电流表测量直流电流的基本原理

电流表测量直流电流的基本原理

随着现代和测量技术的发展，越来越多的领域需要正确测量永交流信号，尤其是弱电流信号。通常直流电流的测量方法是将电流表直接串联到被测电路中,“理想”地认为电流表的接入不会引起任何误差。事实上,电流表的接入改变了电路参数特性,引入测量误差。对于弱电流信号的测量,有很多因素都会对测量电路产生干扰,带来测量误差。由于电流表测量电流的基本原理一般有两种,不同的原理结构,适合测量的电流范围也不一样。对于直流弱电流信号的测量最好采用反馈式电流表进行测量,实际测量过程中还应考虑多个环节的干扰因素,采取相应的措施,尽可能地减少测量误差。1数字流表的电路设计电流表测量电流的基本原理一般分为两种:分流式和反馈式。分流式是最常见的,数字多用表的电流功能和较早型号的小电流表一般采用分流式,新型的皮安表和多功能静电计则是反馈式。静电计测量的电流量程更低,一般用于微弱电流测量,目前能达到的测量下限为几个pA。1.1电压vo的计算分流式电流测量原理是在输出端得到一个与被测电流成比例的输出电压,通过一个电阻形式分流器调节输出的电压,原理如图1所示。输入电流II,N流过分流电阻RS,电流II,N与电压VO成线性关系。输出电压为:分流式测量弱小电流时,由于结构原理限制,必须要阻值大的分流电阻RS才能形成可测量的电压VO。大阻值电阻准确度较低,稳定性和受环境温度变化影响大,无法满足准确度高的要求,分流式电流测量只能适合测量大于10-6A以上电流。由于测量原理的限制,一般的数字多用表电流的量程下限为1mA,有的能达到100µA。1.2反馈式电流表反馈式电流测量适合10-6A以下数量级的弱电流,具有较低的输入阻抗,比分流式更接近“理想”电流表。现在的被测电流幅值越来越小,反馈式电流表的用途也越来越多。反馈式电流测量电路是在高增益的运放反馈回路上产生一个压降VO,该压降与输入电流成一定比例,该压降为运放的输出端,原理如图2所示。电流表的输入端压降等于输出电压VO除以运放的增益倍数(一般为105),输入端压降很小,通常在200µV以下,电流表的输入电阻也很小。RF为反馈电阻器,放大器A输出电压表示为:2测量中电流误差分析2.1端压降的电路设计电流表的输入端电压称为输入端压降,相比电流表接入前,该压降会通过电流表形成一个非常小的电流,电流表读取的不是真正的被测电流。理想电流表不会改变电流流过的电路,所以它应该具有零输入电阻和零输入端压降。但是实际的电流表会引入一个非零的输入端压降,该误差由电流表输入端压降除以被测电路的电阻表示。分流器电流测量原理中,电流表对测量回路产生一定的压降,相当于电流表有一定的内阻,如果是弱电流的测量则可能会产生较大的误差。数字万用表和指针式电流表输入端压降通常在几十或几百毫伏数,如数字多用表34401A、Keithley2000等。反馈式电流表的输入端压降通常在200µV以下,如静电计6517A、皮安表6485等。如果用普通的分流式电流表测量弱电流,分析输入端压降对电流测量的影响,如图3所示。电流源等效为电压源模型,假设电流源内部电压源VS为10mV,内阻RS为5kΩ,理想的电流表输入端压降应该为零,则电路中理想电流为:实际的电流表都有一定的输入端压降,如果输入端压降VB为1mV,则电流表测得的电流值为:在这个测量电路中1mV的电流表输入端压降给该测量电路带来了2µA–1.8µA=0.2µA的误差,相对于理想值2µA为10%。2.2产生很大影响弱电流的测量中噪声干扰会对测量结果产生很大影响。主要的噪声干扰是由被测电流源的内阻和电容引起的,通过电路分析,可以采取相应措施,减小测量误差。2.2.1源内阻rs阻值静电计测量弱电流的原理如图4所示。被测电流源的内阻会产生噪声干扰,源内阻越小,电流表的噪声电压越大。被测源内阻和源电容由RS和CS表示,VS为电流源的电压,VI,N为输入噪声电压,VO,N为输出噪声电压,RF和CF为电流表反馈电阻和电容。电路的输出噪声电压为:由式(7)可以看出,如果源内阻RS阻值减小,输出噪声将增大。为了减小输出电压噪声,源内阻RS阻值应尽量大。不同的量程范围,电流源内阻的要求不同,RF阻值大小取决于电流量程范围,通常规定电流源内阻的最低参考值如表1所示。2.2.2输出噪声频率电流源的电容也会对电流测量产生噪声干扰,如图4中6517A静电计测量电流源,电流源电容增加,噪声也随之增加。电流源电容CS和静电计反馈电容CF表示的输出噪声电压为:式中:ZF为反馈阻抗,由CF和RF表示;ZS为电流源阻抗,由RS和CS表示。即:式中f为干扰噪声频率。当电流源电容CS增加,阻抗值ZS则减小,噪声增益则相应增大。对于用静电计6517A测量的电流源的电容CS要求最大值为10000pF,不过当测量的电流源的电容超过这个值的时候,可串连一个电阻来增加源内阻的阻值,根据不同量程范围,参考表1选择所需要的串联电阻阻值。2.3静电计工作原理弱电流测量中,如果电流表没有正确接地,漏电流会对测量结果产生很大误差。如图5所示,E为被测电流源的电压10V,RL为漏电阻,静电计所测得的电流不仅有通过R的电流IR,还包括通过绝缘电阻RL上的漏电流IL,静电计实际测得的电流值为:IR+IL。如果将电流表输入低端LO与机壳接地,漏电流IL通过电流表输入低端LO分流,电流表测得的电流值只有IR,如图6所示,弱电流测量中,正确接地可以大幅度减小漏电流,即将电流表的输入低端LO与地连接。以下根据实际数据分析浮地测量和接地测量对测量结果的影响。2.3.1u3000漏电阻rl的压降图7为没有接地的浮地电流测量等效电路。电流表需要测量的是通过电阻R的电流IR,由于电流表输入低端LO没有接地,电流表的输入低端LO与测试电路的地之间存在漏电流IL。那么在输入低端LO和地之间的漏电阻RL上的压降几乎与输入的高端HO压降几乎相同。假设电流表的输入端压降小于1mV,那么漏电阻RL的压降等于被测电流源的电压10V。则通过RL的电流为IL=10nA,所以静电计6517A测得的电流值为两个电流之和IX=IL+10nA。显然,如果是测量微弱电流,泄漏电流10nA叠加产生在测量电路中,对测量带来的相对误差就很大。2.3.2试验电路地漏电阻测量电流表的输入低端LO与地连接,如图8所示,电阻RL为从电流表输入高端HO到电流表的输入低端LO的漏电阻,电阻RG为电流表输入低端LO(接地)与测试电路地之间的漏电阻。与浮地电流测量相同,假设电流表压降为1mV,那么漏电阻RL的压降等于被测电流源的电压10V,通过RL的电流为IL=1pA,静电计6517A测得的电流为IX=IR+IL=IR+1pA。所以电流表输入低端LO接地减少了电流表测量的漏电流,从10nA减少到1pA。不过从电流表输入低端LO到测试电路低端的10nA漏电流IG仍然存在,只是该漏电流IG并没有流过静电计6517A所测量的电流回路。2.4静电计内部的电压偏置,也需要定期进行点点检查对于多数的静电计都有零点检查(ZEROCHECK)功能,当仪器打开ZEROCHECK的时候,检查和调节仪器内部的电压偏置,根据环境条件,需要定期进行零点检查。另一个必要的操作是清除输入偏置电流,当静电计输入端开路时,理想的电流表读数应该是零,但是在低量程段电流表都有小的电流值,这是静电计内部的漏电流引起的。这时应该将静电计输入端开路,在静电计读数稳定时按下REL或ZERO开关,切换不同量程时,同样要重新执行此操作。2.5电缆电缆接口系统导体和绝缘体之间摩擦造成的电荷失衡将产生摩擦生电效应,压电电流是当压力作用在用于绝缘端和内部连接导体材料上时产生的电流。在弱电流测量中,为了减小压电电流带来的测量误差,应采用低噪声电缆连接。这种电缆在外层绝缘层下以包裹石墨的聚乙烯作为内层绝缘材料来减小这种摩擦生电效应。因为石墨可以起到润滑作用,形成等电位层以中和并减小电荷的产生。2.6体现电化学—环境湿度的影响潮湿的测量环境和污染杂质物也会产生干扰电流,这是因为污染杂质和潮湿的空气发生电化学效应,产生一个弱的“电池”附着在电路板导体上。例如油、盐、指印或其他污染物,能在电路板导体间产生接近几个nA的干扰电流。所以应选择不吸水的绝缘材料并且尽量降低环境湿度来减小测量误差,测量电路中所有的绝缘体还需保持清洁无灰尘杂质。3清除电流源检测综上所述,直流弱电流信号的测量,首先应选择适合的反馈式电流表,从而减小输入端压降。连接的导线应选择适合的三同轴屏蔽电缆。测量开