电流传感器测量误差的影响有时也会很大

陈连余

（南京市金陵中学，江苏 南京 210005）

DIS实验中的传感器给我们的印象是直观性强、精确度高.但是，笔者在用电流传感器等研究“电源的输出功率与外电阻关系”时，由于电流传感器存在较大的测量误差，险些造成实验失败.

实验内容：研究电源的输出功率与外电阻关系.

实验器材：（1）旧干电池2节；（2）定值电阻10Ω 1只；（3）电阻箱（0～9999Ω）1只；（4）电流传感器（－1A～1A）1只；（5）电压传感器（－12V～12V）1只；（6）开关1只、导线若干.

实验过程：在电源外电路中接入电阻R，电源的输出功率P出理论分析表明，当外电阻R与电源内电阻r阻值相等时，电源的输出功率最大.在课堂教学中，笔者采用了实验探究、理论验证相结合的教学方法.实验电路如图1所示，用电压传感器测出路端电压U，用电流传感器测出干路电流I，电源的输出功率由P出＝IU计算得出.改变外电阻R，记下阻值，在图2中作出P出－R关系图线.

图1

图2

图3

考虑到电源的内电阻r比较小，一般在零点几欧姆到几欧姆，取到与之匹配的外电阻R不太容易，在实验时需要给电源串联一个定值电阻R0，从而构成等效电源，电路图为图3.实验数据记录和相应数据处理如表1.

表1

续表

作出P出－R关系图线如图4所示.

图4

得到的图线不够流畅，点迹似乎都在跳跃，功率最大值的位置不够突出.重复实验，情况大体相似，这就排除了偶然误差的因素.那么，究竟是什么原因呢？仔细琢磨表1中数据，用表中的电压值U除以电流值I计算得出的外电阻阻值，与表中最后一列所列电阻R不能吻合.电流越小，两值偏差越大.原来，是小电流惹的祸.电流传感器的测量精度为0.01A，当电流较小时，小数点后面第3位电流数值的取舍，将会带来较大的相对误差.电流值越小，取舍后的相对误差越大，在P出－R图上描点的跳跃性就会越大，得到的图线自然不可能流畅.

由于仪器所限，电流传感器的精度不能改变，所以我们只能提高电路中的工作电流，以便减少小数点后面第3位电流数值的取舍对结果的影响.尝试改串5Ω的定值电阻，重新实验，数据记录和数据处理如表2.

表2

续表

作出P出－R关系图线如图5所示.

图5

此时得到的关系图线较前流畅了许多，验证了前面的分析.当然，当外电阻接入大电阻时，电流值的相对误差仍较大，只是我们不去关注了.另外，串联的定值电阻R0阻值不宜过小，否则会给图线峰值左面的取点工作带来困难.