhuǎn)，無論線圈轉(zhuǎn)到什么位置，它所遇到的磁感應(yīng)線總是在線圈本身所在的平面內(nèi)。所以線圈的兩豎直邊所受的磁力F永遠(yuǎn)垂直線圈本身所在的平面。如圖4所示。由電磁學(xué)原理可知，：.二孫陽小.皆和空磁偏力矩MfTOC\o"1-5"\h\zMf=NISB(2)式中N、S為線圈的匝數(shù)和面積，B為磁極和軟鐵芯空隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度。與此同時(shí)，懸掛線圈的張絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，因而產(chǎn)生了與磁力矩Mf相反的恢復(fù)彈力矩Mr,以阻止線圈的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。Mr的大小與線圈的偏轉(zhuǎn)角e面正比，即rrM=-De(3)r式中d是張絲的扭轉(zhuǎn)常數(shù)。當(dāng)通電線圈轉(zhuǎn)到某一位置e達(dá)到平衡時(shí)，光標(biāo)所指示的位置就是磁力矩與恢復(fù)力矩相等的地方，所以有NISB=De，即式中9=d2。代入得:NSB(4)NSB(4)1=爲(wèi)〃⑸令K=D2NSBl，則有I二Kd(6)上式中K稱為電流計(jì)常數(shù)，在數(shù)值上等于在標(biāo)尺上移動(dòng)一個(gè)單位長度時(shí)通過電流計(jì)的電流值。單位為A/mm，K的倒數(shù)Si=1/K稱為電流計(jì)的靈敏度，單位是mm/A。K或S.決定于電流計(jì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于光標(biāo)在標(biāo)尺上的偏轉(zhuǎn)量d與通過電流計(jì)線圈的電流值I成正比，這就保證了靈敏電流計(jì)標(biāo)尺上的分度刻度是均勻的。在一般的指針式電表中，由于機(jī)械摩擦阻力較大，加之采用平衡結(jié)構(gòu)(游絲)能使指針很快停止在平衡位置上。而靈敏電流計(jì)的線圈是用金屬絲懸掛的，線圈的運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)械阻尼很小，如果線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度較大，光標(biāo)不會立即停止

在平衡位置，而會在該位置附近作振動(dòng)，需要一段時(shí)間才能停止。如何使光標(biāo)很快停住呢？此問題是用控制電磁阻尼來解決的。這里的平衡有兩層意思，一是通電流后如何迅速達(dá)到穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)；另一是在切斷電源后如何迅速返回到零點(diǎn)。電流計(jì)工作時(shí)總是由內(nèi)阻RG外電路上總電阻RN構(gòu)成閉合回路，由電磁感GN應(yīng)定律可知，線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并在回路中形成感應(yīng)電流。這個(gè)電流與磁場相互作用產(chǎn)生了阻止線圈運(yùn)動(dòng)的電磁阻尼力矩Ml，此力矩與恢復(fù)力矩叫同方向，ml的大小與電路的總電阻rg+rn成反比，即M*(5-7)LR+RGN式中RG為電流計(jì)的內(nèi)阻，RN是外電路的總電阻，在GN數(shù)值上等于(圖5)間的總電阻。由式(5-7)知，只要控制外電阻RN的大小，就控制了電磁阻尼力矩ml的大小，從而也就控制了線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。線圈的運(yùn)動(dòng)可分為三種狀態(tài)，如圖6所示。當(dāng)外電阻RN較大時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流的影響較小，所發(fā)產(chǎn)生的阻尼力矩ML較小，這時(shí)線圈的偏轉(zhuǎn)帶光標(biāo)在標(biāo)尺上圍繞平衡位置作振幅逐漸衰減的阻尼振動(dòng)，需要較長時(shí)間才能穩(wěn)定在平衡位置上。rn越大，ml越小，線圈作阻尼振動(dòng)的時(shí)間較長，線圈的這種狀態(tài)稱為欠阻尼狀態(tài)。如圖6中曲線①所示。當(dāng)RN較小時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流的影響較大，所以產(chǎn)生的阻尼力矩ML較大，線圈作緩慢的非周斯性運(yùn)動(dòng)，光標(biāo)經(jīng)較長時(shí)間才趨向平衡位置。rn越小，ml越大，有時(shí)還很難判斷光標(biāo)是否達(dá)到平衡位置。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為過阻尼狀態(tài)。如圖6中曲線②所示。利用過阻尼現(xiàn)象可在電流計(jì)兩端并聯(lián)一開關(guān)，當(dāng)合上開關(guān)時(shí)，R=0,M最大，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)需要光標(biāo)在零位置附近停下，這給實(shí)驗(yàn)帶來很大方便。通常稱具有這種作用的開關(guān)為阻尼開關(guān)。另外，靈敏電流計(jì)搬運(yùn)或停止時(shí)，均可接通阻尼開關(guān)使線圈短路，讓其處于過阻尼狀態(tài)，可護(hù)電流計(jì)。當(dāng)R大小適當(dāng)時(shí)，線圈很快達(dá)到平衡位N置而又不發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)M適中，光標(biāo)的偏轉(zhuǎn)量隨時(shí)間單調(diào)上升，并且很快地穩(wěn)定在平衡位置上，如圖5-6中曲線③所示。線圈的這種工作狀態(tài)稱為臨界工作狀態(tài)，相應(yīng)的R稱為臨界電阻。顯然電流計(jì)N的臨界阻尼狀態(tài)是最理想的工作狀態(tài)，因它能最迅速地對路電路中的電流變化作出反應(yīng)。所以在測量技術(shù)中，常使電流計(jì)工作在臨界阻尼狀態(tài)或接近臨界工作狀態(tài)。上面分析了電路中待測電流在通入電流計(jì)時(shí)，電流計(jì)線圈的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。不難看出，當(dāng)電流計(jì)在突然斷開電流以后，線圈速帶動(dòng)光標(biāo)要返回到標(biāo)尺上為零的平衡位置。這時(shí)，電流計(jì)線圈運(yùn)動(dòng)的規(guī)律與電流計(jì)在通電時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似，如圖7中三條曲線所示。

三、靈敏電流計(jì)主要參數(shù)的測定雖然電流計(jì)常數(shù)K、內(nèi)阻RG、外臨界電阻RC一般在電流計(jì)銘牌上是標(biāo)出的,但在電流計(jì)使用一段時(shí)間或維修調(diào)整后，有必要作出新的測定。由于通常的直流低壓電源的電動(dòng)勢已超過靈敏電流計(jì)所能承受的電壓,故需二次分壓才能獲得適宜而且可調(diào)的電壓。通常利用圖8所示的電路,第一級分壓由滑線變阻器R組成，它從電源分出電壓U,然后加到由電阻R和R0(R1>>R0)！010組成的第二級分壓器中，第二次分壓在R0兩端取得，在R0上取得的電壓U0足夠小然后通過與電流計(jì)串聯(lián)的電阻R將U加到電流計(jì)兩端。在實(shí)驗(yàn)中R—般201用電阻箱充當(dāng)，其值一般取幾千歐或幾十千歐。R用標(biāo)準(zhǔn)電阻充當(dāng)，其值取1歐到幾歐。一般R+R的值約在幾百歐到幾千歐0只要改變R阻值的大小，經(jīng)過二次分壓，加在R兩端的電壓為0二次分壓電路從而式(8)經(jīng)過二次分壓，加在R兩端的電壓為0二次分壓電路從而式(8)R/U=0U(8)oR+R'1002式中R,為BC間的總電阻，其阻值應(yīng)等于R，R,的等效電阻02(R+R)RR=2G0通常R>>R0,G00R+R+R2通常R>>R0,G0故R，~R，又R>>R,0010RRU祖0U祖—UoR+RR101式(9)表示第二級分壓幾乎不受電流計(jì)支路的影響。此時(shí)，通過電流計(jì)的電流I為：I=0=0=Kd(10)GR+RR(R+R)TOC\o"1-5"\h\z2G12GR可得R=-R+—U(11a)2gKdR1即R=A+BU(11b)2式中A=-rg；B=KdR。上式表明R2與U成線性關(guān)系。測量時(shí)可用等偏法,1當(dāng)U=U時(shí)，調(diào)R=R，使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)一定的格數(shù)d,以后改變電壓為U,12212同時(shí)調(diào)節(jié)R使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)d不變，這樣可以取得一系列數(shù)據(jù)2U=UU,U…123R=R，R，R2212223利用這些數(shù)據(jù)可求得R,?和3.的數(shù)值。Gi此外，在已知Rg的情況下，可以用臨界阻尼法進(jìn)行測量（即取R二R/。當(dāng)U=U，讀出光標(biāo)偏轉(zhuǎn)4]，以后依次降低分壓U,可取得一系列數(shù)據(jù)。C11U二U,U,U…123d=d,d,d?…123（其中d為左右偏轉(zhuǎn)的平均值）同時(shí)記錄R，R，R，即可求得K，S],此法因在臨界阻尼狀態(tài)下進(jìn)行，所以速度較快。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1．復(fù)射式光點(diǎn)電流計(jì)的水平和零點(diǎn)調(diào)節(jié)（1）將電流計(jì)調(diào)成水平。（2）接通電流計(jì)的照明電源，調(diào)零點(diǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，使光標(biāo)中心線與標(biāo)尺零點(diǎn)重合（在接近重合時(shí)可手動(dòng)調(diào)標(biāo)尺與光標(biāo)中心線重合）。2．觀察電流計(jì)的阻尼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)按圖8所示電路圖聯(lián)接好電路，先斷開K,K和《,經(jīng)過檢查電路無誤123后，再進(jìn)行以下練習(xí)。選把AC15型電流計(jì)的“分流器”置于“直接”檔（在這個(gè)檔位上，電流計(jì)內(nèi)部無串、并聯(lián)電阻），然后根據(jù)電流計(jì)銘牌上給出的外臨界電阻R之值，取Cr的值大于、等于和小于r，分別觀察在這幾種情況下電流計(jì)線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2C觀察時(shí)，接通K和K，調(diào)節(jié)第一級分壓器的滑線變阻器R,電壓表的讀數(shù)由零緩慢增加，與此同時(shí)也要把第二級定比分壓電阻R』勺值選擇好。這樣一邊用第一級分壓器升高電壓，一邊觀察光標(biāo)位置在標(biāo)尺上移動(dòng)情況，直到光標(biāo)偏轉(zhuǎn)到標(biāo)尺滿刻度的三分之二為止。這時(shí)突然打開K，觀察光標(biāo)返回零位時(shí)運(yùn)動(dòng)方式，2判斷它屬于哪一類運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在光標(biāo)返回時(shí)，很快按幾下K，觀察阻尼開關(guān)的作用。3.測定電流計(jì)的外臨界電阻R的值。C在觀察電流計(jì)阻尼運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上測定外臨界電阻R的值。C（1）先按電流計(jì)銘牌上所給外臨界電阻R值的4—5倍選定R的值。接C2通K和K，調(diào)節(jié)R和R的值，使光標(biāo)偏轉(zhuǎn)到滿刻度的一半處。然后斷開K，觀察1光標(biāo)的2回零運(yùn)動(dòng)情況1，并將數(shù)據(jù)記錄于表一之中。2（2）逐漸減小R的值，同時(shí)要相應(yīng)地調(diào)節(jié)R和R的值使光標(biāo)仍偏轉(zhuǎn)到標(biāo)尺滿刻度的一半處，繼續(xù)按前述方法觀察光標(biāo)回零的運(yùn)動(dòng)情況。直到R減小到2剛好使光標(biāo)在很短時(shí)間內(nèi)回到零點(diǎn)，又恰好不超過零點(diǎn)（即光標(biāo)不再發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象）時(shí)的臨界阻尼狀態(tài)，注明此時(shí)記錄的R；的值，則得到外臨界電阻RC的值2C以電流計(jì)銘牌上所標(biāo)外臨界電阻為真值，把測得的r值與之比較，確定相對誤C差。C表一觀察三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并確定臨界阻尼電阻R臨項(xiàng)目12345-678910R2(Q)t(s)4.用等偏法測電流計(jì)的內(nèi)阻R及電流計(jì)常數(shù)K,靈敏度S.G1測量時(shí)保持光標(biāo)偏轉(zhuǎn)d不變，改變U和R2的值得一系列數(shù)據(jù)，記錄于表二之中，根據(jù)（11）式對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，，由斜率B與截距A求得R、K,G由SI=1/K求得SI之值。表二、測量電流計(jì)常數(shù)K和Rg內(nèi)U（v）R2(Q)5.用臨界阻尼法測電流計(jì)常數(shù)K（供選作）（