灵敏电流计的研究.doc

选六 灵敏电流计研究
一、 目要求
经过测量灵敏电流计电流常熟、 内阻、 临界阻尼等对电流计结构、 运动状态等有所了解。要求达成:
1．了解灵敏电流计结构;
2．掌握控制灵敏电流计运动状态方法;
3．学会等偏转法测量光电检流计内阻和电流常熟;
4．会依据光电运动状态来测定外临界阻尼;
5．熟悉用最小二乘法处理试验数据。
二、 仪器设备
光点检流计、 伏特计、 滑线变阻器、 标准电阻、 稳压电源、 停表。
三、 原理
灵敏电流计是一个用来测量微弱电流（10-6~10-9A）高灵敏度仪表, 常见作检流计。
1．结构
灵敏电流计是磁电式仪表。用金属丝E（称为张丝）绷紧可转动线圈。因为用张丝替换了一般转轴和轴承、 曲调了机械摩擦, 使电表灵敏度大大提升。在动圈上固定有小镜m（见图1）它把装在电流计前部小灯泡射来光反射到标尺上并形成一个光斑。当电流流进线圈时线圈带动小镜转动。设转角为（见图2）反射光线将转过2角, 光斑在标尺上移动距离n=2(为小镜m至标尺距离)由n可测出电流大小。因为用没有重量光指针替换一般电表金属指针, 相当于大大加长了指针长度, 深入提升了电表灵敏度。这就是“光电检流计”。
n用毫米作单位, 它正比于流过线圈电流I=kn, 称k为电流计常数, 单位是A/mm, 即光移动1mm所对应电流数值, 通常由制造厂家给出。k倒数S=1/k称为电流灵敏度。

图1 图2
2．电流计运动状态:
灵敏电流计可动部分运动特征（可动部分阻尼情况）与它是否能快速、 正确地读取示值是亲密相关。在高灵敏度磁电式检流机种, 因为需要匝数多动框和小空气隙, 必需采取无骨架动框, 可动部分阻尼作用只有动框来担任。这时在一些条件下它能确保有良好阻尼, 但在另部分条件下阻尼并不好。为了研究在多种使用条件下见流计情况, 必需间就她可动部分在运动过程中情况。依据研究结论, 在实际使用检流计时刻以加接部分外部线路, 利用点磁阻尼来控制线圈运动状态, 使光斑能快速停在平衡位置上, 缩短了读书时间。
检流计可动部分时, 作用在它上面有以下力矩:
a．流过动框电流产生移动力矩: 式中Ig为电流值, 等于转动框偏转一个“单位角度”时穿过它磁链;
b．张丝弹性产生反作用力矩: ; 式中W为张丝弹性扭转系数;
c．电磁阻尼力矩: ; 因为电流计工作时它内阻Rg与外电路上总电阻R外闭合组成回路, 有感应电流流过线圈。这个电流与磁场相互作用就会差生阻止线圈运动电磁阻尼力矩Mp, 且大小与回路成反比: ;
d．另有部分相对来说很小, 讨论时能够忽略力矩, 如空气阻尼力矩等。由理论力学固体绕轴转动时有:
, 即:

或 （1）
按解（1）式可求出与时间t关系, 据此可深入得到在多种情况下检流计最适合使用条件。,
在平衡时, 即及, 解方程得称为稳定偏转、 SI=为电流灵敏度, （2）
显然（2）是（1）特解。
在运动过程中, 流过检流计电流Ig不变, 由Ig引发运动方法不会改变, 它只是形成一个稳定偏转, 完全象没有电流流过时绕其纯力学平衡位置=0作振动一样。所以, 当电流接通时线圈返回零点运动完全相同（外电路中电阻R外一样时）。所以我们能够把偏转角看作由稳定偏转和改变偏转两部分组成 并只研究=0简单情况。
即 （3）
解此方程, 并对方程得解深入研究后得悉只要高变检流计电路电源电阻, 便能够使检流计在不一样状态下工作。
增大R外使MP减小, 线圈作振幅逐步衰减振动称为阻尼震荡或欠阻尼状态, 见图3曲线I。
减小R外使MP较大, 线圈缓慢地去想平衡位置。R外越小M就越大, 抵达平衡位置时间就越长。这种状态称为阻尼状态, 见曲线II。
当R外合适时线圈很快达成平衡位置又不发生振动, 称为临界阻尼, 见曲线III。此时
R外称为临界外电阻。
3．试验采取图4线路测定灵敏电流计内阻Rg、 临界外电阻R外、 电流计常数k。
III
II
I
0K3
G

V
E
K1
R0
b
R
① K2
②
Ra
Rb
V’

图3 图4
接通电源后将K2置于①位置调整R0, 由伏特计读出电压值V, 此电压经Ra、 Rb第二次分压后加在光电检流计G上（注意: 光点检流计工作选择钮置于“直接”位置）Ra通常取几千欧姆、 Rb为1欧姆标准电阻、 R+Rg通常有几百欧姆。
（4）
若此时将Ka快速合于位置②, 就能够观察到光斑回零时运动方法并判定它属于那种运动状态。
四、 试验内容
1．测量光点检流计内阻Rg和电流常数k。
采取等偏转法: 即调整R0得读书V1、 调R得读数R1此时光点偏转了一定格数（比如偏转70格）以后再调整R0得第二个读数V2, 同时调整R使光点偏转格数n保持不变。如此反复进行若干次, 测得了若干次数据, 依据④式用最小二乘法作线形回归就可求得Rg及k值。
2．观察光点检流计运动状态, 测量外临界电阻R外。
a．按检流计铭牌上给出R外数值, 取R=4R外 , 调整R0使光斑有70格偏转（电压计读数约为1伏）然后快速将K2①合于②观察回零时光点运动状态。
b．取R=（断开K2但不合于②）、 R=R外、 R=R外/4、 R=0等分别作类似于a项观察。
c．在前述观察中假如检流计是在振动状态, 就尽可能数次统计光斑在左右两边转回点（以格数表示）并最终再读一次零点。另外, 还必需尽可能多振动次数中观察统计光斑一顺经过零点时间, 从而测出振动周期T。应用这些数据画出振动与时间广西曲线。
假如光斑不作振动, 则应统计光斑回到零点时间。
d．在前述观察与判定基础上, 调整R使光斑做最靠近于理想状态临界阻尼运动（也就是回零时间最短）实际测量R外, 并于铭牌给出值比较。
五、 数据处理提醒
有公式④kn=VRb/Ra(R+Rg),设V/n为X则有:
R=XRb/(kRa)-Rg,用y=a+bx线形方程回归后得到系数a即为-Rg、 由系数b可求出k值。
六、 观察与思索
1．灵敏电流计在结构上作了哪些改善, 才能有较高灵敏度？
2．去了等偏转法还有什么其它方法能够测量Rg、 Ig么？
3．为何要二分电压？
4．Rb为何要用标准电阻？
5．标准电阻上为何用了4个接头？
6．图4线路中若Ka接在①处, 当K1合上和断开时检流计光斑运动情况怎样（R在不一样值时）？
7．图4中K3有什么用处？说明其作用原理与使用方法。
8．检流计扩大量程方法是在检流计两端并联分流电阻。图5为G扩展成三个量程: ×1、 ×10、 ×100。扩程时要注意什么问题？
直接
短路
R3
R2
R1
Rg

图5