检流计的特性研究应用.doc

大学物理
仿真实验报告

专业：能源动力与自动化专业

班级：能动-21

姓名：耶律楚材

日期：.11.29

一． 实验简介:
检流计是磁电式仪表，它是依照载流线圈在磁场中受到力矩而偏转德原理制成。普通电表中线圈是安放在轴承上，用弹簧游丝来维持平衡，用指针来批示偏转。由于轴承有摩擦，被测电流不能太弱。检流计使用极细金属悬丝代替轴承悬挂在磁场中，由于悬丝细而长，反抗力矩很小，因此有很弱电流通过线圈就足以使它产生明显偏转。因而检流计比普通电流表敏捷多，可以测量微电流（10-7~10-10A）或者微电压（10-3~10-6V），如光电流、生理电流、温差电动势等。初次记录神经动作电位，就是用此类仪器实现。
检流计另一种用途是平衡指零，即依照流过检流计电流与否为零来判断电路与否平衡，它被广泛使用在直流电桥和电位差计中。
本实验目就是为了理解磁电式检流计构造、原理和运动规律，测量临界电阻，通过测量它敏捷度和内阻，学习对的用法。

二．实验原理
磁电式检流计构造
以光点式检流计为例，构造如图 1和图 2所示，检流计由三某些构成：

l 磁场某些：由永久磁铁(N,S)产生磁场，圆柱形软铁心(J)使气隙中磁场呈均匀辐射状。
l 偏转某些：能在气隙中转动矩形线圈C及从上下拉紧线圈金属张丝E,只要有很小力矩作用，就能使线圈偏转。
l 读数某些：小镜M固定在动圈上，它把光源射进来光束反射到标尺上形成一种光标，当电流流过动圈时，动圈受力偏转而带动小镜M转过α角，因而反射光束偏转角度为,光标在标尺上移动距离，L为小镜到标尺距离。
磁电式检流计构造
以光点式检流计为例，构造如图 1和图 2所示，检流计由三某些构成：

l 磁场某些：由永久磁铁(N,S)产生磁场，圆柱形软铁心(J)使气隙中磁场呈均匀辐射状。
l 偏转某些：能在气隙中转动矩形线圈C及从上下拉紧线圈金属张丝E,只要有很小力矩作用，就能使线圈偏转。
l 读数某些：小镜M固定在动圈上，它把光源射进来光束反射到标尺上形成一种光标，当电流流过动圈时，动圈受力偏转而带动小镜M转过α角，因而反射光束偏转角度为,光标在标尺上移动距离，L为小镜到标尺距离。
检流计工作原理
当被测电流IG(或电压)经悬丝流过动圈时，载流动圈受到气隙中永久磁铁产生磁场(磁感应强度B)作用。由于磁场是辐射装，因而手里动圈不论偏转到什么位置，B方向总与l(即IG)方向垂直，那么N匝载流动圈受到总磁力矩为
M = N B IG S= G IG &(1)
其中S为动圈面积，G = N B S 为检流计构造常数。
在电磁力矩M作用下动圈偏转，同步悬丝受扭力而产生反作用力矩(扭转力矩)，当作用在动圈上电磁力矩和悬丝反作用扭力矩平衡时，动圈停止偏转，则
N B IG S ＝ W a (2)
为悬丝扭转系数，偏转角a大小由读数装置读出，
n = 2L a (3)
则
(4)
或
(5)
CI称为检流计电流常数或分度值，单位是A/mm。如果检流计构造已定，则CI为一定值。在使用中，W或其她构造参数也许有变化，因此必要用实验测定CI。
在实际中，也惯用敏捷度SI来表达，即
(6)
SI单位是mm/A。
检流计运动状态
检流计动圈通电流后，除了受到电磁力矩和扭转力矩作用外，还存在空气阻尼力矩和电磁阻尼力矩，而悬丝是弹性材料制成，若动圈转动惯量为J，则动圈运动状态
(7)
或
(8)
其中称为衰减系数，为阻尼系数，，为固有角频率，依照衰减系数不同，有不同运动状态：

欠阻尼状态(b < wo 时):
公式8解为:
(9)
其中aF = G IG / W ，。 此时外电阻R较大，动圈以平衡位置aF为中心作一衰减振动，并且逐渐趋紧于平衡位置，运动曲线如图2.1.1-3中曲线I。特别当外电路断开和无空气阻尼(D=0)时候，动圈为无阻尼运动，以平衡位置aF为中心作等幅振动，运动曲线如图2.1.1-3中曲线IV。实际实验中由于空气阻尼D很小，当外电路断开时动圈以位置aF为中心作一衰减系数很小振动。
临界阻尼状态(b ＝ wo 时):
公式8解为:
(10)
其中aF = G IG / W 。动圈无振动不久达到平衡位置，此时外电阻称为临界电阻Rc,它运动曲线如图2.1.1-3中曲线II。普通来说，检流计临界阻尼状态是它抱负工作状态。
过阻尼状态(b > wo ,即R0<Rc)。
公式8解为:
(11)
其中aF = G IG / W ，。此时动圈也是做单向偏转运动，缓慢趋向平衡位置aF ，运动曲线如图2.1.1-3中曲线III。R越小，到达平衡位置时间越长。由于过阻尼运动中，动圈到达平衡时间长，并且不易判断动圈与否到达平衡位置，因而它对于测量是不利。
测量电路
由于检流计很敏捷，普通通过电流不能超过1uA,在实际测量中常采用图2.1.1-4电路。电压通过两次分压后得到很小电压(常不大于1mV)后才加到检流计电路中。第一次采用滑线变阻器分压，第二次采用固定电阻数量级分压。K2是换向开关，用它可以变换过检流计电流方向，K3是阻尼开关，将它合上就可以将检流计短路，检流计动圈就停止振动。

如图4，咱们得到
IG ( RG+RKP ) = ( I-IG )R1 (12)
(13)
由于R1<<R0,因此
(14)
电流常数
(15)
加在开关K2两端电压，由于RG+RKP>> R1,由公式（11）得到
(16)
检流计电压常数
(17)
检流计工作原理
当被测电流IG(或电压)经悬丝流过动圈时，载流动圈受到气隙中永久磁铁产生磁场(磁感应强度B)作用。由于磁场是辐射装，因而手里动圈不论偏转到什么位置，B方向总与l(即IG)方向垂直，那么N匝载流动圈受到总磁力矩为
M = N B IG S= G IG &(1)
其中S为动圈面积，G = N B S 为检流计构造常数。
在电磁力矩M作用下动圈偏转，同步悬丝受扭力而产生反作用力矩(扭转力矩)，当作用在动圈上电磁力矩和悬丝反作用扭力矩平衡时，动圈停止偏转，则
N B IG S ＝ W a (2)
为悬丝扭转系数，偏转角a大小由读数装置读出，
n = 2L a (3)
则
(4)
或
(5)
CI称为检流计电流常数或分度值，单位是A/mm。如果检流计构造已定，则CI为一定值。在使用中，W或其她构造参数也许有变化，因此必要用实验测定CI。
在实际中，也惯用敏捷度SI来表达，即
(6)
SI单位是mm/A。
检流计运动状态
检流计动圈通电流后，除了受到电磁力矩和扭转力矩作用外，还存在空气阻尼力矩和电磁阻尼力矩，而悬丝是弹性材料制成，若动圈转动惯量为J，则动圈运动状态
(7)
或
(8)
其中称为衰减系数，为阻尼系数，，为固有角频率，依照衰减系数不同，有不同运动状态：

欠阻尼状态(b < wo 时):
公式8解为:
(9)
其中aF = G IG / W ，。 此时外电阻R较大，动圈以平衡位置aF为中心作一衰减振动，并且逐渐趋紧于平衡位置，运动曲线如图2.1.1-3中曲线I。特别当外电路断开和无空气阻尼(D=0)时候，动圈为无阻尼运动，以平衡位置aF为中心作等幅振动，运动曲线如图2.1.1-3中曲线IV。实际实验中由于空气阻尼D很小，当外电路断开时动圈以位置aF为中心作一衰减系数很小振动。
临界阻尼状态(b ＝ wo 时):
公式8解为:
(10)
其中aF = G IG / W 。动圈无振动不久达到平衡位置，此时外电阻称为临界电阻Rc,它运动曲线如图2.1.1-3中曲线II。普通来说，检流计临界阻尼状态是它抱负工作状态。
过阻尼状态(b > wo ,即R0<Rc)。
公式8解为:
(11)
其中aF = G IG / W ，。此时动圈也是做单向偏转运动，缓慢趋向平衡位置aF ，运动曲线如图2.1.1-3中曲线III。R越小，到达平衡位置时间越长。由于过阻尼运动中，动圈到达平衡时间长，并且不易判断动圈与否到达平衡位置，因而它对于测量是不利。
测量电路
由于检流计很敏捷，普通通过电流不能超过1uA,在实际测量中常采用图2.1.1-4电路。电压通过两次分压后得到很小电压(常不大于1mV)后才加到检流计电路中。第一次采用滑线变阻器分压，第二次采用固定电阻数量级分压。K2是换向开关，用它可以变换过检流计电流方向，K3是阻尼开关，将它合上就可以将检流计短路，检流计动圈就停止振动。

如图4，咱们得到
IG ( RG+RKP ) = ( I-IG )R1 (12)
(13)
a) 由于R1<<R0,因此
(14)
电流常数
(15)
加在开关K2两端电压，由于RG+RKP>> R1,由公式（11）得到
(16)
检流计电压常数
(17)
三．实验内容
按照图 4 接好线路，取比例。将检流计上开关拨到“直接”档。
1.观测检流计运动状态并测量临界电阻。
合上开关K1,调节变阻器R使得光标偏转至60mm,断开K1使检流计处在测量状态。
(1) 依照临界阻尼工作状态规定，测量临界电阻Rc。
(2) 选用Rkp分别为时，鉴别检流计运动状态，测出光标第一次回到自然平衡位置(零点)时间和最后达到平衡位置阻尼时间（每种状态测两次）。
在上述操作中，选用适当R0/R1,使得光标偏转60mm。
2.测量检流计电流常数CI和电压常数CV。
(1) 选取Rkp= Rc,使检流计工作在临界状态，选取适当R0/R1,调节滑线变阻器R，使光标n=60mm,记下相应刻度n1和电压V01,然后将开关K2迅速倒向，记下反方向偏转n1’。
(2) 调节变阻器R,使得光标每次减少5mm,重复(1)环节，得到一组ni、ni’ 和V0i数据。
(3) 由,做出n-V曲线，求出K=Dn/DV,带入(15)和(17),计算CI和CV。
3．测量阻尼时间Tc
阻尼时间Tc是指在临界状态下，检流计从最大偏转位置(如60mm)到达稳定平衡位置需要时间，断开开关K1,测量三次Tc。
4.依照环节2数据，求最大偏转(60mm)时。
5.测量Rkp= 0.5Rc和2Rc及满偏60mm时CI和CV。
四．实验仪器
AC-15/3-6直流复射式检流计(光点检流计)、滑线电阻、电压表、电阻箱、开关等。AC-15/3-6直流检流计是属于便携型磁电式构造。它测量机构工作原理是基于有电流通过线圈与永久磁铁磁场间互相作用，活动线圈放置在软铁所制成铁心及永久磁铁中间，当有电流通过导电游丝，拉丝而通过线圈时，检流计活动某些产生转矩而转动，检流计活动某些偏转角度依通过线圈电流值，拉丝及导电游丝反作用力矩所决定。

由于检流计极其敏捷，普通通过电流不能超过1μA，否则要损坏检流计，在实际测量电路中，电压经两次分压后得到很小电压（常不大于1μA）才加到检流计电路中去，第一次就用滑线电阻器分压。

五．数据解决
1.测量得到,

3066.7
4600
9200
18400
27600
t/s
7.55
5.23
1.46
5.08
6.49
7.42
5.03
1.51
5.01
6.61

2. 时，，，

60
55
50
45
40
35

51.0
46.0
41.0
35.5
30.5
26

55.5
50.5
45.5
40.25
35.25
30.5

3.45
3.20
2.85
2.55
2.20
1.90

n-V曲线
K=15.90269mm/V Uk=0.32835

C1=6.46806*10^(-10)
Cv=6.28762*10^(-10)

满偏时：

其中：
电阻箱误差
因此

带入得

3.测量

∴
4. 时，，，

60
55
50
45
40
35

50.5
46.0
41.0
36.0
31.0
25.0

55.25
50.5
45.5
40.5
35.5
30.0

1.80
1.65
1.45
1.30
1.15
0.95

n-V曲线

5. 时，，，

60
55
50
45
40
35

52.0
47.0
46.0
36.5
31.5
26.0

56.0
51.0
42.0
40.75
35.75
30.5

7.00
6.45
5.75
5.10
4.45
3.80

n-V曲线

六．思考题

1. 由于测量办法和对象不同，选取检流计不但规定敏捷度适当，并且规定测量回路电阻与临界电阻匹配。
2. 在被测电流大小未知状况下，使用检流计时，应注意配一只分流器或串一只很大保护电阻，才干进行测试。当确认不会损坏检流表时，在提高检流计敏捷度，直到直接接通为止。