扭摆共振式微电流计研制

陈伟成，颜俊雄，钟土基，陈国杰

（1.佛山科学技术学院 光信息工程系，广东 佛山 528000；2.佛山科学技术学院 光电子与物理学系，广东 佛山 528000）

微弱电流信号的测量是电信号探测领域的重要研究课题。目前测量微弱电流量的方法主要有：多通道微弱电流采集法［1］、基于单片机技术微弱电流测量法［2－3］、辐射式直流检流法［4］、基于电路微弱电流检测法等［5－9］。但是这些方法大多数都存在着一定的缺陷和不足，例如：多通道微弱电流采集法存在着原理复杂、操作困难的缺点；而单片机技术测量微弱电流的方法在设计上存在着编程难的缺陷；辐射式直流检测法也存在着测量不稳定和调零困难等。本文中采用扭摆的共振转动原理，并结合光电探测采集系统设计出一款扭摆共振式微电流计，克服了上述的方法的缺陷与不足，提高了微弱电流信号测量的精度和测量范围。

1 实验原理与装置

用铜线绕制成一个矩形线圈（扭摆线圈）作为测量电流的响应器件，将其悬挂在2个通有交变电流的电磁铁磁场中，构成一个电流扭摆，见图1。

图1 电流扭摆原理图

若将待测的微弱电流信号引入到扭摆线圈中，扭摆线圈在电磁铁线圈产生的磁场作用下将发生偏转。若给电磁铁线圈提供的交变电流的频率等于扭摆线圈做扭摆运动的固有频率是扭摆的转动惯量，K是摆子的扭转系数时，扭摆线圈将发生共振，扭摆运动的摆幅达到最大。这样，就可以利用共振扭动的最大摆幅作为仪器最佳的测量状态以实现对小信号测量的等效放大作用。若提供给电磁铁线圈的电流信号幅值是固定的，那么扭摆线圈作扭摆运动时的幅度只与流过线圈的电流大小有关。基于该物理原理，就可以通过对扭摆摆幅的测量来反演流过线圈的电流的大小，进而做成扭摆式电流计。由于线圈作扭摆运动的敏感性极高，所以利用该装置能够测量极小的电流量。

利用CCD摄像头实现信号采集，把扭摆线圈的摆幅转换成能够处理的电信号。处理方法是：在悬挂的测量线圈下方安置一个高像素的CCD摄像头，并且在线圈的下方安置一个固定式的黑色遮光薄片，该遮光片平面与摄像头的采光面相互垂直。当转动的扭摆带动遮光片遮挡摄像头的某一部分时，摄像头输出的图像在遮光部分显示为黑色阴影，其他未被遮挡的部分显示为白色。扭摆摆动越大，遮光部分就越大，其阴影面积也就越大。把采集到的图像信号进行二值化，交给单片机或计算机处理。

把扭摆线圈的摆幅和通过线圈的待测电流大小进行关联，同时也把通过悬挂线圈的电流大小和遮光片遮挡CCD摄像头所产生的阴影面积进行相关。这样，只要知道了遮光片遮挡CCD摄像头所产生的阴影面积，就能反演出被测电流的大小。图2为扭摆式光电探测型微电流计内部实物图。

图2 扭摆共振式光电探测型微电流计内部实物图

2 实验数据与分析

2.1 固有频率的测量与分析

为了让微电流计工作在共振响应区域，先要确定微电流计的扭摆共振频率。为此，为扭摆线圈供给一个大小为0.047 5mA的恒定电流，同时给扭摆线圈两旁的电磁铁线圈提供1.35～1.63Hz的交变电流信号，则扭摆线圈在交变磁场中作周期性的扭摆运动，逐点测量扭摆线圈在不同频率的交变磁场中作扭摆运动的不同摆幅。图3是通入恒定电流的扭摆线圈在不同频率的交变磁场中因扭摆运动而使遮光片对CCD摄像头产生阴影面积（像素）间的物理关系。从图中可知，该扭摆共振电流计的扭摆共振频率为1.57Hz。

图3 不同频率磁场和阴影面积（像素）变化的关系曲线

为了验证测量得到的共振频率是否准确，从理论角度来验证扭摆线圈的共振频率。该扭摆线圈边长分别为a＝2.4cm，b＝1.2cm，质量m＝1.96g，理论计算得到扭摆线圈的转动惯量J为0.818×10－3kg／m2［10－12］。通过扭摆常数法测得悬挂线圈的扭摆常数K为0.495×10－4kg·m2／s2。因此，扭摆线圈作扭摆运动时的固有频率的理论值为

可见，理论计算值与实验测量值吻合较好。故在随后的微电流测量实验中，交变电流频率设定为1.57Hz。

2.2 电流计定标

为了该微电流计能准确测量电流值，还需要对电流计进行定标。具体定标方法是：把不同电流标称值的微弱电流信号通入到扭摆线圈中，得到不同电流I输入条件下CCD摄像头探测到的遮光片遮挡CCD所构成的不同阴影面积的测量数据。若将电流值与CCD探测到的阴影面积（像素点）进行数学相关，便可得到电流与阴影面积像素的相应拟合曲线与拟合方程。根据拟合方程就可以完成微电流计的测量定标。图4是不同电流标称值与CCD摄像头探测的阴影面积的拟合曲线。图4中实验点以方块点标记，实线为拟合曲线。相应的拟合曲线的表达式为

式中F为摄像头探测到阴影面积，单位为像素；I为被测电流大小。只要扭摆线圈单次扭转不超过90°，该微电流计都能根据定标方程进行有效的测量。该微电流计测量范围预计能扩展至0～5mA，远远超越了同类微电流计测量仪的测量范围。

图4 电流大小和像素（对应阴影面积）变化的数据拟合曲线

2.3 电流计的测量误差分析

用我们设计的微电流计和商用的PA91A型直流数字电流表同时对相同标称值的微弱电流进行测量，若以PA91A型直流数字电流表的测量值作为准确数据，实验测量结果表明，我们设计的微电流计的测量相对误差E＝5%以内。图5是我们的电流计对不同电流标称值的相对误差分布图。

图5 不同的电流值所对应的相对误差

3 结论

基于扭摆转动原理，结合CCD摄像光电采集系统，设计出扭摆共振式光电探测型微电流计。该微电流计中的扭摆线圈工作在转动共振条件下时能使电流计的测量灵敏度得到提高，扭摆线圈的共振频率为1.57Hz。与商用电流计相比，该电流计的电流测量值的相对误差在5%以内。

（References）

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