檢流計

用於測微弱電流的磁電式儀錶

檢流計,檢測微弱電量用的高靈敏度的機械式指示電錶,用於電橋、電位差計中作為指零儀錶,也可用於測微弱電流、電壓以及電荷等。主要有磁電系檢流計、光電放大式檢流計、衝擊檢流計、振動檢流計和振子等。

原理


檢流計
檢流計
檢流計是磁電式儀錶,它是根據載流線圈在磁場中受到力矩而偏轉的原理製成的。普通電錶中線圈是安放在軸承上,用彈簧遊絲來維持平衡,用指針來指示偏轉。由於軸承有摩擦,被測電流不能太弱。檢流計使用極細的金屬懸絲代替軸承懸掛在磁場中,由於懸絲細而長,反抗力矩很小,所以有很弱的電流通過線圈就足以使它產生顯著的偏轉。因而檢流計比一般的電流表靈敏的多,可以測量微電流(10-7~10-10A)或者微電壓(10-3~10-6V),如光電流、生理電流、溫差電動勢等。首次記錄神經動作電位,就是用此類儀器實現的。
檢流計的另一種用途是平衡指零,即根據流過檢流計的電流是否為零來判斷電路是否平衡,它被廣泛使用在直流電橋和電位差計中。

結構


以光點式檢流計為例,檢流計由三部分組成:(1)磁場部分:由永久磁鐵(N,S)產生磁場,圓柱形軟鐵心(J)使氣隙中磁場呈均勻輻射狀。(2)偏轉部分:能在氣隙中轉動的矩形線圈C及從上下拉緊線圈的金屬張絲E,只要有很小的力矩作用,就能使線圈偏轉。(3)讀數部分:小鏡M固定在動圈上,它把光源射進來的光束反射到標尺上形成一個游標,當電流流過動圈時,動圈受力偏轉而帶動小鏡M轉過角,因而反射光束偏轉的角度為,游標在標尺上移動的距離n=L*α,L為小鏡到標尺的距離。
運動狀態
檢流計
檢流計
按阻尼的大小不同,有不同的運動狀態:1)無阻尼狀態當β=0,即外電路開路(R→∞)和無空氣阻尼(D=O)時,動圈為無阻尼狀態,以平衡位置為中心做等幅振動;(2)實際運動狀態實際上阻尼總是存在的,當R≠∞,D≠0時有三種運動狀態.1)欠阻尼狀態:此時外電阻R較大,β<ω,動圈以平衡位置為中心作衰減振動,並且逐漸趨緊於平衡位置。2)臨界阻尼狀態:R=Rc,β=ω,動圈無振動的很快達到平衡位置,此時的外電阻稱為臨界電阻Rc,一般來說,檢流計的臨界阻尼狀態是它的理想工作狀態。3)過阻尼狀態:當β>ω,即R
磁電系其結構和工作原理與磁電系電錶基本相同。作為檢流計,要求有較高的靈敏度,主要是電壓靈敏度和電流靈敏度。為提高電流靈敏度,通常要增加轉動力矩,例如加強磁場和增加動圈匝數。但限於氣隙尺寸,須用很細的導線繞制動圈。因此電流靈敏度高的檢流計的動圈電阻(內阻)較高。此外,要降低反抗力矩,可採用力矩很弱的拉絲(或懸絲)將動圈安置在永久磁鐵的氣隙中。為此,檢流計使用時要保持水平位置。檢流計動圈沒有金屬框架,阻尼力矩由動圈本身提供,動圈在氣隙磁場中運動時,切割磁通而產生電動勢,此電動勢引起的流過動圈和外電路的電流,在檢流計中又與磁場作用產生阻尼力矩。因此,外電路的結構要影響檢流計阻尼的強弱。若使檢流計指示迅速達到穩定,應令其工作在稍欠阻尼狀態。磁電系檢流計是很精細的電錶,不使用時,須將兩端短路,這時阻尼最強,可保護檢流計可動部分少受損害。檢流計刻度盤上的刻度分格是均勻的,零點標在度盤中心。動圈左右偏轉,都可讀數。刻度上雖然標有數值,只是表示分格數;用於測電流、電壓時,要另行標定刻度分格所代表的準確數值。磁電系檢流計的電流靈敏度以電流常數(電流靈敏度與電流常數互為倒數)表示,可達10-9安/分格或更高,內阻達幾千歐。用檢流計測微弱電壓時,要求有較高的電壓靈敏度。因檢流計測量的基本量是電流,如要求在一定的被測電壓下能有較大的電流通過檢流計,則希望檢流計有較低內阻,但此時電流的靈敏度降低。因此,電壓靈敏度高的檢流計,其電流靈敏度要低些(例如10-7安/分格)。為使用方便,可將磁電系檢流計做成攜帶型,動圈用張絲拉緊,並採用光線多次反射以提高靈敏度。光電放大式檢流計,將光電放大器與兩個磁電系檢流計結合在一起即構成圖2所示的光電放大式檢流計。初級檢流計接在被測迴路中,它的小鏡將光線反射到差分光電池上。兩光電池的輸出電流之差流入次級檢流計G2。如此可獲得較強的信號。為使檢流計工作穩定,通常採用負反饋線路。
使用方法1.觀察檢流計運動狀態並測量臨界電阻。合上開關K1,調節變阻器R使得游標偏轉至60mm,斷開K1使檢流計處於測量狀態。(1) 根據臨界阻尼的工作狀態要求,測量臨界電阻Rc。(2) 選取Rkp分別為臨界電阻的31、21、1、2、3倍時,判別檢流計的運動狀態,測出遊標第一次回到自然平衡位置(零點)的時間和最終達到平衡位置的阻尼時間(每種狀態測兩次)。在上述操作中,選取合適的R0/R1,使得游標偏轉60mm2.測量檢流計的電流常數CI和電壓常數CV。(1) 選擇Rkp= Rc,使檢流計工作在臨界狀態,選擇合適的R0/R1,調節滑線變阻器R,使游標n=60mm,記下對應的刻度n1和電壓V01,然後將開關K2迅速倒向,記下反方向偏轉n1’。(2) 調節變阻器R,使得游標每次減少5mm,重複(1)的步驟,得到一組ni、ni’ 和V0i的數據。由平均值做出n-V曲線,求出K=n/V,帶入(15)和(17),計算CI和CV。3.測量阻尼時間Tc 阻尼時間Tc是指在臨界狀態下,檢流計從最大偏轉位置(如60mm)到達穩定平衡位置需要的時間,斷開開關K1,測量三次Tc。[2] 4.根據步驟2的數據,求最大偏轉(60mm)時的5.測量Rkp= 0.5Rc和2Rc及滿偏60mm時的CI和CV。
注意事項檢流計使用時在“直接”檔進行調零和測量,實驗完畢後放回“短路”檔。檢流計在實驗過程中要避免受震動。在調節Rkp過程中要注意對檢流計的保護以防進入檢流計電流過大。
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