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概述

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galvanometer
检测微弱电量用的高灵敏度的机械式指示电表,用于电桥电位差计中作为指零仪表,也可用于测微弱电流、电压以及电荷等。主要有磁电系检流计、光电放大式检流计、冲击检流计、振动检流计和振子等。

原理

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。

磁电系

其结构(图1) 和工作原理与磁电系电表基本相同。作为检流计,要求有较高的灵敏度,主要是电压灵敏度和电流灵敏度。为提高电流灵敏度,通常要增加转动力矩,例如加强磁场和增加动圈匝数。但限于气隙尺寸,须用很细的导线绕制动圈。因此电流灵敏度高的检流计的动圈电阻(内阻)较高。此外,要降低反抗力矩,可采用力矩很弱的拉丝(或悬丝)将动圈安置在永久磁铁的气隙中。为此,检流计使用时要保持水平位置。检流计动圈没有金属框架,阻尼力矩由动圈本身提供,动圈在气隙磁场中运动时,切割磁通而产生电动势,此电动势引起的流过动圈和外电路的电流,在检流计中又与磁场作用产生阻尼力矩。因此,外电路的结构要影响检流计阻尼的强弱。若使检流计指示迅速达到稳定,应令其工作在稍欠阻尼状态。磁电系检流计是很精细的电表,不使用时,须将两端短路,这时阻尼最强,可保护检流计可动部分少受损害。
检流计刻度盘上的刻度分格是均匀的,零点标在度盘中心。动圈左右偏转,都可读数。刻度上虽然标有数值,只是表示分格数;用于测电流、电压时,要另行标定刻度分格所代表的准确数值。
磁电系检流计的电流灵敏度以电流常数(电流灵敏度与电流常数互为倒数)表示,可达10-9安/分格或更高,内阻达几千欧。用检流计测微弱电压时,要求有较高的电压灵敏度。因检流计测量的基本量是电流,如要求在一定的被测电压下能有较大的电流通过检流计,则希望检流计有较低内阻,但此时电流的灵敏度降低。因此,电压灵敏度高的检流计,其电流灵敏度要低些(例如10-7安/分格)。
为使用方便,可将磁电系检流计做成便携式,动圈用张丝拉紧,并采用光线多次反射以提高灵敏度。
光电放大式检流计  将光电放大器与两个磁电系检流计结合在一起即构成图2所示的光电放大式检流计。初级检流计接在被测回路中,它的小镜将光线反射到差分光电池上。两光电池的输出电流之差流入次级检流计G2。如此可获得较强的信号。为使检流计工作稳定,通常采用负反馈线路。

使用方法

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分别为临界电阻的31、21、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。
(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。 由平均值做出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。

注意事项

检流计使用时在“直接”档进行调零和测量,实验完毕后放回“短路”档。
检流计在实验过程中要避免受震动。
在调节Rkp过程中要注意对检流计的保护以防进入检流计电流过大。

冲击电流测量

测短暂脉冲电流所含电荷量的磁电系检流计。其可动部分具有较大惯量。为保证测量准确度,理论上要求在短暂脉冲电流通过检流计时,可动部分应静止不动;短暂脉冲消失后,可动部分或单方向,或以刻度零点为中心作衰减摆动。不论哪种情况,取最大偏转或摆动的第一次最大值αm来表示电荷量Q的大小,即αm=SqQ,Sq是冲击检流计的冲击灵敏度。可通过接入光电放大器来提高冲击检流计的Sq。普通磁电系检流计也可用以测电荷量,但其可动部分的惯量不够大,会产生测量误差

振子

可动部分的质量和惯量都很小的磁电系检流计测量机构。由张丝支承的可动部分装在圆柱形框架中,并罩以外套管,内充硅油,以实现阻尼作用。外套管上有一透镜窗口,光线通过它聚焦到可动部分的反射小镜上。振子能跟随快速变化量动作,可反映10000赫以下交变量的变化情况。主要用于光线示波器中。

振动检流计

一种动磁铁式检流计。可动部分由小块永久磁铁和小镜构成,其上下被张丝拉紧。小磁铁处于用叠片组成的磁极间,磁极上绕有线圈,被检测电流i通入此线圈后,由于可动部分的质量和惯性都较小,因此,可动部分可跟随电流i引起的交变磁场的瞬时值的变化动作。小镜左右摆动,光线被小镜反射后,在标尺上形成光带。i为零时,小镜不动,光带缩成一条线。
为使振动检流计的灵敏度达到最高,其可动部分的机械振动频率应与外加电流频率产生谐振。为此设置了另一套为调谐用的永磁系统,它包括磁轭和一可旋动的永久磁铁。旋动永久磁铁可改变调谐系统磁轭的磁极强度,即可改变与可动部分小磁铁间的吸力。这等效于调整了可动部分中张丝的拉力,因此改变了可动部分的机械谐振频率。这种检流计主要用于工频,作指零仪表。
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