陳偉成，顏俊雄，鐘土基，陳國(guó)杰

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光信息工程系，廣東 佛山 528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 光電子與物理學(xué)系，廣東 佛山 528000）

微弱電流信號(hào)的測(cè)量是電信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域的重要研究課題。目前測(cè)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(jī)技術(shù)微弱電流測(cè)量法［2－3］、輻射式直流檢流法［4］、基于電路微弱電流檢測(cè)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(fù)雜、操作困難的缺點(diǎn)；而單片機(jī)技術(shù)測(cè)量微弱電流的方法在設(shè)計(jì)上存在著編程難的缺陷；輻射式直流檢測(cè)法也存在著測(cè)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(dòng)原理，并結(jié)合光電探測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一款扭擺共振式微電流計(jì)，克服了上述的方法的缺陷與不足，提高了微弱電流信號(hào)測(cè)量的精度和測(cè)量范圍。

1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

用銅線繞制成一個(gè)矩形線圈（扭擺線圈）作為測(cè)量電流的響應(yīng)器件，將其懸掛在2個(gè)通有交變電流的電磁鐵磁場(chǎng)中，構(gòu)成一個(gè)電流扭擺，見圖1。

圖1 電流扭擺原理圖

若將待測(cè)的微弱電流信號(hào)引入到扭擺線圈中，扭擺線圈在電磁鐵線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)的固有頻率是扭擺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K是擺子的扭轉(zhuǎn)系數(shù)時(shí)，扭擺線圈將發(fā)生共振，扭擺運(yùn)動(dòng)的擺幅達(dá)到最大。這樣，就可以利用共振扭動(dòng)的最大擺幅作為儀器最佳的測(cè)量狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)測(cè)量的等效放大作用。若提供給電磁鐵線圈的電流信號(hào)幅值是固定的，那么扭擺線圈作扭擺運(yùn)動(dòng)時(shí)的幅度只與流過線圈的電流大小有關(guān)?；谠撐锢碓恚涂梢酝ㄟ^對(duì)扭擺擺幅的測(cè)量來反演流過線圈的電流的大小，進(jìn)而做成扭擺式電流計(jì)。由于線圈作扭擺運(yùn)動(dòng)的敏感性極高，所以利用該裝置能夠測(cè)量極小的電流量。

利用CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，把扭擺線圈的擺幅轉(zhuǎn)換成能夠處理的電信號(hào)。處理方法是：在懸掛的測(cè)量線圈下方安置一個(gè)高像素的CCD攝像頭，并且在線圈的下方安置一個(gè)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(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的扭擺帶動(dòng)遮光片遮擋攝像頭的某一部分時(shí)，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(dòng)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(hào)進(jìn)行二值化，交給單片機(jī)或計(jì)算機(jī)處理。

把扭擺線圈的擺幅和通過線圈的待測(cè)電流大小進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)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(jìn)行相關(guān)。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(cè)電流的大小。圖2為扭擺式光電探測(cè)型微電流計(jì)內(nèi)部實(shí)物圖。

圖2 扭擺共振式光電探測(cè)型微電流計(jì)內(nèi)部實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 固有頻率的測(cè)量與分析

為了讓微電流計(jì)工作在共振響應(yīng)區(qū)域，先要確定微電流計(jì)的扭擺共振頻率。為此，為扭擺線圈供給一個(gè)大小為0.047 5mA的恒定電流，同時(shí)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(hào)，則扭擺線圈在交變磁場(chǎng)中作周期性的扭擺運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)測(cè)量扭擺線圈在不同頻率的交變磁場(chǎng)中作扭擺運(yùn)動(dòng)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(chǎng)中因扭擺運(yùn)動(dòng)而使遮光片對(duì)CCD攝像頭產(chǎn)生陰影面積（像素）間的物理關(guān)系。從圖中可知，該扭擺共振電流計(jì)的扭擺共振頻率為1.57Hz。

圖3 不同頻率磁場(chǎng)和陰影面積（像素）變化的關(guān)系曲線

為了驗(yàn)證測(cè)量得到的共振頻率是否準(zhǔn)確，從理論角度來驗(yàn)證扭擺線圈的共振頻率。該扭擺線圈邊長(zhǎng)分別為a＝2.4cm，b＝1.2cm，質(zhì)量m＝1.96g，理論計(jì)算得到扭擺線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.818×10－3kg／m2［10－12］。通過扭擺常數(shù)法測(cè)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(yùn)動(dòng)時(shí)的固有頻率的理論值為

可見，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好。故在隨后的微電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，交變電流頻率設(shè)定為1.57Hz。

2.2 電流計(jì)定標(biāo)

為了該微電流計(jì)能準(zhǔn)確測(cè)量電流值，還需要對(duì)電流計(jì)進(jìn)行定標(biāo)。具體定標(biāo)方法是：把不同電流標(biāo)稱值的微弱電流信號(hào)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(cè)到的遮光片遮擋CCD所構(gòu)成的不同陰影面積的測(cè)量數(shù)據(jù)。若將電流值與CCD探測(cè)到的陰影面積（像素點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)學(xué)相關(guān)，便可得到電流與陰影面積像素的相應(yīng)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(jì)的測(cè)量定標(biāo)。圖4是不同電流標(biāo)稱值與CCD攝像頭探測(cè)的陰影面積的擬合曲線。圖4中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)以方塊點(diǎn)標(biāo)記，實(shí)線為擬合曲線。相應(yīng)的擬合曲線的表達(dá)式為

式中F為攝像頭探測(cè)到陰影面積，單位為像素；I為被測(cè)電流大小。只要扭擺線圈單次扭轉(zhuǎn)不超過90°，該微電流計(jì)都能根據(jù)定標(biāo)方程進(jìn)行有效的測(cè)量。該微電流計(jì)測(cè)量范圍預(yù)計(jì)能擴(kuò)展至0～5mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了同類微電流計(jì)測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍。

圖4 電流大小和像素（對(duì)應(yīng)陰影面積）變化的數(shù)據(jù)擬合曲線

2.3 電流計(jì)的測(cè)量誤差分析

用我們?cè)O(shè)計(jì)的微電流計(jì)和商用的PA91A型直流數(shù)字電流表同時(shí)對(duì)相同標(biāo)稱值的微弱電流進(jìn)行測(cè)量，若以PA91A型直流數(shù)字電流表的測(cè)量值作為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，我們?cè)O(shè)計(jì)的微電流計(jì)的測(cè)量相對(duì)誤差E＝5%以內(nèi)。圖5是我們的電流計(jì)對(duì)不同電流標(biāo)稱值的相對(duì)誤差分布圖。

圖5 不同的電流值所對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差

3 結(jié)論

基于扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)原理，結(jié)合CCD攝像光電采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出扭擺共振式光電探測(cè)型微電流計(jì)。該微電流計(jì)中的扭擺線圈工作在轉(zhuǎn)動(dòng)共振條件下時(shí)能使電流計(jì)的測(cè)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(jì)相比，該電流計(jì)的電流測(cè)量值的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

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