靈敏電流計(jì)特性研究

1、實(shí)驗(yàn)5-24靈敏電流計(jì)特性研究靈敏電流計(jì)是一種測(cè)量微小電流的直讀式磁電式儀表，由于它變革了機(jī)械指針式電流計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和偏轉(zhuǎn)顯示系統(tǒng)（用懸絲代替了普通電表的轉(zhuǎn)軸和軸承，避免了機(jī)械摩擦，同時(shí)采用一套光學(xué)放大系統(tǒng)來測(cè)量偏轉(zhuǎn)角），因而具有很高的靈敏度，可以檢測(cè)10 610 10A的微小電流，或檢測(cè)10 磁場(chǎng)部分 永久磁鐵N、S產(chǎn)生磁場(chǎng)，圓柱形軟鐵芯 J使磁場(chǎng)呈均勻輻射狀。2.偏轉(zhuǎn)部分線圈C可以在磁場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，上下兩端用金屬懸絲繃緊，金屬絲同時(shí)作為線圈的電流引 線。 讀數(shù)部分（小鏡 m和弧形標(biāo)尺）小鏡m固定在線圈上，它把光源射來的光反射到弧形標(biāo)尺上并成一光標(biāo)，見圖5-24-1b。當(dāng)沒有電流通過線圈時(shí)，反射

2、光標(biāo)位于弧形標(biāo)尺的零點(diǎn)上，當(dāng)某一穩(wěn)定電流I流過線圈時(shí)，線圈受到的磁力矩為 式中，N為線圈匝數(shù)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度， S為線圈面積。線圈在磁力矩的作用下而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，懸絲隨線圈轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的反向扭轉(zhuǎn)力矩為 式中，D為扭轉(zhuǎn)系數(shù)，為線圈轉(zhuǎn)過的角度。當(dāng)Mb和M D大小相等時(shí)，光標(biāo)停在新的平衡位置。 由圖5-24-1b知標(biāo)尺讀數(shù)d 2 l , 由于得10 6V的微小電壓，常用于光電流、生物電流、溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè) 量或用做精密電橋、精密電位差計(jì)的平衡指示器?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解靈敏電流計(jì)的結(jié)構(gòu)，掌握控制靈敏電流計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法。2 測(cè)定靈敏電流計(jì)的特性參量一外臨界電阻、電流常數(shù)及內(nèi)阻。3 學(xué)會(huì)用最小二乘法處理數(shù)據(jù)。【

3、實(shí)驗(yàn)器材】AC15型直流復(fù)射式檢流計(jì)、直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、電阻箱、滑線變阻器、雙刀 雙擲開關(guān)、單刀開關(guān)等。【實(shí)驗(yàn)原理】一、靈敏電流計(jì)的工作原理靈敏電流計(jì)的結(jié)構(gòu)見圖 5-24-1 ,主要由三部分組成：圖5-24-1 靈敏電流計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖a）線圈偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)b）讀數(shù)系統(tǒng)Ddkd(5-24-1 )2NBSI由此可見，通過電流計(jì)的電流I與反射光標(biāo)在弧形標(biāo)尺上的讀數(shù)d成正比，式中k D/（2NBSI）稱為電流計(jì)的電流常數(shù)，即光標(biāo)移動(dòng)1mm對(duì)應(yīng)的電流值，其倒數(shù)1/k S稱為電流計(jì)的靈敏度，式（5-24-1 ）可寫為式中S表示單位電流引起的光標(biāo)移動(dòng)距離。靈敏電流計(jì)中采用 “光指針”代替普通電表的金 屬指

4、針，相當(dāng)于大大加長(zhǎng)了指針的長(zhǎng)度，進(jìn)一步提高了電表的靈敏度。二、靈敏電流計(jì) 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及控制方 法在線圈由d 0 到新的平衡位置 d do的運(yùn)動(dòng)過程 中，線圈在磁場(chǎng)中運(yùn) 動(dòng)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)，而電流計(jì)在工作 時(shí)，總是由它的內(nèi)阻 Rg與外電路上電阻 R外構(gòu)成一個(gè)回路， 因而就有感應(yīng)電流流 過線圈，感應(yīng)電流與 磁場(chǎng)相互作用，將產(chǎn)生阻止線圈運(yùn)動(dòng)的電磁 阻尼力矩 M，它的大小與回路總電阻成反 比，即由此可見，控制 R外的大小就可以控制 電磁阻尼力矩 M的大小，從而控制線圈的運(yùn) 動(dòng)情況。對(duì)應(yīng)于不同的R外，線圈將以三種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到新的平衡位置d0，如圖5-24-2a 所示。1當(dāng)R外較大時(shí)，M較小，線圈

5、作振 幅逐漸衰減的振動(dòng)，需經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間，才停在 新的平衡位置，R外越大，M越小，振動(dòng)時(shí) 間也就越長(zhǎng)，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫做欠阻尼狀態(tài)， 見圖5-24-2a曲線1。E圖5-24-3測(cè)量?jī)?nèi)阻和電流常數(shù)的實(shí)驗(yàn)電路2當(dāng)R外較小時(shí)，M較大，線圈緩慢 地趨向新的平衡位置，也不會(huì)越過平衡位置， R外越小，M越大，到達(dá)平衡位置的時(shí)間也 越大，這種狀態(tài)叫做過阻尼狀態(tài)，見圖 5-24-2a 曲線 3。3當(dāng)R外適當(dāng)時(shí)，線圈能很快達(dá)到平衡位置而又不發(fā)生振動(dòng)，這是前兩種狀態(tài)的中介狀態(tài)，叫做臨界狀態(tài)，見圖5-24-2a曲線2，這時(shí)對(duì)應(yīng)的R外叫做外臨界電阻（R外臨）。當(dāng)電流計(jì)線圈由新平衡位置d0回到零時(shí)也有以上三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖5

6、-24-2b所示。顯然，電流計(jì)工作于臨界狀態(tài)最便于測(cè)量，在實(shí)際工作中，常采用以下辦法使電流計(jì)工 作在或接近工作在臨界狀態(tài)：(1) 選擇適當(dāng)?shù)碾娏饔?jì)，使它的R外臨 接近于R外。(2) 在電流計(jì)上串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)電阻，使它的R外接近于R外臨。三、測(cè)量電流計(jì)的電流常數(shù)及內(nèi)阻測(cè)量電路如圖5-24-3所示，圖中G為靈敏電流計(jì)，電阻 &和R2組成固定分壓器，R, 為1的標(biāo)準(zhǔn)電阻，分壓比r/r2可在0.00010.001之間根據(jù)需要選取。S2為換向開關(guān)， 用來改變電流方向， 以消除電流計(jì)零點(diǎn)未調(diào)好帶來的誤差。S為阻尼開關(guān)，當(dāng)光標(biāo)運(yùn)動(dòng)到零點(diǎn)時(shí)，按下此開關(guān)，可使光標(biāo)盡快停止在零點(diǎn)。由于電流計(jì)允許通過的電流很小，故

7、實(shí)驗(yàn)中采用二級(jí)分壓，且 R1R2，使得加在R和Rg上的電壓Uo很小。由圖5-24-3知由此得到將Ig kd代入上式，得R 1(Rg R)(5-24-2 )kR2 d式中，k和Rg是待測(cè)量。若選定 U、R1、R2而改變R值，對(duì)應(yīng)有光標(biāo)的不同偏轉(zhuǎn)量 d。 R與1/d成線性關(guān)系，其斜率為 UR,(kR2)，截距為(Rg RJ，分別測(cè)出不同R所對(duì)應(yīng) 的光標(biāo)偏轉(zhuǎn)d，作R1/ d曲線，即可求出直線的斜率和截距，從而求得K和Rg。若要精確求得與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合最佳的斜率和截距，可采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸。由 y ax b和式(5-24-2 )可知，yi與R對(duì)應(yīng)，xi與1/di對(duì)應(yīng)， 且 a UR

8、/kR?, b(Rg RJ ,從而得UR1k -(5-24-3 )aR2Rg(b R1)(5-24-4 )若由實(shí)驗(yàn)測(cè)得n組數(shù)據(jù)(X1 , yj、(x2, y2)(Xn , y.)，則用最小二乘法可求得 a 與b。(見第二章第五節(jié))【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、測(cè)定電流計(jì)的電流常數(shù)和內(nèi)阻1 按圖5-24-3連接線路，將電流計(jì)倍率檔置“X0.01 ”檔，調(diào)節(jié)光標(biāo)零點(diǎn)。2先取R 100，選取合適的分壓比 R1/ R2和電壓U，換向開關(guān)S2擲向任一方，使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)至一定格數(shù)(例如50mm),將S2擲向另一方以改變電流方向，分別測(cè)出d左、d右，填入表格5-24-1中。3.保持分壓比R1/ R2和電壓U不變，依次改變R

9、使之為200、300、900,分別測(cè)出相應(yīng)的電流計(jì)偏轉(zhuǎn)值數(shù)di，填入表格5-24-1中。二、觀察電流計(jì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并測(cè)定外臨界電阻1 .將電流計(jì)倍率檔置“直接”位置，斷開S3，調(diào)節(jié)光標(biāo)零點(diǎn)。2.根據(jù)電流計(jì)銘牌上給出的外臨界電阻值，把R撥到4R外臨，調(diào)節(jié)滑線式變阻器，使電壓U由小到大，使電流計(jì)有 4050mm的偏轉(zhuǎn)(如偏轉(zhuǎn)不夠，可以減小R2的數(shù)值，但注意，以后R減少時(shí)，需增加 R2以保護(hù)電流計(jì))。斷開S2，觀察光點(diǎn)回零時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式， 判斷它屬于哪一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。3分別取R R外臨、R R外臨/4等進(jìn)行觀察和判斷，最后根據(jù)電流計(jì)各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的 特點(diǎn)設(shè)法測(cè)出R外臨的實(shí)際值?！緮?shù)據(jù)處理】表5-24-1測(cè)定電流計(jì)的電流常數(shù)和內(nèi)阻數(shù)據(jù)表格U = V , R1 =,R2 =100200300400500600700800900左右1求di的平均值d =（ di左+ di右）/2和倒數(shù)1/di，填入表5-24-1中。2 將測(cè)得的U、R,、R2、Ri等數(shù)據(jù)，按照式（5-24-2）,應(yīng)用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行 元線性回歸，由式（5-24-3）和（