检流计的特性研究

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-15姓名：张琦日期：2012.11.29一．实验简介:检流计是磁电式仪表，它是根据载流线圈在磁场中受到力矩而偏转德原理制成的。普通电表中线圈是安放在轴承上，用弹簧游丝来维持平衡，用指针来指示偏转。由于轴承有摩擦，被测电流不能太弱。检流计使用极细的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，所以有很弱的电流通过线圈就足以使它产生显著的偏转。因而检流计比一般的电流表灵敏的多，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。首次记录神经动作电位，就是用此类仪器实现的。检流计的另一种用途是平衡指零，即根据流过检流计的电流是否为零来判断电路是否平衡，它被广泛使用在直流电桥和电位差计中。本实验的目的就是为了了解磁电式检流计的结构、原理和运动规律，测量临界电阻，通过测量它的灵敏度和内阻，学习正确的使用方法。二．实验原理磁电式检流计的结构以光点式检流计为例，结构如图1和图2所示，检流计由三部分组成：磁场部分：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。偏转部分：能在气隙中转动的矩形线圈C及从上下拉紧线圈的金属张丝E,只要有很小的力矩作用，就能使线圈偏转。读数部分：小镜M固定在动圈上，它把光源射进来的光束反射到标尺上形成一个光标，当电流流过动圈时，动圈受力偏转而带动小镜M转过α角，因而反射光束偏转的角度为,光标在标尺上移动的距离，L为小镜到标尺的距离。磁电式检流计的结构以光点式检流计为例，结构如图1和图2所示，检流计由三部分组成：磁场部分：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。偏转部分：能在气隙中转动的矩形线圈C及从上下拉紧线圈的金属张丝E,只要有很小的力矩作用，就能使线圈偏转。读数部分：小镜M固定在动圈上，它把光源射进来的光束反射到标尺上形成一个光标，当电流流过动圈时，动圈受力偏转而带动小镜M转过α角，因而反射光束偏转的角度为,光标在标尺上移动的距离，L为小镜到标尺的距离。检流计的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的磁场(磁感应强度B)的作用。由于磁场是辐射装的，因此手里的动圈不管偏转到什么位置，B的方向总与l(即IG)的方向垂直，那么N匝载流动圈受到的总磁力矩为M=NBIGS=GIG&(1)其中S为动圈面积，G=NBS为检流计的结构常数。在电磁力矩M的作用下动圈偏转，同时悬丝受扭力而产生反作用力矩(扭转力矩)，当作用在动圈上的电磁力矩和悬丝的反作用扭力矩平衡时，动圈停止偏转，则NBIGS＝W(2)为悬丝的扭转系数，偏转角的大小由读数装置读出，n=2L(3)则(4)或(5)CI称为检流计的电流常数或分度值，单位是A/mm。如果检流计的结构已定，则CI为一定值。在使用中，W或其他结构参数可能有变化，所以必须用实验测定CI。在实际中，也常用灵敏度SI来表示，即(6)SI的单位是mm/A。检流计的运动状态检流计的动圈通电流后，除了受到电磁力矩和扭转力矩的作用外，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，若动圈的转动惯量为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，根据衰减系数的不同，有不同的运动状态：欠阻尼状态(o时):公式8的解为:(9)其中F=GIG/W,。此时外电阻R较大，动圈以平衡位置F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中的曲线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F为中心作等幅振动，运动曲线如图2.1.1-3中的曲线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F为中心作一衰减系数很小的振动。临界阻尼状态(＝o时):公式8的解为:(10)其中F=GIG/W。动圈无振动的很快达到平衡位置，此时的外电阻称为临界电阻Rc,它的运动曲线如图2.1.1-3中的曲线II。一般来说，检流计的临界阻尼状态是它的理想工作状态。过阻尼状态(o,即R0Rc)。公式8的解为:(11)其中F=GIG/W,。此时动圈也是做单向偏转运动，缓慢的趋向平衡位置F,运动曲线如图2.1.1-3中的曲线III。R越小，到达平衡位置的时间越长。因为过阻尼运动中，动圈到达平衡的时间长，而且不易判断动圈是否到达平衡位置，因此它对于测量是不利的。测量电路由于检流计很灵敏，一般通过电流不能超过1uA,在实际测量中常采用图2.1.1-4的电路。电压经过两次分压后得到很小的电压(常小于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的数量级分压。K2是换向开关，用它可以变换过检流计的电流方向，K3是阻尼开关，将它合上就可以将检流计短路，检流计的动圈就停止振动。如图4，我们得到IG(RG+RKP)=(I-IG)R1(12)(13)因为R1R0,所以(14)电流常数(15)加在开关K2两端的电压，由于RG+RKPR1,由公式（11）得到(16)检流计电压常数(17)检流计的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的磁场(磁感应强度B)的作用。由于磁场是辐射装的，因此手里的动圈不管偏转到什么位置，B的方向总与l(即IG)的方向垂直，那么N匝载流动圈受到的总磁力矩为M=NBIGS=GIG&(1)其中S为动圈面积，G=NBS为检流计的结构常数。在电磁力矩M的作用下动圈偏转，同时悬丝受扭力而产生反作用力矩(扭转力矩)，当作用在动圈上的电磁力矩和悬丝的反作用扭力矩平衡时，动圈停止偏转，则NBIGS＝W(2)为悬丝的扭转系数，偏转角的大小由读数装置读出，n=2L(3)则(4)或(5)CI称为检流计的电流常数或分度值，单位是A/mm。如果检流计的结构已定，则CI为一定值。在使用中，W或其他结构参数可能有变化，所以必须用实验测定CI。在实际中，也常用灵敏度SI来表示，即(6)SI的单位是mm/A。检流计的运动状态检流计的动圈通电流后，除了受到电磁力矩和扭转力矩的作用外，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，若动圈的转动惯量为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，根据衰减系数的不同，有不同的运动状态：欠阻尼状态(o时):公式8的解为:(9)其中F=GIG/W,。此时外电阻R较大，动圈以平衡位置F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中的曲线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F为中心作等幅振动，运动曲线如图2.1.1-3中的曲线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F为中心作一衰减系数很小的振动。临界阻尼状态(＝o时):公式8的解为:(10)其中F=GIG/W。动圈无振动的很快达到平衡位置，此时的外电阻称为临界电阻Rc,它的运动曲线如图2.1.1-3中的曲线II。一般来说，检流计的临界阻尼状态是它的理想工作状态。过阻尼状态(o,即R0Rc)。公式8的解为:(11)其中F=GIG/W,。此时动圈也是做单向偏转运动，缓慢的趋向平衡位置F,运动曲线如图2.1.1-3中的曲线III。R越小，到达平衡位置的时间越长。因为过阻尼运动中，动圈到达平衡的时间长，而且不易判断动圈是否到达平衡位置，因此它对于测量是不利的。测量电路由于检流计很灵敏，一般通过电流不能超过1uA,在实际测量中常采用图2.1.1-4的电路。电压经过两次分压后得到很小的电压(常小于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的数量级分压。K2是换向开关，用它可以变换过检流计的电流方向，K3是阻尼开关，将它合上就可以将检流计短路，检流计的动圈就停止振动。如图4，我们得到IG(RG+RKP)=(I-IG)R1(12)(13)a)因为R1R0,所以(14)电流常数(15)加在开关K2两端的电压，由于RG+RKPR1,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，取的比例。将检流计上的开关拨到“直接”档。1.观察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使检流计处于测量状态。(1)根据临界阻尼的工作状态要求，测量临界电阻Rc。(2)选取Rkp分别为时，判别检流计的运动状态，测出光标第一次回到自然平衡位置(零点)的时间和最终达到平衡位置的阻尼时间（每种状态测两次）。在上述操作中，选取合适的R0/R1,使得光标偏转60mm。2.测量检流计的电流常数CI和电压常数CV。(1)选择Rkp=Rc,使检流计工作在临界状态，选择合适的R0/R1,调节滑线变阻器R，使光标n=60mm,记下对应的刻度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)的步骤，得到一组ni、ni’和V0i的数据。(3)由,做出n-V曲线，求出K=n/V,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的时间，断开开关K1,测量三次Tc。4.根据步骤2的数据，求最大偏转(60mm)时的。5.测量Rkp=0.5Rc和2Rc及满偏60mm时的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结构。它的测量机构工作原理是基于有电流经过线圈与永久磁铁磁场间的互相作用，活动线圈放置在软铁所制成的铁心及永久磁铁中间，当有电流通过导电游丝，拉丝而经过线圈时，检流计活动部分产生转矩而转动，检流计活动部分偏转的角度依通过线圈的电流值，拉丝及导电游丝的反作用力矩所决定。由于检流计极其灵敏，一般通过的电流不能超过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的电压（常小于1μA）才加到检流计电路中去，第一次就用滑线电阻器分压。五．数据处理1.测量得到9200CR,/KPRCR31CR21CRCR2CR33066.7460092001840027600t/s7.555.231.465.086.497.425.031.515.016.612.9200CKPRR时,200000R,21R,520GRmmni/605550454035mmni/'51.046.041.035.530.526mmni/55.550.545.540.2535.2530.5VVi/03.453.202.852.552.201.90n-V曲线K=15.90269mm/VUk=0.32835C1=6.46806*10^(-10)Cv=6.28762*10^(-10)满偏时：11110000RRRRRRRRRRRRRRnnVVCCKPGKPGKPGKPGII1101010000RRRRRRRRnnVVCCVV其中：0375.05.71005.00V5.0n%5.0GGRR电阻箱误差R6005.0%1.0所以07243.042.06005.0%1.010RR06622.046.06005.0%1.0KPR带入得05569.09200520206622.0520%5.007243.0920052022920052010207243.0605.045.30375.0411110000