電流表測(cè)量直流電流的基本原理

電流表測(cè)量直流電流的基本原理

隨著現(xiàn)代和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要正確測(cè)量永交流信號(hào)，尤其是弱電流信號(hào)。通常直流電流的測(cè)量方法是將電流表直接串聯(lián)到被測(cè)電路中,“理想”地認(rèn)為電流表的接入不會(huì)引起任何誤差。事實(shí)上,電流表的接入改變了電路參數(shù)特性,引入測(cè)量誤差。對(duì)于弱電流信號(hào)的測(cè)量,有很多因素都會(huì)對(duì)測(cè)量電路產(chǎn)生干擾,帶來(lái)測(cè)量誤差。由于電流表測(cè)量電流的基本原理一般有兩種,不同的原理結(jié)構(gòu),適合測(cè)量的電流范圍也不一樣。對(duì)于直流弱電流信號(hào)的測(cè)量最好采用反饋式電流表進(jìn)行測(cè)量,實(shí)際測(cè)量過(guò)程中還應(yīng)考慮多個(gè)環(huán)節(jié)的干擾因素,采取相應(yīng)的措施,盡可能地減少測(cè)量誤差。1數(shù)字流表的電路設(shè)計(jì)電流表測(cè)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(hào)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(jì)則是反饋式。靜電計(jì)測(cè)量的電流量程更低,一般用于微弱電流測(cè)量,目前能達(dá)到的測(cè)量下限為幾個(gè)pA。1.1電壓vo的計(jì)算分流式電流測(cè)量原理是在輸出端得到一個(gè)與被測(cè)電流成比例的輸出電壓,通過(guò)一個(gè)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(guò)分流電阻RS,電流II,N與電壓VO成線性關(guān)系。輸出電壓為:分流式測(cè)量弱小電流時(shí),由于結(jié)構(gòu)原理限制,必須要阻值大的分流電阻RS才能形成可測(cè)量的電壓VO。大阻值電阻準(zhǔn)確度較低,穩(wěn)定性和受環(huán)境溫度變化影響大,無(wú)法滿足準(zhǔn)確度高的要求,分流式電流測(cè)量只能適合測(cè)量大于10-6A以上電流。由于測(cè)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(dá)到100μA。1.2反饋式電流表反饋式電流測(cè)量適合10-6A以下數(shù)量級(jí)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(cè)電流幅值越來(lái)越小,反饋式電流表的用途也越來(lái)越多。反饋式電流測(cè)量電路是在高增益的運(yùn)放反饋回路上產(chǎn)生一個(gè)壓降VO,該壓降與輸入電流成一定比例,該壓降為運(yùn)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(yùn)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(cè)量中電流誤差分析2.1端壓降的電路設(shè)計(jì)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(huì)通過(guò)電流表形成一個(gè)非常小的電流,電流表讀取的不是真正的被測(cè)電流。理想電流表不會(huì)改變電流流過(guò)的電路,所以它應(yīng)該具有零輸入電阻和零輸入端壓降。但是實(shí)際的電流表會(huì)引入一個(gè)非零的輸入端壓降,該誤差由電流表輸入端壓降除以被測(cè)電路的電阻表示。分流器電流測(cè)量原理中,電流表對(duì)測(cè)量回路產(chǎn)生一定的壓降,相當(dāng)于電流表有一定的內(nèi)阻,如果是弱電流的測(cè)量則可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。數(shù)字萬(wàn)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(jì)6517A、皮安表6485等。如果用普通的分流式電流表測(cè)量弱電流,分析輸入端壓降對(duì)電流測(cè)量的影響,如圖3所示。電流源等效為電壓源模型,假設(shè)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(yīng)該為零,則電路中理想電流為:實(shí)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(cè)得的電流值為:在這個(gè)測(cè)量電路中1mV的電流表輸入端壓降給該測(cè)量電路帶來(lái)了2μA–1.8μA=0.2μA的誤差,相對(duì)于理想值2μA為10%。2.2產(chǎn)生很大影響弱電流的測(cè)量中噪聲干擾會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。主要的噪聲干擾是由被測(cè)電流源的內(nèi)阻和電容引起的,通過(guò)電路分析,可以采取相應(yīng)措施,減小測(cè)量誤差。2.2.1源內(nèi)阻rs阻值靜電計(jì)測(cè)量弱電流的原理如圖4所示。被測(cè)電流源的內(nèi)阻會(huì)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(cè)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(yīng)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(huì)對(duì)電流測(cè)量產(chǎn)生噪聲干擾,如圖4中6517A靜電計(jì)測(cè)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(jì)反饋電容CF表示的輸出噪聲電壓為:式中:ZF為反饋?zhàn)杩?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(dāng)電流源電容CS增加,阻抗值ZS則減小,噪聲增益則相應(yīng)增大。對(duì)于用靜電計(jì)6517A測(cè)量的電流源的電容CS要求最大值為10000pF,不過(guò)當(dāng)測(cè)量的電流源的電容超過(guò)這個(gè)值的時(shí)候,可串連一個(gè)電阻來(lái)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(jì)工作原理弱電流測(cè)量中,如果電流表沒有正確接地,漏電流會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大誤差。如圖5所示,E為被測(cè)電流源的電壓10V,RL為漏電阻,靜電計(jì)所測(cè)得的電流不僅有通過(guò)R的電流IR,還包括通過(guò)絕緣電阻RL上的漏電流IL,靜電計(jì)實(shí)際測(cè)得的電流值為:IR+IL。如果將電流表輸入低端LO與機(jī)殼接地,漏電流IL通過(guò)電流表輸入低端LO分流,電流表測(cè)得的電流值只有IR,如圖6所示,弱電流測(cè)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(shí)際數(shù)據(jù)分析浮地測(cè)量和接地測(cè)量對(duì)測(cè)量結(jié)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(cè)量等效電路。電流表需要測(cè)量的是通過(guò)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(cè)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(shè)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(cè)電流源的電壓10V。則通過(guò)RL的電流為IL=10nA,所以靜電計(jì)6517A測(cè)得的電流值為兩個(gè)電流之和IX=IL+10nA。顯然,如果是測(cè)量微弱電流,泄漏電流10nA疊加產(chǎn)生在測(cè)量電路中,對(duì)測(cè)量帶來(lái)的相對(duì)誤差就很大。2.3.2試驗(yàn)電路地漏電阻測(cè)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(cè)試電路地之間的漏電阻。與浮地電流測(cè)量相同,假設(shè)電流表壓降為1mV,那么漏電阻RL的壓降等于被測(cè)電流源的電壓10V,通過(guò)RL的電流為IL=1pA,靜電計(jì)6517A測(cè)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(cè)量的漏電流,從10nA減少到1pA。不過(guò)從電流表輸入低端LO到測(cè)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(guò)靜電計(jì)6517A所測(cè)量的電流回路。2.4靜電計(jì)內(nèi)部的電壓偏置,也需要定期進(jìn)行點(diǎn)點(diǎn)檢查對(duì)于多數(shù)的靜電計(jì)都有零點(diǎn)檢查(ZEROCHECK)功能,當(dāng)儀器打開ZEROCHECK的時(shí)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(jìn)行零點(diǎn)檢查。另一個(gè)必要的操作是清除輸入偏置電流,當(dāng)靜電計(jì)輸入端開路時(shí),理想的電流表讀數(shù)應(yīng)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(jì)內(nèi)部的漏電流引起的。這時(shí)應(yīng)該將靜電計(jì)輸入端開路,在靜電計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)按下REL或ZERO開關(guān),切換不同量程時(shí),同樣要重新執(zhí)行此操作。2.5電纜電纜接口系統(tǒng)導(dǎo)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(yīng),壓電電流是當(dāng)壓力作用在用于絕緣端和內(nèi)部連接導(dǎo)體材料上時(shí)產(chǎn)生的電流。在弱電流測(cè)量中,為了減小壓電電流帶來(lái)的測(cè)量誤差,應(yīng)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(lái)減小這種摩擦生電效應(yīng)。因?yàn)槭梢云鸬綕?rùn)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(xué)—環(huán)境濕度的影響潮濕的測(cè)量環(huán)境和污染雜質(zhì)物也會(huì)產(chǎn)生干擾電流,這是因?yàn)槲廴倦s質(zhì)和潮濕的空氣發(fā)生電化學(xué)效應(yīng),產(chǎn)生一個(gè)弱的“電池”附著在電路板導(dǎo)體上。例如油、鹽、指印或其他污染物,能在電路板導(dǎo)體間產(chǎn)生接近幾個(gè)nA的干擾電流。所以應(yīng)選擇不吸水的絕緣材料并且盡量降低環(huán)境濕度來(lái)減小測(cè)量誤差,測(cè)量電路中所有的絕緣體還需保持清潔無(wú)灰塵雜質(zhì)。3清除電流源檢測(cè)綜上所述,直流弱電流信號(hào)的測(cè)量,首先應(yīng)選擇適合的反饋式電流表,從而減小輸入端壓降。連接的導(dǎo)線應(yīng)選擇適合的三同軸屏蔽電纜。測(cè)量開