设计性实验报告

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电气与信息学院

一、实验目的

1.了解灵敏电流计的基本结构和基本原理,学习其使用方法。

2.测定灵敏电流计的电流常量、内阻和外临界电阻，掌握控制其

工作状态的方法。

二、实验原理

1、灵敏电流计的基本结构

灵敏电流计是一种高灵敏度的测量仪表，它的基本结构如图30-1所示。在永久磁铁、极之间，安置一个柱形软铁芯，使磁极与软磁芯之间产生均匀的径向磁场，矩形线圈用一根金属悬丝悬挂起来，该金属悬丝不仅作为线圈电流的进出引线，还作为线圈旋转的转轴。当线圈通有电流时，线圈在磁场中受到磁力矩而发生偏转，同时悬丝被扭转而产生反方向的弹性扭力矩。在偏转角为时，磁力矩和弹性扭力矩相等，线圈就达到平衡。

在悬丝上粘附一面小圆镜，它把光源射来的光反射到一个弧形标尺上，并形成一光标，如图30-2所示。设当没有电流通过线圈时，反射光的光标位于弧形标尺的“0”点上。当有电流通过线圈时，光标指在标尺刻度上。可以证明，电流的大小与光标偏转的长度成正比，即

Ig=Kd             （30-1）

式中比例常量称为灵敏电流计的电流常量，它在数值上等于光标移动一个单位长度时所通过的电流。在国际单位中，其单位为安[培]每毫米，记为。

电流常量的倒数称为灵敏电流计的灵敏度,记为。显然灵敏度愈大，灵敏电流计就愈灵敏。

2、线圈运动的阻尼特性

在使用灵敏电流计时，我们常会看到，当通过灵敏电流计的电流发生变化时，光标会摆动很久才逐渐地停在新的平衡位置上，这时读数很费时间。一般指针式电表由于内部装有磁阻尼线圈，通电后指针很快摆到平衡位置上，而不来回摆动。灵敏电流计却不可以用这种方法，它的阻尼问题需要借助于外电路来解决，因此需要研究灵敏电流计线圈运动的阻尼问题。

根据电磁感应定律，线圈在磁场中运动，由于切割磁力线而产生感应电动势，相应的感应电流与磁场相互作用而产生阻止线圈运动的电磁阻尼力矩，它的大小与回路的总电阻（电流计内阻与外电阻之和）成反比，即

           （30-2）

由上式可见，通过调节外电路电阻的大小，就可控制阻尼力矩的大小，从而控制线圈的运动状态。

⑴.当较大时，较小，线圈作来回减幅振动，需要经过较长时

间才能停在新的平衡位置上，这种运动状态称为阻尼振荡（或欠阻尼）状态，如图30-3曲线Ⅰ和 。

⑵.当较小时，较大，线圈缓缓地趋向新的平衡位置。这种状态称为过阻尼状态，如图30-3曲线Ⅱ和 。

⑶.当等于某一定值时，线圈很快达到平衡位置又不发生振荡。

这是介于前二种状态的中间状态，称为临界阻尼状态，如图30-3曲线Ⅲ和。这时对应的外电阻称为灵敏电流计的临界外电阻，记为。

从上述讨论可见，为了便于测量，我们总是使灵敏电流计处于临界状态或接近临界状态下工作。本实验的内容之一，就是测量灵敏电流计的临界外电阻。

当灵敏电流计开路时，阻尼很小，光标在标尺零点附近长时间的左右摆动不停，这是实验中不希望发生的。为此在灵敏电流计两端并联一个按键开关，如图30-4所示。按下按键，使灵敏电流计短路（外电阻为零），光标就很快停下来，这个按键通常称为阻尼开关。

3、测量电路

实验电路如图30-4所示。电源电压经过两次分压，在小电阻上得到极小的电压，设通过灵敏电流计的电流为，电压表上的电压为，在≤,≤的情况下，有

                              （30-3）

将式（30-1）代入上式，化简可得

     　　　                       （30-4）

上式表明，在、和不变的情况下，电阻与光标偏转的长度成反比，与电流计的电流常量成反比。

在保持电压，电阻和不变的情况下，改变电阻的大小，就可以得到一组相应的光标偏转长度的数值。以光标偏转长度的倒数为横坐标，以电阻为纵坐标，作图线。该图线为一条直线。从图线中求出直线的斜率，则灵敏电流计的电流常量为

 　　      　　                      （30-5）

求出直线的截距，则灵敏电流计的内阻为

                                   （30-6）

三、实验仪器

型直流复射式检流计，电阻箱，电压表，滑线变阻器，高精度稳压电源，按键开关，双刀双掷开关，单刀开关。

本实验以型直流复射式检流计作为所研究的灵敏电流计，其面板图如图30-5所示。该检流计用的是光影法读数系统，为使仪器在较小的内壳里有较高的灵敏度，由光源发出的一束光经过悬丝上的小镜和多面平面镜及球面镜多次反射后，再投影到标尺上，由投影到标尺上的光影（称为光指计）的位置来读数。

检流计所用照明电源有两种，一种是220，另一种是6.3。

检流计设有零点调节器和标盘活动调零器。零点调节器为零点粗调，标盘活动调零器为零点细调。

检流计有一个“分流器”，分为“短路”、“直接”、“×1”、“×0.1”、“×0.01”档，测量时应从最低灵敏度开始，若偏转不大，则可逐步转到高灵敏度测量，“×0.01”档为最低灵敏度档。为防止检流计悬丝、导电游丝因受机械振动而损坏，设有“短路”档，平时应将分流器设置在“短路”状态。

四、实验内容

<一>、调节灵敏电流计

1.将电源开关置于220V档，接通电源。

2.当指示光标出现后，将“分流器”置于“”档。转动“零点

调节”旋钮，将光标调至标尺零点附近（以内），微调“标盘活动调零器”，使光标与标尺零点重合。

<二>、观察灵敏电流计的三种运动状态，测量临界外电阻

1.按图30-4接好电路，开关、处于断开状态，经教师检查后

方可接通电源。的阻值先取临界外电阻（由仪器铭牌上读取）的倍，＜10Ω。取几千欧姆数量级（一般取）。

    2.合上开关，调节滑线变阻器使电压表读数为零。然后再合上，调节滑线变阻器缓缓增加电压，同时观察光标的运动，直至光标大约偏转到满刻度的一半时，断开，观察光标振动情况。当光标经过零点刻度时，立即按下断路开关，使光标迅速回到零点位置。如果光标静止后，零点不对正，应再次调整零点。然后反向接通开关，重复上述观察。停在零刻线上。反向接通，重复上述实验。

    3.测定外临界电阻

    先使较大，并使光标偏转到标尺满刻度的一半左右。断开，

观察光标振荡情况，然后使减小（同时减小电压，使光标不至超过满刻度），直到减小到光标的振动呈临界阻尼状态，即光标很快回到零刻线且不发生振动又恰好不超过零刻线，这时灵敏电流计处于临界阻尼状态。记下此时的值，则外临界电阻。要注意在适当的范围内改变的大小，从而找到光标从同一偏转位置回零时间最短的的阻值。

4.再减小的值，断开，观察光标的过阻尼状态。此时光标以

非常缓慢的速度趋向于零刻线。

<三>、测量电流计的电流常量和内阻

1.将“分流器”置于：“×1”档，调节滑线变阻器，使光标偏转

接近满刻度。

2.将电阻的值和光标偏转记入表30-1中，开关换向，使光

标反向偏转，记取光标偏转。取其中均值，以消除悬丝左右扭转时不对称带来的影响。

3.使每次增加（由实验室给出），共8次，重复步骤2。

4.以光标偏转长度的倒数（1/）为横坐标，电阻R₂为纵坐标，

作图线。从图线中求出直线的斜率和截距，据式（30-5）和式（30-6）分别求出电流计的电流常量和内阻。

五、数据处理

表30-1 测量灵敏电流计电流常数和内阻

=    Ω；=       Ω；=      Ω；=     V。

直线的斜率=       ；直线的截距=       Ω；

电流常量=        ；内阻=        Ω。

六、注意事项

1.测量中若光标振荡不停，可用按键开关，使电流计受到阻尼。

2.在改变电路，使用结束和移动电流计时，均应将电流计的“分流

器”置于“短路”档，使电流计处于短路状态。

3.接通电源后，若在标尺上未出现光标时，可将“分流器”置于“直

接”档，并将电流计轻微摆动，如有光标影象扫掠，则可调节“零点调节器”，使光标调至标尺上。

【思考题】

1.与指针式检流计相比，直流复射式检流计具有较高灵敏度的原因

有哪些？

    2.为什么在搬移检流计时，要使检流计处于短路状态？

 

第二篇：检流计的特性讲义

检流计的特性

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。

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2α,光标在标尺上移动的距离（格）为n?2?L，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 = N B IG S= G IG (1)

其中S为动圈面积，G = N B S 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

N B IG S ＝ W ?? (2)

W为悬丝的扭转系数，偏转角?的大小由读数装置读出，

n = 2L????

则

IG?W1?n?CI?n??2NBSL2L???(3) (4)

或

CI?IW?G??2NBSLn?(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

SI?1n???CIIG??(6)

SI的单位是mm/A。

? 检流计的运动状态

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???D?d???和电磁dt?

?G2d??阻尼力矩?而悬丝是弹性材料制成，若动圈的转动惯??R?Rdt??，

G??

量为J，则动圈运动状态

?G2????GIG????W???J??D?R?R???G???(7)

或

???2?????2???GIG??J???(8)

其中?称为衰减系数，?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 ??ame??tsin??t?????F

其中?F = G IG /J。 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),圈无振动地很快达到平衡位

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R0<Rc)时,动圈也是做单向偏转运

动，缓慢地趋向平衡位置?F , 运动曲线如图2.1.1-3中的曲线 (9)

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，第二次采用电阻箱分压。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

IG? (10) V0R1 (11) R0?R1RG?Rkp?R0R1

因为R1<<R0,所以

IG?V0R1 R0RG?Rkp?R1 (13)

电流常数

CI?IGV0R1? (14) nnR0RG?Rkp?R1加在开关K2两端的电压VK?IG?RG?Rkp??VG，由于RG+RKP>> R1,得到 2

检流计电压常数

CI?VG?V0R1 R0?R1 (15) VGV0R1? nnR0?R1 (17)

? 实验内容

本实验采用AC15/2型光标式检流计，固定分压电阻箱，电阻箱，滑线变阻器，15V稳压电源，伏特计，单刀开关、双刀换向开关、压触开关，秒表。

按照图 4 接好线路，取R1/R0为1比1000左右 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。

(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分别为临界电阻的、、1、2、3倍时，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。

3．测量阻尼时间Tc

4．测量自由振荡周期T0

5．根据步骤2的数据，求最大偏转(60mm)时的

选做实验：

1．测量检流计内阻R

2．测量Rkp= 0.5Rc和2Rc及满偏60mm时的CI和CV。

增选实验：

用检流计测一未知高阻，其值约为106Ω。提示如下：

（1）利用已测定了电流分度值、内阻和外临界电阻的检流计，设计合适线路。

（2）要求实验时，能使检流计有足够大的偏转，但不超出量程，光标偏转较快地达到稳定位置。 ?C?CI和V。 CICV1312

思考题

如果在实验中得到的临界电阻不准，对测得的电流常数CI和电压常数CV是否有影响，为什么？