電流表測量直流電流的基本原理

電流表測量直流電流的基本原理

隨著現(xiàn)代和測量技術的發(fā)展，越來越多的領域需要正確測量永交流信號，尤其是弱電流信號。通常直流電流的測量方法是將電流表直接串聯(lián)到被測電路中,“理想”地認為電流表的接入不會引起任何誤差。事實上,電流表的接入改變了電路參數(shù)特性,引入測量誤差。對于弱電流信號的測量,有很多因素都會對測量電路產(chǎn)生干擾,帶來測量誤差。由于電流表測量電流的基本原理一般有兩種,不同的原理結構,適合測量的電流范圍也不一樣。對于直流弱電流信號的測量最好采用反饋式電流表進行測量,實際測量過程中還應考慮多個環(huán)節(jié)的干擾因素,采取相應的措施,盡可能地減少測量誤差。1數(shù)字流表的電路設計電流表測量電流的基本原理一般分為兩種:分流式和反饋式。分流式是最常見的,數(shù)字多用表的電流功能和較早型號的小電流表一般采用分流式,新型的皮安表和多功能靜電計則是反饋式。靜電計測量的電流量程更低,一般用于微弱電流測量,目前能達到的測量下限為幾個pA。1.1電壓vo的計算分流式電流測量原理是在輸出端得到一個與被測電流成比例的輸出電壓,通過一個電阻形式分流器調(diào)節(jié)輸出的電壓,原理如圖1所示。輸入電流II,N流過分流電阻RS,電流II,N與電壓VO成線性關系。輸出電壓為:分流式測量弱小電流時,由于結構原理限制,必須要阻值大的分流電阻RS才能形成可測量的電壓VO。大阻值電阻準確度較低,穩(wěn)定性和受環(huán)境溫度變化影響大,無法滿足準確度高的要求,分流式電流測量只能適合測量大于10-6A以上電流。由于測量原理的限制,一般的數(shù)字多用表電流的量程下限為1mA,有的能達到100μA。1.2反饋式電流表反饋式電流測量適合10-6A以下數(shù)量級的弱電流,具有較低的輸入阻抗,比分流式更接近“理想”電流表?，F(xiàn)在的被測電流幅值越來越小,反饋式電流表的用途也越來越多。反饋式電流測量電路是在高增益的運放反饋回路上產(chǎn)生一個壓降VO,該壓降與輸入電流成一定比例,該壓降為運放的輸出端,原理如圖2所示。電流表的輸入端壓降等于輸出電壓VO除以運放的增益倍數(shù)(一般為105),輸入端壓降很小,通常在200μV以下,電流表的輸入電阻也很小。RF為反饋電阻器,放大器A輸出電壓表示為:2測量中電流誤差分析2.1端壓降的電路設計電流表的輸入端電壓稱為輸入端壓降,相比電流表接入前,該壓降會通過電流表形成一個非常小的電流,電流表讀取的不是真正的被測電流。理想電流表不會改變電流流過的電路,所以它應該具有零輸入電阻和零輸入端壓降。但是實際的電流表會引入一個非零的輸入端壓降,該誤差由電流表輸入端壓降除以被測電路的電阻表示。分流器電流測量原理中,電流表對測量回路產(chǎn)生一定的壓降,相當于電流表有一定的內(nèi)阻,如果是弱電流的測量則可能會產(chǎn)生較大的誤差。數(shù)字萬用表和指針式電流表輸入端壓降通常在幾十或幾百毫伏數(shù),如數(shù)字多用表34401A、Keithley2000等。反饋式電流表的輸入端壓降通常在200μV以下,如靜電計6517A、皮安表6485等。如果用普通的分流式電流表測量弱電流,分析輸入端壓降對電流測量的影響,如圖3所示。電流源等效為電壓源模型,假設電流源內(nèi)部電壓源VS為10mV,內(nèi)阻RS為5k?,理想的電流表輸入端壓降應該為零,則電路中理想電流為:實際的電流表都有一定的輸入端壓降,如果輸入端壓降VB為1mV,則電流表測得的電流值為:在這個測量電路中1mV的電流表輸入端壓降給該測量電路帶來了2μA–1.8μA=0.2μA的誤差,相對于理想值2μA為10%。2.2產(chǎn)生很大影響弱電流的測量中噪聲干擾會對測量結果產(chǎn)生很大影響。主要的噪聲干擾是由被測電流源的內(nèi)阻和電容引起的,通過電路分析,可以采取相應措施,減小測量誤差。2.2.1源內(nèi)阻rs阻值靜電計測量弱電流的原理如圖4所示。被測電流源的內(nèi)阻會產(chǎn)生噪聲干擾,源內(nèi)阻越小,電流表的噪聲電壓越大。被測源內(nèi)阻和源電容由RS和CS表示,VS為電流源的電壓,VI,N為輸入噪聲電壓,VO,N為輸出噪聲電壓,RF和CF為電流表反饋電阻和電容。電路的輸出噪聲電壓為:由式(7)可以看出,如果源內(nèi)阻RS阻值減小,輸出噪聲將增大。為了減小輸出電壓噪聲,源內(nèi)阻RS阻值應盡量大。不同的量程范圍,電流源內(nèi)阻的要求不同,RF阻值大小取決于電流量程范圍,通常規(guī)定電流源內(nèi)阻的最低參考值如表1所示。2.2.2輸出噪聲頻率電流源的電容也會對電流測量產(chǎn)生噪聲干擾,如圖4中6517A靜電計測量電流源,電流源電容增加,噪聲也隨之增加。電流源電容CS和靜電計反饋電容CF表示的輸出噪聲電壓為:式中:ZF為反饋阻抗,由CF和RF表示;ZS為電流源阻抗,由RS和CS表示。即:式中f為干擾噪聲頻率。當電流源電容CS增加,阻抗值ZS則減小,噪聲增益則相應增大。對于用靜電計6517A測量的電流源的電容CS要求最大值為10000pF,不過當測量的電流源的電容超過這個值的時候,可串連一個電阻來增加源內(nèi)阻的阻值,根據(jù)不同量程范圍,參考表1選擇所需要的串聯(lián)電阻阻值。2.3靜電計工作原理弱電流測量中,如果電流表沒有正確接地,漏電流會對測量結果產(chǎn)生很大誤差。如圖5所示,E為被測電流源的電壓10V,RL為漏電阻,靜電計所測得的電流不僅有通過R的電流IR,還包括通過絕緣電阻RL上的漏電流IL,靜電計實際測得的電流值為:IR+IL。如果將電流表輸入低端LO與機殼接地,漏電流IL通過電流表輸入低端LO分流,電流表測得的電流值只有IR,如圖6所示,弱電流測量中,正確接地可以大幅度減小漏電流,即將電流表的輸入低端LO與地連接。以下根據(jù)實際數(shù)據(jù)分析浮地測量和接地測量對測量結果的影響。2.3.1u3000漏電阻rl的壓降圖7為沒有接地的浮地電流測量等效電路。電流表需要測量的是通過電阻R的電流IR,由于電流表輸入低端LO沒有接地,電流表的輸入低端LO與測試電路的地之間存在漏電流IL。那么在輸入低端LO和地之間的漏電阻RL上的壓降幾乎與輸入的高端HO壓降幾乎相同。假設電流表的輸入端壓降小于1mV,那么漏電阻RL的壓降等于被測電流源的電壓10V。則通過RL的電流為IL=10nA,所以靜電計6517A測得的電流值為兩個電流之和IX=IL+10nA。顯然,如果是測量微弱電流,泄漏電流10nA疊加產(chǎn)生在測量電路中,對測量帶來的相對誤差就很大。2.3.2試驗電路地漏電阻測量電流表的輸入低端LO與地連接,如圖8所示,電阻RL為從電流表輸入高端HO到電流表的輸入低端LO的漏電阻,電阻RG為電流表輸入低端LO(接地)與測試電路地之間的漏電阻。與浮地電流測量相同,假設電流表壓降為1mV,那么漏電阻RL的壓降等于被測電流源的電壓10V,通過RL的電流為IL=1pA,靜電計6517A測得的電流為IX=IR+IL=IR+1pA。所以電流表輸入低端LO接地減少了電流表測量的漏電流,從10nA減少到1pA。不過從電流表輸入低端LO到測試電路低端的10nA漏電流IG仍然存在,只是該漏電流IG并沒有流過靜電計6517A所測量的電流回路。2.4靜電計內(nèi)部的電壓偏置,也需要定期進行點點檢查對于多數(shù)的靜電計都有零點檢查(ZEROCHECK)功能,當儀器打開ZEROCHECK的時候,檢查和調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的電壓偏置,根據(jù)環(huán)境條件,需要定期進行零點檢查。另一個必要的操作是清除輸入偏置電流,當靜電計輸入端開路時,理想的電流表讀數(shù)應該是零,但是在低量程段電流表都有小的電流值,這是靜電計內(nèi)部的漏電流引起的。這時應該將靜電計輸入端開路,在靜電計讀數(shù)穩(wěn)定時按下REL或ZERO開關,切換不同量程時,同樣要重新執(zhí)行此操作。2.5電纜電纜接口系統(tǒng)導體和絕緣體之間摩擦造成的電荷失衡將產(chǎn)生摩擦生電效應,壓電電流是當壓力作用在用于絕緣端和內(nèi)部連接導體材料上時產(chǎn)生的電流。在弱電流測量中,為了減小壓電電流帶來的測量誤差,應采用低噪聲電纜連接。這種電纜在外層絕緣層下以包裹石墨的聚乙烯作為內(nèi)層絕緣材料來減小這種摩擦生電效應。因為石墨可以起到潤滑作用,形成等電位層以中和并減小電荷的產(chǎn)生。2.6體現(xiàn)電化學—環(huán)境濕度的影響潮濕的測量環(huán)境和污染雜質(zhì)物也會產(chǎn)生干擾電流,這是因為污染雜質(zhì)和潮濕的空氣發(fā)生電化學效應,產(chǎn)生一個弱的“電池”附著在電路板導體上。例如油、鹽、指印或其他污染物,能在電路板導體間產(chǎn)生接近幾個nA的干擾電流。所以應選擇不吸水的絕緣材料并且盡量降低環(huán)境濕度來減小測量誤差,測量電路中所有的絕緣體還需保持清潔無灰塵雜質(zhì)。3清除電流源檢測綜上所述,直流弱電流信號的測量,首先應選擇適合的反饋式電流表,從而減小輸入端壓降。連接的導線應選擇適合的三同軸屏蔽電纜。測量開