电流测量教案(精选11篇)
电流测量教案 篇1
第四节 电流的强弱 学习目标:
1.通过灯泡的明亮程度,认识电流
2.会使用流表,会读电流表的读数 学习重点:电流表的使用规则和读数 学习难点:电流表的正确的连接
自主学习: 1.
是表示电流强弱的物理量,用字母
表示,电流的单位是,符号
。2.雷电的电流可达2×105A=
mA=
μA。
3.在实验室中,用
来测量电路中的电流,该仪表用符号
表示。
4.使用电流表要注意:(1)电流只能从电流表的接线柱流入,从
接线柱流出;(2)电流表只能
联在电路中;(3)被测电流
(选填 能或不能)超过电流表的量程;(4)读数时,应该认清所用
及
值;(5)绝对不允许不经过用电器而把电流表直接接在上。
5.如图是在一次实验时电流表的示数,由图可知,I=
A。小组讨论(团结协作)
6.使用电流表时,若被测电流超过电流表的量程,则
若电流表接线柱接反了,则
7.如图所示电路,下列说法正确的是()。A.L1、L2串联
B.开关S只控制L2 C.电流表测干路中电流
D.电流表测L1的电流
四.精讲释疑
8.如下图所示,将所给的元件连接起来,要求L1、L2并联,电流表测干路电流,开关控制整个电路,根据实物连接图画电路图。
本节内容,你还有何疑问? 小结:
1、电流表示电流的强弱。单位是
符号是()、还有毫安(mA)、微安(μA);
1A=
mA,1mA=
μA。
2、电流表有两个量程:分别是
(每小格
A)
(每小格
A)使用:(1)、电流表要
联在被测电路中;(2)、接线柱的接法要正确,电流从“
”接线柱流入,从“
”接线柱流出。(3)、被测电流
超过电流表的量程;不确定时用大量程
。(4)、允许不经过用电器把电流表直接接到电源两极上。3.一台家用小型(47厘米)彩色电视机正常工作时,通过它的电流强度与下列哪一组 数据最接近()
A.18A
B.1.8A
C.180 mA
D.18 mA 4.如下图所示,甲电流表的读数是
A,乙电流表的读数是
A
5(选做).请你设计一个电路图,要求将L1、L2并联,开关S1作总开关,S2控制灯L2,电流表测A1测干路电流,电流表A2测L1所在支路电流,请按要求将下图中所画的实物连接好,并根据实物图画出电路图。
当堂训练:
6、下列用电器中,工作电流为0.1mA的可能是:()A、半导体收音机
B、60w的普通照明灯
C、家用电冰箱
D、液晶显示的电子计算器
7、在图所示的四幅电路中,电流表能够测灯L1电流的是()
8、图是一次实验时电流表指针的偏转情况,王强对此作出了四种估计,其中错误的是()
A.若使用“—”和“3”两个接线柱接入电
路,则指针所对的示数为2.3A
B.若使用“—”和“0.6”两个接线柱接入电路,则指针所对的示数为0.46A C.若原来使用“—”和“3”两个接线柱接入电路,而后使用“—”和“0.6”两个接线柱接入原电路中,则指针所对的示数不会改变
D.该电流表的“—”接线柱是公共的接线柱
9、李立在实验室连接了四个实物电路,如图所示,其中电流表的接法正确的是()
10、小刚设计了四幅用电流表测量灯的电流,如图所示。当开关闭合时,不可能造成电源或电流表损坏的电路图是()
11、一位同学在使用电流表测较小电流时,应该使用“—”和“0.6”两个接线柱,但错误地使用了“—”和“3”两个接线柱接入了电路,其他操作正确,这样会出现:()A.指针不动
B.指针反向偏转
C.指针摆动偏小
D.指针摆动太大,电流表可能被烧坏
12、如图所示,如果使用“—”和
“3”两个接线柱接入电路,则指针所对的示数
为
,如果使用“—”和“0.6”两个接
线柱接入电路,则指针所对的示数为。
13、请你帮助林铃用铅笔线代替导线,将图中的两灯连成串联电路,用电流表测量电路中的电流,在虚线框中画出对应的电路图。
14(迁移和拓展)、小红和小丽用电流表测量同一电路中的电流,小红接入电路中的是0~0.6A量程,而小丽却按照0~3A量程读得测量值为2.4A,则实际测得得电流应该是()
A.1.2A
B.4.8A
C.0.12A
D.0.48A
15、王刚在做一电学实验时,闭合开关后,发现电流表的指针偏转如图所示,产生这一现象的原因
及纠正方法是。
16、右图是小明用电流表测量通过灯泡电流的实验装置图,其中导线a端没有连接。如果小明把导线a端与接线柱b连接,开关闭合时能正常测出通过小灯泡的电流,开关断开时能使电路断开。小明还想做以下尝试,请你帮助他预计会出现什么情况:
①如果把导线a端与接线柱c连接,预计出现的情况为:
②如果把导线a端与接线柱d连接,预计出现的情况为:
③如果把导线a端与接线柱e连接,预计出现的情况为:
17、如图是小强和小夏两位同学测量小灯泡的电路,请你当小老师,仔细看一看他们的电路是否连接正确?如果你认为有错误,请你用不同颜色的笔直接在原图中改动。
●物理阅读 安 培
安培是法国物理学家,1775年1月诞生在法国里昂。他从小就酷爱读书,在念中学的时候,他经常去里昂图书馆,几乎浏览了图书馆的全部数学书籍,他对物理、化学、植物学和哲学等方面的知识也很感兴趣。青少年时代的刻苦学习,为他后来的科学研究工作奠定了牢固的基础。
安培既是一位实验物理学家,又是一位科学思想家。1820年他在巴黎科学学会上听到了丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应的消息,他敏锐地预感到奥斯特的发现必将对电学的发展产生深远的影响。他暗下决心,要在奥斯特发现的基础上,架起一座连接电和磁的桥梁,让电和磁以一个统一的整体出现在人们的面前。在这以后的几年里,他不但通过实验确定了判断电流磁场方向的安培定则、磁场对电流作用的安培定律等,而且在人们对原子结构还毫无所知的情况下,根据环形电流的磁性与磁铁相似的特点,提出了著名的分子电流的假说,揭示了磁现象的电本质。安培还开拓了物理学中的一门新学科——电动力学,成为电动力学的创始人。为了纪念他对电学发展所做出的重要贡献,命名电流强度的单位是安培。
安培在一生中能取得这样杰出的成就,除了和他在青少年时代的刻苦学习有关,还和他始终兢兢业业、锲而不舍地努力工作分不开。安培的注意力非常集中,他常常因为聚精会神地思索问题而忘记周围所发生的一切。有一次,他在路上边走边思考问题,猛一抬头,发现前面有一块黑板,不由喜上心头。马上掏出一支随身携带的粉笔,把脑中思索的问题写下,计算起来。这块黑板向前移动了,安培一边跟着前移,一边继续计算着。渐渐黑板移动得更快了,这位专心的计算者也跟着跑了起来。路上的行人看到这种情形,不禁拍手大笑。当他实在跑不动而停下来时,发现这并不是什么黑板,而是马车的后壁。他望着车壁上的数学公式渐渐远去,懊丧地叹了一口气:“唉!可惜还没有算完。”
电流测量教案 篇2
关键词:电力,电容,测量系统
1 估算法测量系统的电容电流:
1.1 架空电力线路
1) 中性点非有效接地系统对地电容电流近似计算公式为:
无避雷线时:IX1.1×2.7 Ue××L 10-3× (A)
有避雷线时:IX1.1×3.3 Ue××L 10-3× (A)
式中Ue—额定线电压 (kV)
L—线路长度 (km)
2) 、系数, 因水泥杆, 铁塔线路增10%。
说明: (1) 一般实测表明, 夏季比冬季电容电流值大10%左右。
1.2 电力电缆线路
三芯电缆线路在同样电压下, 每公里的电容电流约为架空线的25倍, 单芯电缆线路则达50倍。对油浸纸电力电缆近似公式如下:
6kV系统:
10kV系统:
其中:S—电缆截面积 (mm2)
Ue—额定线电压 (kV)
2 中性点外加电容法
中性点外加电容测量系统的容性电流, 是在系统无补偿的情况下, 在系统中性点, 对地接入一个适当容量的电容器, 测量前后中性点的不对称电压和位移电压, 通过计算公式间接得到系统单相接地容性电流值, 其测量原理图如下图所示。根据系统电容电流的形成原因, 我们采用在系统中性点处外加电容Cad, 视中性点电压Uo为一个恒压源, 则所加电容Cad和系统总电容Cx串联, 测量Cad两端电压Un及中性点电压Uo (不加电容) , 不难得出计算公式:
有时, 还会遇到系统三相很对称, 这时, 中性点不对称电压和位移电压很低, 无法准确测量和计算, 需考虑在某一相上添加偏移电容。人为地加大中性点电压, 便于测试, 计算时, 电容值再减去偏置电容量, 如下式:
中性点外加电容测量系统的容性电流, 是在系统无补偿的情况下, 在系统中性点, 对地接入一个适当容量的电容器, 测量前后中性点的不对称电压和位移电压, 通过计算公式间接得到系统单相接地容性电流值, 其测量原理图如下图所示。根据系统电容电流的形成原因, 我们采用在系统中性点处外加电容Cad, 视中性点电压Uo为一个恒压源, 则所加电容Cad和系统总电容Cx串联, 测量Cad两端电压Un及中性点电压Uo (不加电容) , 不难得出计算公式:
有时, 还会遇到系统三相很对称, 这时, 中性点不对称电压和位移电压很低, 无法准确测量和计算, 需考虑在某一相上添加偏移电容。人为地加大中性点电压, 便于测试, 计算时, 电容值再减去偏置电容量, 如下式:C×U
由上述计算式知:Cx与系统频率无关, 中性点高次谐波电压不会影响测量过程及结果, 中性点外加电容法是现场常用地较简捷地一种方法。
3 母线外挂电容法
母线外挂电容法测量系统对地电容电流, 是在系统无补偿的情况下, 在系统的某一相线上对地接入一个适当容量的电容器, 根据相电压的变化值, 通过公式计算间接得到电流值, 其原理图如下图所示:
Ua:挂电容后相电压
U0:挂电容前相电压
4 仪器测量接地电容电流法
在系统的PT二次辅助线圈注入小电流的变频测量信号, 采用高性能A/D采样回路和数字信号处理器, 对注入的测量信号进行计算分析, 可直接读出被测系统的对地电容电流值。为了使测量数据准确, 测量时应拆除待测系统中的消协装置。测量接线示意图如下:
参考文献
[1]孙凌云.小电流接地系统单相接地故障选线和测距的研究2008.
一种微弱电流测量仪的设计 篇3
关键词:微弱电流;微弱信号;开关调制;差分电路;工频噪声;偏置电流;失调电压
中图分类号:TM930;TN402 文献标志码:A
Weak current detector design
PENG Jianxue, MA Yongjun, TANG Tianhao
(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract: In order to design a ultra weak current detector, which has the properties of higher accuracy and good repetition, the virtue of switch modulation differential balancing technology is used to eliminate the DC offset of weak current measurement system. The power-frequency noise and amplifier noise are suppressed with shielding and low-pass filters. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the system is enhanced by amplifying signal and suppressing noise simultaneously. Meantime, multi-level amplification and pre-zero adjustment are applied to achieve a great magnification without saturation. The tests show that the minimum range of this device is as low as 10 pA, and the minimum resolution is 0.5 pA, and the power-frequency noise and DC offset on the weak current measurement have a material influence. It also testifies the efficiency of the technology.
Key words: weak current;weak signal;switching modulation;differential circuit;power-frequency noise;bias current;offset voltage
0 引 言
对于各种微弱的被测量,例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动以及微温差等,一般都通过相应的传感器将其转换成微电流或微电压,再经放大器放大其幅度以指示被测量的大小.[1]因此,微弱电流测量在科学研究、加工和制造等领域有非常重要的现实意义,但放大电路和测量仪器系统本身的固有噪声以及外界干扰往往比微弱电流信号的幅度大许多,例如380 V交流电压通过干燥绝缘木(阻值达1000 MΩ)的电流为0.38 μA,大大超过被测微弱电流信号.
本设计以微弱电流为测量对象,最小量程可达10 pA,最小分辨率可达0.5 pA.微弱电流测量首先将待测微弱电流转变为微电压信号,对于一般运放,其失调电压在μV级以上,偏置电流在pA级以上,会淹没待测微弱电流信号;此外,需要对微电压信号放大到后续电路能进行处理的程度,但同时也放大了测量系统的噪声和直流误差,因此需要抑制噪声和消除直流误差.[1-2]微弱电流测量的主要问题是工频干扰和各种直流误差源的影响.[3]前者可通过屏蔽和低通滤波电路解决,后者可通过开关调制、差分对消技术加以消除.
1 基于开关调制、差分对消技术的微弱电流测量方法
1.1 测量系统直流误差模型
微弱电流测量系统中,待测微弱电流可能被各种噪声和直流误差信号所淹没,需要测量系统自身可以消除各种直流误差并尽可能地衰减各种噪声.对于本设计来说,直流误差源主要是运算放大器的偏置电流和失调电压等[2],运算放大器模型见图1.
图1 运算放大器模型
图1中,Ib+,Ib-是运算放大器的偏置电流,UIo是运算放大器的失调电压.常见的电流/电压转换电路即电流前置放大器模型见图2.
图2 微弱电流前置放大器模型图2中,Is是被测电流,Rf是反馈电阻(采样电阻),R′是平衡电阻.前置放大器的输出误差[3]Uo=UIo+Ib+R′+Ib-Rf(1)这些主要的直流误差源产生的直流误差须通过特殊的电路处理来消除.
1.2 开关调制、差分对消原理
本文提出开关调制、差分对消微弱电流测量法,从根本上消除直流误差对测量微弱电流信号的影响.所谓开关差分电路,指由CPU控制的调制开关对测量信号进行调制,通过采样保持与差分电路消除信号中所含的直流误差,最终输出与被测微弱电流信号幅值成正比的电压信号.开关调制电路等效模型见图3.
图3 开关调制前置放大器等效模型
当K1断开,K2闭合,此时输出Uo1=IsRf+UIo+Ib+R′+Ib-Rf(2)当K1闭合,K2断开,此时输出[3]Uo2=UIo+Ib+R′+Ib-Rf(3)式(2)和(3)包含相同的直流误差部分,若两式差分,便可消去系统主要直流误差,输出Uo=Uo1-Uo2=IsRf(4)由式(4)可知,差分后的输出结果消除了运放的直流误差成分,与被测电流Is幅值成正比.由于被测量为微弱电流,所以Uo仍可能很微弱,需要经多级放大,再进行差分.设多级放大总倍数为A,则此时输出Uo=AIsRf(5)被测微弱电流值Is=UoARf(6)最终,测得结果由单片机根据式(6)通过串口通信在PC机上显示.
2 电路设计
2.1 系统结构
系统结构见图4.图4 系统结构
系统由3部分组成:第1部分为开关调制前置放大阶段,共设计4级,对信号进行调制,同时将微弱电流信号转化为电压信号;第2部分是主通道放大阶段,分2个阶段进行放大,由多路选择电路、低通滤波电路、饱和判别单元和调零电路组成;第3部分是微弱电流测量输出阶段,由采样保持电路和差分电路等构成,根据调制开关的不同状态对放大后的电压信号分别采样保持,再通过差分电路消除系统直流误差,最终输出与被测电流幅值成正比的电压.
整个测量系统采用单片机作为控制中心,对调制开关、放大级选择以及电路时序进行控制.
2.2 第1阶段放大
第1放大阶段见图5.
图5 第1放大阶段
整个阶段分为8级(V1~V8),框图由上至下,级级相串,总放大倍数逐渐增大.第1放大阶段对前置放大阶段输出的低电压信号进行选级放大,选择的依据是多路选择开关由上至下依次选通闭合,输出电压第1次超出运放的线性工作范围时,所选的放大级向后倒退1级,即为所需的放大级.由饱和判别单元判断电路输出是否超出运放的线性工作范围.由于本设计采用开关调制、差分对消技术去除微弱电流测量中的直流误差,要保证调制开关处于不同状态时,同一放大级饱和判别结果均为不饱和,即均工作在线性范围内.
为衰减50 Hz工频及其高频谐波噪声,每个放大级包含1个低通滤波环节.第1阶段放大级差较大,相当于对信号进行粗放大,每级的放大倍数设计为5.3,所以对低通滤波50 Hz以上的信号增益必须衰减5.3倍以上,以保证每级对50 Hz以上信号的总增益Gs<1,这样工频信号在每级都不能放大.
系统的直流误差信号经数级放大后,输出可能超出运放的线性范围,因此在第1放大阶段末级设置调零电路,使末级失调输出预先调整在零点附近.
2.3 第2阶段放大
第2放大阶段共4级,为充分利用A/D转换器的分辨率,每级放大倍数较小,选择依据仍然是使信号输出为最大且不超过运算放大器的饱和电压,见图6.
图6 第2放大阶段根据调制开关的不同状态,将第2放大阶段输出的2次结果分别存储在2个采样保持器中,通过差分可以消除前置放大阶段、第1放大阶段和第2放大阶段的直流误差.
2.4 饱和判别单元
本设计前置放大阶段采用运放的供电电源为±3 V,电流/电压变换后的电压送往饱和判别单元1,判别结果送至单片机;第1和第2放大阶段采用运放的供电电源均为±15 V,放大后的结果经多路选择开关送至饱和判别单元2,判别结果送至单片机.饱和判别单元见图7.
图7 饱和判别阶段
3 实验结果与分析
3.1 微弱电流测量系统
微弱电流测量系统实物见图8.
图8 微弱电流测量系统
3.2 工频噪声影响
工频噪声可以通过环境杂散阻抗进入测量系统,也可以通过静电耦合和电磁耦合进入测量系统.无屏蔽且手靠近时放大级输出波形见图9.在为微弱电流测量仪盖上屏蔽板并将手贴在屏蔽板上后,放大级输出波形见图10.此时,工频干扰被有效屏蔽.图9 无屏蔽且手靠近时放大级输出波形
图10 手贴在屏蔽板上时放大级输出波形
3.3 采样保持及差分对消电路的验证
采样保持及差分对消电路的作用是消除本系统的直流误差和漂移.为进行验证,用双踪示波器分别跟踪采样保持前电路输入波形与差分对消电路后的输出波形,得到如图11所示波形.
图11 差分对消输出波形
3.4 实验数据
表1 不同电流值的5次测量结果pAI12345100100.520100.23099.890100.11099.870109.96310.0549.9829.93210.0114 结 论
本文介绍的微电流测量仪经高温、低温、工频传导和射频干扰等不同环境条件下的试验,结果达到最小量程10 pA,最小分辨率0.5 pA,具有较高的精度和较好的重复再现性.试验表明,噪声和直流误差源的抑制和消除是微电流测量仪设计的核心[4];此外,屏蔽和保护环及合理的PCB布线对微电流测量有着重要影响.[5-6]仪器的结构工艺、装配工艺和PCB布局布线有待改进,减小工频泄漏电流和高频噪声以及直流泄漏电流[7],此外调制开关的热电势是影响最小分辨率的主要因素之一[8].
参考文献:
[1]高晋占. 微弱信号检测[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 7-12.
[2]曾庆勇. 微弱信号检测[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 2003: 29-36.
[3]陈新, 何坚, 王春芳. 一种微电流直流放大器的研制[J]. 集美航海学院学报, 1998, 16(3): 22-24.
[4]KULAH H, AKIN T. A current mirroring integration based readout circuit for high performance infrared FPA applications[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ: Analog and Digital Signal Processing, 2003, 50(4): 181-186.
[5]LIANG Junli, YANG Shuyuan, TANG Zhifeng. Weak signal detection based on stochastic resonance[J]. J Electron & Inform Technol, 2006, 28(6): 1068-1072.
[6]MARTIN S M, GEBARA F H, STRONG T D, et al. A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentio-stat[J]. IEEE Int Symp on Circuits & Systems, 2004, 4(23): 892-895.
[7]温世仁. 微弱信号检测系统中的接地与屏蔽技术分析[J]. 宇航计测技术, 2005, 25(2): 46-49.
[8]JIANG Hongkai, WANG Zhongsheng, HE Zhengjia. Early identification of weak-signal fault features under very unfavorable environment using adaptive lifting scheme packet[J]. J Northwestern Polytechnical Univ, 2008, 26(1): 99-103.
(编辑 陈锋杰)
电镀电流参数在线测量 篇4
电镀电流参数在线测量
摘要:采用新型磁敏感原理专利技术所研制的.低内阻电流传感器和电流测量仪,对霍尔槽阴极板的电流密度分布进行测量,并在镀锌生产线测量主电路电流及各挂具分电路的电流分布.作 者:邱安生 Qiu An-sheng 作者单位:本溪赫特电子有限公司,辽宁,本溪,117000 期 刊:电镀与环保 ISTICPKU Journal:ELECTROPLATING & POLLUTION CONTROL 年,卷(期):2007, 27(1) 分类号:X7 关键词:磁敏感 电流传感器 低内阻表 在线测量电流测量教案 篇5
1.三相负载的连接方式分星形连接(又称为“y”连接)或三角形连接(又称为“△”连接)。当三相负载进行星形连接时,线电压ul是相电压up的倍,线电流il等于相电流ip,即在这种情况下,流过中线的电流io=0,因此可以省去中线。
2.不对称三相负载进行星形连接时,必须采用三相四线制接法,即y0接法。其中,中线有其重要的作用,保证二相不对称负载的每相电压维持对称不变。倘若中线断开,会导致三相负载电压的不对称,致使负载轻的那一相的相电压过高,负载遭受损坏,而负载重的一相相电压又过低,负载不能正常工作。对于三相照明负载,要无条件的一律采用y0接法。
《电流和电路》教案 篇6
核心素养:
通过让学生认识简单电路,动手连接简单电路,旨在培养学生良好的电学实验的素养;通过对通路、断路、断路的探究,使学生形成安全操作的初步意识。教学目标:
1.知道电流的形成条件,知道电流方向的规定。
2.认识电源和用电器,知道电路的组成,能用电路元件符号画简单的电路图,能连接简单的电路。
3.通过实验认识通路、断路、短路。教学重点:
1.会连接电路,会画简单的电路图; 2.能辨别通路、断路和短路
教学难点:对电流概念的理解和对短路、短接的理解和识别,规范画出电路图 教学方法: 实验法、观察法、讨论法、归纳法 课时:第一课时
教具: 电路板、干电池、开关、导线、小灯泡
教学流程:复习导入(2min)电流(12min)电路的构成(7min)电路图(13min)三种电路(6min)教学过程设计:
课前:优教提示:教师登陆优教平台,发送预习任务,学生完成本节课的预习任务,反馈预习情况。
复习导入:回顾上节图15.1-5实验,我们知道电荷在金属导体中做了定向移动,但这种定向移动瞬间就结束了。实际生活点亮的小灯泡能持续发光,是因为电荷不断地流过小灯泡。那么,怎样才能使电荷不断地流过小灯泡呢?
一、电流
1.想想做做:连接课件中给出的器材,使小灯泡发光(注意:不能把电池的两端用导线直 接连在一起)
2.观看视频理解电流形成的条件:电荷定向移动形成了电流。
(优教提示:请打开素材“动画演示:电流的形成及方向规定“)
/ 3 3.演示实验:将一个发光二极管接入电路,闭合开关后观察其发光情况,判断电路中电流的方向。
学生活动:1.四人小组动手实验,想办法使小灯泡发光,并分析其持续发光的条件。
2.自主阅读课本,结合观看的视频和演示实验理解电流的形成原因和电流方向的 规定。
二、电路的构成
(过渡:电路是怎样构成的呢?)
1.观察课件中的电路,教师引导学生分别指出电源、开关、导线、用电器。2.思考:电源、开关、导线、用电器各自在电路中的作用是什么?电路中有电流的条件是 什么?
学生活动:自主阅读课本p38页1-2自然段后,小组分别派代表口展上面两个问题。
三、电路图
(优教提示:请打开素材“动画演示:电路图“)
(过渡:我们怎样才能简单地表示电路呢)
1.观察课件中的图片:用符号表示电路连接的图叫做电路图。2.观察图15.2-5,认识几种常用的元件及其符号。
(优教提示:请打开素材“动画演示:认识电路符号游戏“)
3.教师指出画电路图的要求:(1)电路图与实物连接相一致;(2)元件分布均匀,不画在转角处;(3)导线画得横平竖直。
4.练习根据实物电路图画电路图、根据电路图连接实物电路图。学生活动:1.通过看书,认真识别电路中常用的元件及其符号。
2.按要求独立完成作图练习后,小组派代表展示。四、三种电路
(优教提示:请打开素材“动画演示:通路、断路和短路“)
(过渡:一个电路要怎样连接用电器才能够工作?)
1.教师分别演示通路、断路、短路状态下电路中小灯泡的工作状态。
2.观看视频《短路的危害》,使学生理解不能把电池的两端用导线直接连在一起
/ 3 原因。
3.想一想:课件中的三幅图,当开关闭合时,哪个电动机能工作?并说说其它电动机不工作的原因。
学生活动:1.观察实验,认识三种电路的特点,知道短路的危害。
2.同桌交流想一想中的问题,派代表口展。
(优教提示:打开优教配套习题“名师训练-《电流和电路》,使用互动答题卡,更快更便捷的掌握学生的情况)
布置作业:1.完成“动手动脑学物理”1、3、5题
2.能力与测试 板书设计:
第二节
电流和电路
一、电流 1.形成 2.方向
二、电路 1.构成 2.电路图 3.电路的状态
微弱电流测量电路的设计和仿真 篇7
关键词:微弱电流,测量,PSPICE,仿真
0 引言
nA级别的微弱电流测量在静电研究、材料测试、电力系统在线监测等众多领域具有重要应用[1]。而传统的电流测量仪器,如数字万用表,通常只能测到1μA。为了实现nA级别的电流测量,需要分析元件非理想特性的影响,例如运放的非理想特性。我们选择运放电流反馈法设计电路,改进电路设计并合理确定电路参数,最终实现了1nA的测量精度。
1 电流测量方法
微弱电流测量主要有两种方法,分别是取样电阻法和运算放大器反馈电流法[1]。取样电阻法的缺点是取样电阻会和信号源内阻串联,减小待测电流的数值。而运放反馈电流法测量精度高,对待测电路几乎没有影响,本电路采用此法。
利用运放虚短和虚断的特性,让待测电流全部流经反馈电阻Rf,从而将电流转换成电压测量。
对于理想运放,输入端不取电流,有
根据虚短特性,同相端和反相端之间没有电压降。因此将测量电路串联到待测电路中时,相当于"理想电流表",对待测电路几乎没有影响。这对电流测量非常可贵。
对实际运放,输入偏置电流IB会对待测电流分流;此外因为存在输入失调电压Vos且增益A为有限值,造成反相输入端和同相输入端之间有一定的电势差。实际输出电压和输入量之间的关系为:[2]
因此为了接近理想运放,应该选择IB尽量小,Vos尽量小,A尽量大的运放。这是实现微小电流精确测量的关键。此外,实际电路还需要考虑Rf的噪声、电源噪声等。以下分别进行讨论。
2 非理想特性,电路具体化
2.1 运放选择
J-FET输入放大器具有高输入阻抗、低偏置电流的优点。而和J-FET输入放大器相比,新型CMOS输入放大器可以提供更小的输入偏置电流。AD8603是采用CMOS技术的微功耗精密输入/输出运放[3],具有极低的输入偏置电流和输入失调电流,以及极低的输入失调电压。这些特性让它很符合本电路的需要。其各主要参数如下:
Vs=5V,T=25度
输入偏置电流IB 0.2pA
输入失调电流Ios 0.1pA
输入失调电压Vos 40μV
开环增益Avo 120dB
共模抑制比CMRR 100dB
2.2 反馈电阻的影响
过小的Rf会造成I-V转换的电压值过小,容易受环境噪声的干扰。过大的Rf会造成较大的热电压噪声,选择和测量也很困难。一般Rf的取值范围为MΩ~GΩ,我们经过实验调试,选取Rf的最大值为20MΩ。
2.3 电压放大和跟随,精密电压基准芯片
对于1nA的输入电流,经过Rf=20MΩ的I-V转换之后的输出电压为20mV。这个电压还需要进一步放大才能满足后续处理如滤波和A/D转换的需要。我们在第一级I-V转换后进行两级电压放大。实验证明放大倍数为10倍时信噪比最高。经过电压放大之后1nA电流转换为2V电压,可以方便地进行后续处理。
在两级电压放大之间增加一级电压跟随。主要作用是隔离前后级的影响,避免后级大信号电路干扰前级的微弱信号转换电路,提高信噪比。跟随运放的输出端增加低通滤波,抑制噪声。
另外,电源噪声会造成信号参考电压不稳定,特别是对信号非常微弱的输入级影响很大。使用精密电压基准芯片:输出电压为5 V的MAX6250和2.5 V的MAX6225[4]为各运放提供精密参考电压。各运放的电源端连接+5V和地,而同相端连接2.5V。运放输入和输出信号的参考电平是同相端,因此相对于输入输出信号,电源电压为±2.5V。此外为了抑制电源噪声,在运放的电源端增加滤波电容。
2.4 电路全貌
经过以上的改进后,电路全貌如图2所示。
第一个运放完成I-V转换;第二、第四个运放进行电压放大;第三个运放作用是电压跟随。
3 PSPICE仿真
3.1 简介
PSPICE是优秀的电路模拟仿真软件。它以图形方式输入,模拟和计算电路,生成图表。主要功能为直流分析、交流分析、噪声分析等。本电路使用PSPICE 9.2版仿真,目的是验证电路的正确性,合理选择电路参数,确定测量范围。
3.2 仿真步骤
3.2.1 输入原理图
进入Capture,新建项目,放置元器件、连线、电源,绘制原理图。其中AD8603的PSPICE模型需要从ADI公司网站下载。绘制的电路图如图3所示。仅仿真输入级,因为这是测量电路的核心部分,而后面跟随和放大级原理简单,此处不参与仿真。
3.2.2 设置元件参数
设置Vcc、Rf等参数的值。Vcc=±2.5V,反馈电阻Rf=20M.R2/R1=20.
3.2.3 运行仿真
进行直流扫描,输入电流Ii为0.1~1.2n A,输出电压曲线如图4所示。
图4 PSPICE仿真输出电压曲线(参见右栏)
3.2.4 仿真结果分析
由图可见,I-V曲线线性度非常好。图中曲线斜率为负,因为电路的输入接在反相端。
根据式(2),Ii=0时,Vo=Vos+IBRf。截取Ii=0A时的Vo数据可知:Vos+IBRf=0.0125m V=-11.66μV。考虑到IB约为0.2 pA,Rf=1 M,代入得IBRf=0.2μV.因此Vos=11.4~11.8μV。进一步考虑到AD8603,放大倍数A=120d B=106,而输入级I-V转换后Vo在10~100m V范围,Vo/A最大值为0.1μV<
待测电流较小时,Ii Rf和Vos相当,因此误差较大。而Ii较大时误差较小。设可接受的最大误差为1%,有Vos/(Ii Rf)=1%,取Rf=20M,得Ii=0.1n A.因此对0.1n A及以上的输入电流,可以获得误差不超过1%的测量精度。
仿真结果表明,10M、100M的电阻同样可以进行I-V转换。但实际情况下大电阻的热噪声、稳定性差、一致性差等因素不可避免被放大。本电路经过实验调试采用20M及以下的反馈电阻。本电路最大取反馈电阻Rf=20M,可以实现最低0.1nA级别的电流测量,此时误差不超过1%。通过更换较小的Rf,可以实现大于0.1nA电流的测量。
4 PCB设计过程
经过确定封装、载入网表、布局布线等步骤,完成PCB版图设计。其中AD8603没有现成的封装库,需要根据datasheet手工绘制封装。
PCB设计过程中需要注意以下几点:按照原理图进行布局,以便对照安放元件;各连接线尽量短,尤其是输入线;电源地和信号地分开;电源线和地线尽量粗;电路中除了最后一级输出Vout以外,另外增加若干圆型的中间级信号测试点和方形的电源电压测试点,方便调试。
版图如图5所示:
图中四个为AD8603在电路上部一字排开。由于空间拥挤只标注了第二和第四个。整个电路尺寸为6.5cm×4.0cm。制作PCB、器件安装完毕后,安装金属壳屏蔽。
5 结论
本文介绍了一种微弱电流测量电路的设计过程。我们选择具有极低输入偏置电流和失调电压的运放,合理选择反馈电阻的数值,增加多级放大与电压跟随级。仿真结果表明本电路测量精度为1nA,达到了设计目标。
参考文献
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[2]周红,夏勇,苏建坡,等.电分析仪器中的微弱电流测量[J].分析仪器,2000,(2):20-23.
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电流测量教案 篇8
【摘 要】城市地铁通常为直流牵引供电。由于钢轨并非完全对地绝缘,有一部分牵引电流由钢轨杂散流入大地,形成杂散电流。它造成或者加速了运输系统附近的金属结构的电解腐蚀,这一直是电气化铁路系统关注的主要问题。本文研究杂散电流的分布规律,确定了监测杂散电流腐蚀状态的必要参数及整个监测系统的测量方案。在此基础上,运用单片机设计了数据采集器和数据转接器,并自定义了通信协议。装置采集的数据将上传到系统上层的监测装置和上位机,为排流设施的启动提供必要的参考依据,并存储至数据库以备查询。测试结果表明,本系统符合设计指标,可用于地铁杂散电流监测。
【关键词】杂散电流;腐蚀;数据采集
随着城市轨道交通的发展,——地铁和轻轨已经成为各国经济发展和改善人民生活的一个不可分割的部分。当列车运行在大规模铁路运输系统时所需的电流是非常巨大的,大约有数千安培。虽然走行轨阻抗只有数微欧姆到几十微欧姆,但是走行轨上的电压降却很大,估计达到60~100V左右。依据法拉第电解定律,每安培杂散电流流经地下钢铁类金属设施时,一年可使之腐蚀9.1kg。见下图:
杂散电流腐蚀一般具有以下特点:
Ⅰ腐蚀剧烈。
Ⅱ腐蚀集中于局部位置。
Ⅲ有防腐层时,往往集中于防腐层的缺陷部位。
实际中,整个地铁线路由多个变电所提供电压,每个供电区间至少是双边供电。鉴于地质条件不同和各种因素的不确定性现采取理想的假定条件来推导确定轨道的电位与电流以及杂散电流的分布情况,假定以下几条规则:
①走行轨的纵向电阻是均匀分布的。
②轨道对地的过渡电阻和土壤电阻是均匀分布的。
③馈电线路的阻抗r忽略不计。
设Rg为轨道对地的过渡电阻,Ω·km;R为走行轨的电阻,Ω/km;u(x)为走行轨在x处的电压,V;i(x)为走行轨在x处的电流,A;is(x)为在x处的杂散电流,A;x为距变电所的距离,km;L为列车距变电所的距离,km;I为列车取流电流,A。
杂散电流泄漏到土壤中时,由于电流通道截面大,可以认为土壤的纵向电阻为零。可得:
埋地金属管道对地电位是反映金属电化学腐蚀的重要参数,在实际中定义为金属管道金属表面与电解质之间用与同一电解质接触的参比电极测得的电位差。工程中我们需要监测的数据有埋地金属结构的极化电位、参比电极的本体电位。通常,在地铁停运时测得参比电极的自然本体电位,运行时测得参比电极-金属结构的电位差,可得出埋地金属结构的极化电位值。与此同时,因为腐蚀是一个长期作用的结果,瞬间杂散电流的变化杂乱无序,所以应该测量计算一定时间内的金属结构对参比电极的电压偏移自然本体电位的平均值,规程规定的测量时间为半小时,计算公式如下:
综上,地铁杂散电流监测系统需要监测的数据有:结构钢极化电位(mV级的信号)、参比电极自然本体电位、监测点的轨道电位(范围-100~100V)。整个系统采用集中式采集模式,由上位机、监测装置、转接器和数据采集器组成。
(1)数据采集器(传感器)在取样模拟信号后,经数据转换变成数字信号,由通讯接口输出。
《CJJ49-92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定:极化电压30分钟内的正向偏移平均值不得超过0.5V;参比电极的本体电位,0.4~0.6V;轨道——结构钢之间的电压不得超过92V。
由于两路输入电压信号范围差别较大,则系统对两路信号进行了预处理后再进行AD转化,具体如下所示:
(2)数据转接器主要用于系统中数据采集器与监测装置间信号的传输转换。在通信过程中,转接器处于多机主从状态中,要么做主机,要么做从机,硬件据此设计了通信缓冲门。
数据转接器与采集器之间,数据转接器做主机,采集器做从机,进行多机通信,1个数据转接器接8个数据采集器;数据转接器与监测装置之间,监测装置在需要和数据转接器通信时,先发中断脉冲,中断脉冲接入INT0,数据转接器进入中断处理程序完成缓冲门的切换,之后监测装置就作主机,数据转接器作从机,进行多机通信。
杂散电流的存在造成对地铁周围的埋地金属管线、电缆金属以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀,不仅会缩短金属管线的使用寿命,还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性,甚至酿成灾难性的事故。我国目前正在掀起建设地铁的高潮,在地铁正常运行时加强监测和有效判断杂散电流的腐蚀状况是非常必要的。
【参考文献】
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电流互感器教案 篇9
电流互感器 教案
一 复习:电度表直接安装法 提问: 1、电度表的作用 2、电度表直接接线时接线规律:1、3端子引入(电源),2、4端子引出(到负荷) 1、2 相线,2、4 零线 3、学会读电度表的参数:标定电流 额定电流 练习:家用电能表上标有“220V 10(20)A”的字样,则此电能表 标定电流是 A, 最大额定电流是 A。 二、新课:学习电流互感器的作用 提问一:假如用户使用的工作电流较大, 超过电度表的额定电流,那么电度表会损坏! 如果用户使用工作电流是70A,但没有适合的电度表,我们应该怎么办?是否可以使用最大额定电流为6A的电度表测量电能? 回答:电度表通过电流互感器接入电路, 可使电度表的通过电流低于其最大额定电流 小结:电流互感器的作用: 由于电力设备上通过的电流大多数为数值很高的大电流,所以当用户的工作电流超过电度表的最大额定电流时,需要通过电流互感器接入电路。 提问二、电流互感器原理是什么?为什么能降电压? 讲解:普通电流互感器结构原理 利用电磁感应现象,通过原电电流周围产生的变化磁场,在另一电路中产生的感应电流 其工作原理与变压器基本相同,一次绕组的匝数(N1)较少,直接串联于电源线路中,一次负荷电流( )通过一次绕组时,产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流( );二次绕组的`匝数(N2)较多,与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路。 单相表接互感器,一般的,接互感器的表是3(6)A的,(我国规定互感器的二次电流是5A),不过接互感器的表也可以当直接表用,只要负载电流不超过它的额定电流就可以了。 一次线圈:从电源侧引接用户负荷侧的工作母线 二次线圈:电流互感器内线圈 提问三、如何进行安装? 1、介绍结构:电流互感器的结构较为简单,由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。 穿心式电流互感器结构原理图 由于穿心式电流互感器不设一次绕组,其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定,穿心匝数越多,变比越小;反之,穿心匝数越少,变比越大,额定电流比: 。 式中I1――穿心一匝时一次额定电流; n――穿心匝数。 2、实操练习 电度表与电流互感器的接线 参考图 106页 器材 电度表电流互感器 闸刀开关 漏电保护器 灯泡 单极开关 提问四、如何换算得到真实电能消耗数据 书上107页
电流的磁场,教案示例 篇10
(一)教学目的
1.知道电流周围存在着磁场。
2.知道通电螺线管外部的磁场与条形磁铁相似。
3.会用安培定则判定相应磁体的磁极和通电螺线管的电流方向。
(二)教具
一根硬直导线,干电池2~4节,小磁针,铁屑,螺线管,开关,导线若干。
(三)教学过程
1.复习提问,引入新课
重做第二节课本上的图14-9的演示实验,提问:
当把小磁针放在条形磁体的周围时,观察到什么现象?其原因是什么?
(观察到小磁针发生偏转。因为磁体周围存在着磁场,小磁针受到磁场的磁力作用而发生偏转。)
进一步提问引入新课
小磁针只有放在磁体周围才会受到磁力作用而发生偏转吗?也就是说,只有磁体周围存在着磁场吗?其他物质能不能产生磁场呢?这就是我们本节课要探索的内容。
2.进行新课
(1)演示奥斯特实验说明电流周围存在着磁场
演示实验:将一根与电源、开关相连接的直导线用架子架高,沿南北方向水平放置。将小磁针平行地放在直导线的上方和下方,请同学们观察直导线通、断电时小磁针的偏转情况。(课本上第115页的图14-15)
提问:观察到什么现象?
(观察到通电时小磁针发生偏转,断电时小磁针又回到原来的位置。)
进一步提问:通过这个现象可以得出什么结论呢?
师生讨论:通电后导体周围的小磁针发生偏转,说明通电后导体周围的空间对小磁针产生磁力的作用,由此我们可以得出:通电导线和磁体一样,周围也存在着磁场。
教师指出:以上实验是丹麦的科学家奥斯特首先发现的,此实验又叫做奥斯特实验。这个实验表明,除了磁体周围存在着磁场外,电流的周围也存在着磁场,即电流的磁场,本节课我们就主要研究电流的磁场。
板书:第四节 电流的磁场
一、奥斯特实验
1.实验表明:通电导线和磁体一样,周围存在着磁场。
提问:我们知道,磁场是有方向的,那么电流周围的磁场方向是怎样的呢?它与电流的方向有没有关系呢?
重做上面的实验,请同学们观察当电流的方向改变时,小磁针N极的偏转方向是否发生变化。
提问:同学们观察到什么现象?这说明什么?
(观察到当电流的方向变化时,小磁针N极偏转方向也发生变化,说明电流的磁场方向也发生变化。)
板书:2.电流的磁场方向跟电流的方向有关。当电流的方向变化时,磁场的方向也发生变化。
提问:奥斯特实验在我们现在看来是非常简单的,但在当时这一重大发现却轰动了科学界,这是为什么呢?
学生看书讨论后回答:
因为它揭示了电现象和磁现象不是各自孤立的,而是紧密联系的,从而说明表面上互不相关的自然现象之间是相互联系的,这一发现,有力推动了电磁学的研究和发展。
(2)研究通电螺线管周围的磁场
奥斯特实验用的是一根直导线,后来科学家们又把导线弯成各种形状,通电后研究电流的磁场,其中有一种在后来的生产实际中用途最大,那就是将导线弯成螺线管再通电。那么,通电螺线管的磁场是什么样的呢?请同学们观察下面的实验:
演示实验:按课本图14-17那样在纸板上均匀地撒些铁屑,给螺线管通电,轻敲纸板,请同学们观察铁屑的分布情况,并与条形磁体周围的铁屑分布情况对比。
提问:同学们观察到什么现象?
学生回答后,教师板书:
二、通电螺线管的磁场
1.通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样。
提问:怎样判断通电螺线管两端的极性呢?它的极性与电流的方向有没有关系呢?
演示实验:将小磁针放在螺线管的两端,通电后,请同学们观察小磁针的N极指向,从而引导学生判别出通电螺线管的N、S极。
再改变电流的方向,观察小磁针的N极指向有没有变化,从而说明通电螺线管的极性与电流的方向有关。
引导学生讨论后,教师板书:
2.通电螺线管两端的极性跟螺线管中电流的方向有关。当电流的方向变化时,通电螺线管的磁性也发生改变。
提问:采用什么办法可以很简便地判定通电螺线管的磁性与电流方向的关系呢?同学们看书、讨论,弄清安培定则的作用和判定方法。板书:
三、安培定则
1.作用:可以判定通电螺线管的磁性与电流方向的关系。
2.判定方法:用右手握住螺线管,让四指弯向螺线管中电流的方向,则大拇指所指的那端就是螺线管的北极。
教师演示具体的判定方法。
练习:如图所示的两个通电螺线管,用安培定则判定它们的两极。
可以引导学生分别按上图将导线在铅笔上绕成螺线管,先弄清螺线管中电流的指向,再用安培定则判定出两端的极性。
通过以上练习,强调:螺线管的绕制方向不同,螺线管中电流的方向也不同。3.小结(略)
4.作业:
1.完成课本上的“想想议议”。
多档位自动切换电流测量电路设计 篇11
积分球是一种常用的光学实验设备, 它作为理想漫射光源和匀光器, 被广泛的应用于光辐射测量等领域[1,2]。为了判断光源的辐射通量, 在积分球中使用硅光探测器对光强信号进行测量。硅光探测器根据光强的不同输出变化的电流信号, 在积分球光源无光到强光照射下, 硅光探测器的电流响应信号变化范围很大 (一般从几μA到1A左右) , 一般的电流测量电路不能直接对如此宽范围的电流信号进行直接测量。根据所要测量电流宽变换范围的特点, 本文设计了宽范围电流测量电路, 将电流分为4个档位, 并使用单片机实时检测电流测量值, 根据电流值大小切换测量档位, 以保证电流值在合适的测量范围之内, 提高了测量准确性。
1 电流测量原理
电阻降压法是一种常用的电流测量方法, 使被测电流通过一个已知阻值的标准电阻, 在标准电阻上将会产生一定的压降, 通过测量电阻两端的压降即可反算出电流的大小。对于某一固定阻值的电阻, 若阻值取值太小, 当小电流 (如μA级别的电流) 经过电阻时, 在电阻两端产生的压降很小, 可能会导致后端的模数转换器无法分辨该电压差, 从而无法对小电流电信号进行测量。若阻值取值太大, 当大电流 (如1A级别的电流) 经过电阻时, 一方面由于功耗大会使电阻发热严重, 另一方面由于压降过大会超过后端模数电路的输入范围, 造成元器件的饱和或损坏。因此, 要根据不同的电流大小选择合适的阻值进行电流测量电路的设计。
2 电流测量电路设计
根据要测量电流范围, 将测量范围分为0-2m A, 2 m A-20m A, 20m A-200m A和200m A-2A四个量程。电流测量电路原理图如图1所示。
硅光探测器的输出端与原理图中电流输入端J41相连, 当电流范围在0-2m A时, 三极管Q21控制端为低电平, 三极管Q22和Q23控制端为高电平, 电流通过继电器S4后经过采样电阻R46、R47和R49, 当电流范围在2m A-20m A时, 三极管Q21和Q23控制端为低电平, 三极管Q22控制端为高电平, 此时的采样电阻为R46和R47。当电流范围在20m A-200m A时, 三极管Q21、Q22和Q23控制端为低电平此时的采样电阻为R46。当电流范围在200m A-2A时, 三极管Q21控制端为高电平, 此时的采样电阻为R44。根据电流经过的采样电阻不同, 所产生的电压差分别通过不同的AD623放大器进行放大, 放大之后的信号通过ADC芯片进行转换获得数字信号。3个继电器S4、S5和S6开关状态和量程的关系如表1所示。
采样电阻的大小与量程相关, 阻值越大, 能测量的电阻越小, 分辨率越高, 但是越容易使后端放大器进入饱和状态。反之, 阻值越小, 电流分辨率越低, 但是能测量的电流值越大。
AD623[3,4,5]是集成单电源仪表放大器, 它可以在单电源下提供满电源幅度的信号量输出, 在本设计中采用+5V电源供电。其增益由公式 (1) 确定,
根据设计要求, 两组放大器 (U5和U6) 的增益分别设置为2和25, 因此可以计算两组放大器的增益电阻分别为R42=100kΩ, R45=4.2kΩ。
放大器放大后的信号进入ADC芯片AD7705进行模数转换, AD7705是16位分辨率的A/D转换器, 使用+5V单电源供电, 具有3线数字接口, 可以通过该接口进行芯片功能配置, 该芯片还具有自校准和系统校准功能[6,7]。AD7705的应用电路如图2所示。
3 程序设计
使用STC12C5A60S2单片机与AD7705芯片的控制IO相连, 定时采集模数转换值, 根据采集数据结果判断当前电流范围, 以此确定合适的量程。量程切换过程是本软件编写的主要部分, 量程切换部分程序流程图如图3所示。
4 结论
本文采用量程分段的方式, 设计了一种宽量程自动切换电流测量电路, 可以对硅光探测器输出的范围在几十μA到2A的电流进行测量。使用该测量电路可以满足积分球对电流测量的需要, 具有较好的实时性, 实际电路经软件标定以后可以提高测量精度, 该设计方法具有使用价值, 可以为宽范围电流测量提供参考。
参考文献
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