扭擺共振式微電流計研制

陳偉成，顏俊雄，鐘土基，陳國杰

（1.佛山科學技術學院 光信息工程系，廣東 佛山 528000；2.佛山科學技術學院 光電子與物理學系，廣東 佛山 528000）

微弱電流信號的測量是電信號探測領域的重要研究課題。目前測量微弱電流量的方法主要有：多通道微弱電流采集法［1］、基于單片機技術微弱電流測量法［2－3］、輻射式直流檢流法［4］、基于電路微弱電流檢測法等［5－9］。但是這些方法大多數(shù)都存在著一定的缺陷和不足，例如：多通道微弱電流采集法存在著原理復雜、操作困難的缺點；而單片機技術測量微弱電流的方法在設計上存在著編程難的缺陷；輻射式直流檢測法也存在著測量不穩(wěn)定和調(diào)零困難等。本文中采用扭擺的共振轉(zhuǎn)動原理，并結(jié)合光電探測采集系統(tǒng)設計出一款扭擺共振式微電流計，克服了上述的方法的缺陷與不足，提高了微弱電流信號測量的精度和測量范圍。

1 實驗原理與裝置

用銅線繞制成一個矩形線圈（扭擺線圈）作為測量電流的響應器件，將其懸掛在2個通有交變電流的電磁鐵磁場中，構(gòu)成一個電流扭擺，見圖1。

圖1 電流扭擺原理圖

若將待測的微弱電流信號引入到扭擺線圈中，扭擺線圈在電磁鐵線圈產(chǎn)生的磁場作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。若給電磁鐵線圈提供的交變電流的頻率等于扭擺線圈做扭擺運動的固有頻率是扭擺的轉(zhuǎn)動慣量，K是擺子的扭轉(zhuǎn)系數(shù)時，扭擺線圈將發(fā)生共振，扭擺運動的擺幅達到最大。這樣，就可以利用共振扭動的最大擺幅作為儀器最佳的測量狀態(tài)以實現(xiàn)對小信號測量的等效放大作用。若提供給電磁鐵線圈的電流信號幅值是固定的，那么扭擺線圈作扭擺運動時的幅度只與流過線圈的電流大小有關。基于該物理原理，就可以通過對扭擺擺幅的測量來反演流過線圈的電流的大小，進而做成扭擺式電流計。由于線圈作扭擺運動的敏感性極高，所以利用該裝置能夠測量極小的電流量。

利用CCD攝像頭實現(xiàn)信號采集，把扭擺線圈的擺幅轉(zhuǎn)換成能夠處理的電信號。處理方法是：在懸掛的測量線圈下方安置一個高像素的CCD攝像頭，并且在線圈的下方安置一個固定式的黑色遮光薄片，該遮光片平面與攝像頭的采光面相互垂直。當轉(zhuǎn)動的扭擺帶動遮光片遮擋攝像頭的某一部分時，攝像頭輸出的圖像在遮光部分顯示為黑色陰影，其他未被遮擋的部分顯示為白色。扭擺擺動越大，遮光部分就越大，其陰影面積也就越大。把采集到的圖像信號進行二值化，交給單片機或計算機處理。

把扭擺線圈的擺幅和通過線圈的待測電流大小進行關聯(lián)，同時也把通過懸掛線圈的電流大小和遮光片遮擋CCD攝像頭所產(chǎn)生的陰影面積進行相關。這樣，只要知道了遮光片遮擋CCD攝像頭所產(chǎn)生的陰影面積，就能反演出被測電流的大小。圖2為扭擺式光電探測型微電流計內(nèi)部實物圖。

圖2 扭擺共振式光電探測型微電流計內(nèi)部實物圖

2 實驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 固有頻率的測量與分析

為了讓微電流計工作在共振響應區(qū)域，先要確定微電流計的扭擺共振頻率。為此，為扭擺線圈供給一個大小為0.047 5mA的恒定電流，同時給扭擺線圈兩旁的電磁鐵線圈提供1.35～1.63Hz的交變電流信號，則扭擺線圈在交變磁場中作周期性的扭擺運動，逐點測量扭擺線圈在不同頻率的交變磁場中作扭擺運動的不同擺幅。圖3是通入恒定電流的扭擺線圈在不同頻率的交變磁場中因扭擺運動而使遮光片對CCD攝像頭產(chǎn)生陰影面積（像素）間的物理關系。從圖中可知，該扭擺共振電流計的扭擺共振頻率為1.57Hz。

圖3 不同頻率磁場和陰影面積（像素）變化的關系曲線

為了驗證測量得到的共振頻率是否準確，從理論角度來驗證扭擺線圈的共振頻率。該扭擺線圈邊長分別為a＝2.4cm，b＝1.2cm，質(zhì)量m＝1.96g，理論計算得到扭擺線圈的轉(zhuǎn)動慣量J為0.818×10－3kg／m2［10－12］。通過扭擺常數(shù)法測得懸掛線圈的扭擺常數(shù)K為0.495×10－4kg·m2／s2。因此，扭擺線圈作扭擺運動時的固有頻率的理論值為

可見，理論計算值與實驗測量值吻合較好。故在隨后的微電流測量實驗中，交變電流頻率設定為1.57Hz。

2.2 電流計定標

為了該微電流計能準確測量電流值，還需要對電流計進行定標。具體定標方法是：把不同電流標稱值的微弱電流信號通入到扭擺線圈中，得到不同電流I輸入條件下CCD攝像頭探測到的遮光片遮擋CCD所構(gòu)成的不同陰影面積的測量數(shù)據(jù)。若將電流值與CCD探測到的陰影面積（像素點）進行數(shù)學相關，便可得到電流與陰影面積像素的相應擬合曲線與擬合方程。根據(jù)擬合方程就可以完成微電流計的測量定標。圖4是不同電流標稱值與CCD攝像頭探測的陰影面積的擬合曲線。圖4中實驗點以方塊點標記，實線為擬合曲線。相應的擬合曲線的表達式為

式中F為攝像頭探測到陰影面積，單位為像素；I為被測電流大小。只要扭擺線圈單次扭轉(zhuǎn)不超過90°，該微電流計都能根據(jù)定標方程進行有效的測量。該微電流計測量范圍預計能擴展至0～5mA，遠遠超越了同類微電流計測量儀的測量范圍。

圖4 電流大小和像素（對應陰影面積）變化的數(shù)據(jù)擬合曲線

2.3 電流計的測量誤差分析

用我們設計的微電流計和商用的PA91A型直流數(shù)字電流表同時對相同標稱值的微弱電流進行測量，若以PA91A型直流數(shù)字電流表的測量值作為準確數(shù)據(jù)，實驗測量結(jié)果表明，我們設計的微電流計的測量相對誤差E＝5%以內(nèi)。圖5是我們的電流計對不同電流標稱值的相對誤差分布圖。

圖5 不同的電流值所對應的相對誤差

3 結(jié)論

基于扭擺轉(zhuǎn)動原理，結(jié)合CCD攝像光電采集系統(tǒng)，設計出扭擺共振式光電探測型微電流計。該微電流計中的扭擺線圈工作在轉(zhuǎn)動共振條件下時能使電流計的測量靈敏度得到提高，扭擺線圈的共振頻率為1.57Hz。與商用電流計相比，該電流計的電流測量值的相對誤差在5%以內(nèi)。

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