灵敏电流计特性研究

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实验5-24 灵敏电流计特性研究

灵敏电流计是一种测量微小电流的直读式磁电式仪表，由于它变革了机械指针式电流计的机械结构和偏转显示系统（用悬丝代替了普通电表的转轴和轴承，避免了机械摩擦，同时采用一套光学放大系统来测量偏转角），因而具有很高的灵敏度，可以检测610-～10

10

-A

的微小电流，或检测3

10-～6

10-V 的微小电压，常用于光电流、生物电流、温差电动势的测量或用做精密电桥、精密电位差计的平衡指示器。

【实验目的】

1．了解灵敏电流计的结构，掌握控制灵敏电流计运动状态的方法。 2．测定灵敏电流计的特性参量─外临界电阻、电流常数及内阻。 3．学会用最小二乘法处理数据。 【实验器材】

AC15型直流复射式检流计、直流稳压电源、直流电压表、电阻箱、滑线变阻器、双刀双掷开关、单刀开关等。

【实验原理】

一、灵敏电流计的工作原理

灵敏电流计的结构见图5-24-1，主要由三部分组成：

1．磁场部分

永久磁铁N 、S 产生磁场，圆柱形软铁芯J 使磁场呈均匀辐射状。 2．偏转部分

线圈C 可以在磁场内转动，上下两端用金属悬丝绷紧，金属丝同时作为线圈的电流引线。

3．读数部分（小镜m 和弧形标尺） 小镜m 固定在线圈上，它把光源射来的光反射到弧形标尺上并成一光标，见图5-24-1b 。当没有电流通过线圈时，反射光标位于弧形标尺的零点上，当某一稳定电流I 流过线圈时，线圈受到的磁力矩为

NBSI M B =

式中，N 为线圈匝数，B 为磁感应强度，S 为线圈面积。

线圈在磁力矩的作用下而产生转动，悬丝随线圈转动而产生的反向扭转力矩为

θD M D -=

图5-24-1 灵敏电流计的结构原理图

a)线圈偏转系统 b)读数系统

168 式中，D 为扭转系数，θ为线圈转过的角度。

当B M 和D M 大小相等时，光标停在新的平衡位置。由图5-24-1b 知标尺读数l d θ2=，由于

θD NBSI =

得

kd NBSl

Dd

I ==

2 （5-24-1）

由此可见，通过电流计的电流I 与反射光标在弧形标尺上的读数d 成正比，式中)2/(NBSl D k =称为电流计的电流常数，即光标移动mm 1对应的电流值，其倒数S

k =/1称为电流计的灵敏度，式（5-24-1）可写为

SI k I d ==/

式中S 表示单位电流引起的光标移动距离。灵敏电流计中采用“光指针”代替普通电表的金属指针，相当于大大加长了指针的长度，进一步提高了电表的灵敏度。

二、灵敏电流计的运动状态及控制方法

在线圈由0=d 到新的平衡位置

0d d =的运动过程

中，线圈在磁场中运动将产生感应电动势，而电流计在工作时，总是由它的内阻

g R 与外电路上电阻R 外构成一个回路，

因而就有感应电流流过线圈，感应电流与

磁场相互作用，将产生阻止线圈运动的电磁阻尼力矩M ，它的大小与回路总电阻成反比，即

外

R R M g +∝

1

由此可见，控制外R 的大小就可以控制电磁阻尼力矩M 的大小，从而控制线圈的运动情况。对应于不同的外R ，线圈将以三种不同的运动状态达到新的平衡位置0d ，如图5-24-2a 所示。

1．当外R 较大时，M 较小，线圈作振幅逐渐衰减的振动，需经较长时间，才停在新的平衡位置，外R 越大，M 越小，振动时间也就越长，这种运动状态叫做欠阻尼状态，见图5-24-2a 曲线1。

图5-24-3 测量内阻和电流常数的实验电路

a)平衡位置为0d b)平衡位置为0 图5-24-2 各种阻尼下线圈的运动状态曲线

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2．当外R 较小时，M 较大，线圈缓慢地趋向新的平衡位置，也不会越过平衡位置，外R 越小，M 越大，到达平衡位置的时间也越大，这种状态叫做过阻尼状态，见图5-24-2a 曲线3。

3．当外R 适当时，线圈能很快达到平衡位置而又不发生振动，这是前两种状态的中介状态，叫做临界状态，见图5-24-2a 曲线2，这时对应的外R 叫做外临界电阻（外临R ）。

当电流计线圈由新平衡位置0d 回到零时也有以上三种运动状态，如图5-24-2b 所示。 显然，电流计工作于临界状态最便于测量，在实际工作中，常采用以下办法使电流计工作在或接近工作在临界状态：

（1）选择适当的电流计，使它的外临R 接近于外R 。

（2）在电流计上串联或并联一个电阻，使它的外R 接近于外临R 。 三、测量电流计的电流常数及内阻

测量电路如图5-24-3所示，图中G 为灵敏电流计，电阻1R 和2R 组成固定分压器，1R 为Ω1的标准电阻，分压比1R /2R 可在0001.0～001.0之间根据需要选取。2S 为换向开关，用来改变电流方向，以消除电流计零点未调好带来的误差。S 为阻尼开关，当光标运动到零点时，按下此开关，可使光标尽快停止在零点。由于电流计允许通过的电流很小，故实验中采用二级分压，且2R R <<1，使得加在R 和g R 上的电压0U 很小。由图5-24-3知

2/I U R ≈

0()g g U I R R =+

1

g U I I R =+

由此得到

1

12

g g UR R R R I R ++=

将kd I g =代入上式，得

1121

()g UR R R R kR d

=

-+ （5-24-2） 式中，k 和g R 是待测量。若选定U 、1R 、2R 而改变R 值，对应有光标的不同偏转量d 。

R 与d /1成线性关系，其斜率为12/()UR kR ，截距为)(1R R g +-，分别测出不同R 所对应的光标偏转d ，作~1/R d 曲线，即可求出直线的斜率和截距，从而求得K 和g R 。

若要精确求得与实验数据符合最佳的斜率和截距，可采用最小二乘法对实验数据进行一元线性回归。由b ax y +=和式（5-24-2）可知，i y 与i R 一一对应，i x 与i d /1一一对应，且12/a UR kR =，)(1R R b g +-=， 从而得

1

2

UR k aR =

（5-24-3） )(1R b R g +-= （5-24-4）