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1、用数字积分式冲击电流计测量电容与高阻用数字积分式冲击电流计测量电容与高阻冲击电流计常用于测量电量,而不是电流。 例如,电路在短时间内脉冲电流所迁移的电量、 静电电量等。本质上讲，是对脉冲电流的积分测量。因此冲击电流计还可间接地测量磁感应强度、电容、电阻等。本实验采用新型的数字积分式冲击电流计进行测量。其原理是对输入的脉冲电流信号，用高速数字电路进行采集，计算其面积。这种方法相对于一般的电容积分峰值保持式测量电路，具有很大的优势，原因是干扰脉冲对整体面积的影响可以被很大程度上均和而抵消，但对于峰值保持式积分器，干扰脉冲将严重影响其测量结果。本实验将通过电量的测量，学习电量与电流、电压、电容、电阻
2、等物理量的关系。通过比较法测量电容和放电法测量高阻，拓展冲击电流计的应用，丰富了电磁学实验的内容。【实验目的】【实验目的】 1、学习数字积分式冲击电流计的使用方法。 2、比较法测量电容。3、掌握 RC 放电法测量高阻的原理，并测量高阻。【实验仪器】【实验仪器】1、DQ-3 数字积分式冲击电流计2、DHDQ-3A 冲击法电容与高阻测量仪，含标准电容、待测电容、高值电阻、直流电源、放电开关、同步计时秒表等。【实验原理】【实验原理】1、用冲击电流计测量电容的原理在图 1 中，电源 E 用于给电容提供充电电源。要求其具有较高的电压稳定度，且其内阻要足够小。开关 K1用于换向，需要时可以进行正反向测量，
3、以提高测量准确度。开关K2用于选择充电与测量，K3用于选择标准与被测电容。对 K2、K3开关的要求是绝缘电阻要高、断路间隙小、接触抖动小，否则抖动和漏电阻将可能会影响测量结果。K3置于“标准” ，K2置于“充电” ，则电源 E 对标准电容 CN充电。标准电容 CN上所充电量为：Q0=CNU。将 K2置于“测量”挡，则CN向冲击电流计 Q 放电，由于冲击电流计具有一定的内阻，故而在一定的时间内完成放电。冲击电流计完成电量的测量，并显示。将 K3置于“被测” ，K2置于“充电” ，则电源E 对标准电容 CX充电。被测电容CX上所充电量为：QX=CXU。将 K2置于“测量”挡，则CX向冲击电流计 Q
4、 放电。冲击电流计完成电量的测量，并显示。忽略漏电阻和电源 E 的变化，则有 Q0/QX=CN/CX。由于 CN为已知值，故可求得：CXQXCN（1）Q02、RC放电法测高阻6图 1用冲击电流计测量电容图 2用冲击电流计测量高阻高阻一般是指大于 10 的电阻。用数字电阻表或伏安法测量高电阻时，因为数字表的输入电流或因电流非常小的原因，造成测量失准。借助于高性能的数字冲击电流计，用放电法测量高阻是一种较为准确的方法。将待测高阻与已知电容组成回路， 在电容放电时测量电容上的电量 （或电压）随时间的变化关系，确定其时间常数，在已知标准电容容量的情况下，可确定高阻的阻值。其原理如图2 所示。在图 2
5、中，开关 K2、K3是一个双刀三位开关，其绝缘电阻高、断路间隙小、接触抖动小，测量工作过程如下：CN充电：K3置于“标准” ，K2置于“充电” ，假设 E 的内阻为 5 欧，标准电容的值为 1uF，则时间常数为 5us，在 3050us 内，电容充电完成。所以只要将K2置于“充电”位置很短时间，就可认为充电完成。同时 K2的另一组开关接通计时器S 的“复位”端，计时表示值回零。CN放电：K3置于“高阻”端，一组开关接至 CN不变，另一组开关接至“开始/停止”端，准备进行计时。将 K2 置于“放电”端，RX 就并联到 CN两端，电容开始放电；同时，K2的另一组开关接通计时器S 的“开始/停止”端
6、，计时器开始计时。由于 K2的两组开关是联动的，所以确保了放电与计时的同步性。由于 K2、K3使用了高绝缘性能的开关，而且CN本身的绝缘电阻很高，所以实验中切换开关时，开关动作快慢并不会明显影响计时准确度，这降低了操作难度，并提高了测量准确性。测量：放电一段时间后，将K2切换到“测量”端， CN向冲击电流计放电，并断开RX，以免在冲击电流计测量期间 CN向 RX放电。同时 K2的另一组开关再次接通计时器S 的“开始/停止”端停止计时；也由于K2的两组开关是联动的，所以确保了冲击电流计测量与计时停止的同步性。在上述的测量过程中，设放电时间为t，则在 t 时刻电容 C 上的电量 Q、电压 U 和
7、RC 回路中的电流 I之间满足：Q CU；其中U RII dQdt其中负号表示随着放电时间的增加，电容器极板上的电荷Q随之减少。注意：Q、U、I 三个量都是时间的函数。设初始条件为：t=0 时，Q=Q0，则电容上电量随时间的关系：dQ q。即Q Q0edtRCtRC (2)式中 RC 称为时间常数，一般用表示，其物理意义为：当t=RC 时，电容上的电量由 t=0 时的 Q0下降到 0.368Q0，它决定放电过程的快慢。时间常数越大，放电越慢；反之，越小，放电越快。对应的放电曲线见图 3图 3 Qt 曲线图 4 lnQt 曲线QQ0lnQQ0.368对(2)式取自然对数有：lnQ t lnQ0(
8、3)RC根据式（3）可知lnQ 与 t 成线性关系，见图 4。其直线斜率就是求得 R 的大小。1，根据已知标准电容值就可以RC【实验内容】【实验内容】 1 1、用冲击电流计测量电容、用冲击电流计测量电容按图 1 连接线路，接好冲击电流计、分别测量 CN和 CX。在测量 CN和 CX为 10 uF、1 uF、01uF 时所选电压分别对应 3V、15V 和 15V，使 Q=CU 值的大小在冲击电流计的量程范围内。1.1 K1置于“正向” ，K3置于“标准” ，K2置于“充电” ，则电源 E 对标准电容 CN充电。将 K2置于“测量”挡，则CN向冲击电流计 Q 放电。冲击电流计完成电量的测量，自动显
9、示Q 的大小并保持，直到下一次测量。记录这个 Q0值。同一个电容值在同样的电压下测量5 次电容值，并以平均值作为Q0。K1置于“反向”后和前面同样的操作测量。取K1正向和反向的电量的测量值的绝对值取平均作为该测量的最终值。我们分别测量 3 个标准电容的饱和电量值。1.2将 K3置于“被测” ，K2置于“充电” ，则电源 E 对标准电容 CX充电。将 K2置于“测量”挡，则CX向冲击电流计 Q 放电。冲击电流计完成电量的测量，自动显示Q 的大小并保持，直到下一次测量。同一个待测电容值在同样的电压下测量5 次，并以平均值作为 Qx。我们分别测量 3 个待测电容的饱和电量值 （表盘上的待测电容的数值
10、仅仅作为参考） 。用公式（1）计算 CX值。2 2、用冲击电流计测量高阻、用冲击电流计测量高阻按图 2 接线，接好冲击电流计、CN和 RX，测量 RX=100 M的电阻时，选择 CN=1 uF，选择电压为 5V。具体操作步骤为：具体操作步骤为：CN充电：K3置于“标准” ，K2置于“充电” ，同时 K2的另一组开关接通计时器 S 的“复位”端，计时表示值回零。CN放电：K3置于“高阻”端，一组开关接至 CN不变，另一组开关接至“开始/停止”端，准备进行计时。将 K2置于“放电”端，RX并联到 CN两端，电容开始放电；同时，K2的另一组开关接通计时器S 的“开始/停止”端，计时器开始计时。测量：
11、放电一段时间后，将K2切换到“测量”端，CN向冲击电流计放电，并断开RX。同时K2的另一组开关再次接通计时器 S 的“开始/停止”端停止计时；记录下时间t 和 Q 值。将测量时间取为 5s、10s、20s、30s、40s。每个放电时间分别测 5 次 K1置于“正向”和 K1置于“反向”的充电条件。将测量结果取平均。另外学生要自行考虑一个方案，以使时间常数=RXCN在 10100s 之间。太大，则测量时间过长；太小，计时容易产生误差。再根据 CN值，选择合适的电源 E 的电压值 U，使 Q=CNU 值的大小在冲击电流计的量程范围内，否则不能有效测量。因此大家在理论指导下得出一个高阻比较好的测量条
12、件。【数据处理】【数据处理】 1、用冲击电流计测量电容CN=12345平均值CXQN(uC) 正向QX(uC) 反向2、用冲击电流计测量高阻用 EXCEL 软件的图表功能，可以对上述的测量结果进行 QN-t 曲线的指数函数拟合，或者 lnQN-t 曲线的直线拟合。或者用带直线拟合功能的计算器，可以对 lnQN-t 曲进行直线拟合。根据直线斜率即可求得RXCN值，最后求得 RX值。t ( s )QN(uC) 正向平均QN(uC) 反向平均510203040lnQNDHDQ-3A 冲击法电容与高阻测量仪技术说明书本实验仪可以配合冲击电流计,进行电容和高阻的测量。 由于使用了比较法， 在以较高准确度
13、的标准电容为基准的前提下，可以获得较高准确度的测量结果；用经典的 RC 放电法，可以较为准确地测量 1061010量级的高阻。更为重要的是，通过使用这个仪器进行实验，可以掌握在其他电磁学实验中欠缺的电量这个物理量的内涵，以及电量与电容、电压、电流、时间等量纲的传递关系。借助于新型的高性能数字冲击电流计，可以重建冲击电流计在电磁测量中的重要地位，拓展更多的与冲击电流计相关的实验内容，例如磁性材料的测量、磁场的测量等等。为了进行电容与高阻的测量，仪器提供了一组高稳定性的低内阻电源，在比较测量的时间内其电压值能基本维持不变，由于其具有较小的内阻，所以充电时间快，负载特性好。仪器没有使用可调式电容箱，
14、而是提供了三个量值的高性能 CBB 标准电容，这有利于减小分布电容的影响，可获得更好的准确度。必要时也可以外接更高等级的标准电容。为了实验的方便，仪器还内置提供了被测电容和被测高阻。需要提醒的是，被测电容和被测高阻并不具有精确的量值，仪器给出的仅是名义值。当然，外接的被测电容和被测高阻也可以方便地连接到本仪器进行测量。主要技术性能:1、直流稳压源输出电压：0-19V 可调，电压稳定度：210-5/10min，负载稳定度：110-4。输出电流：最大 30mA，最大等效内阻：5。数字电压表：三位半数显。分2V，20V 两个量程。换向开关：已在内部连接，有正向、断、反向三档。 ，经反向后的电压从“直
15、流稳压源”的两个接线柱输出，可以用于接到更精确的电压表，或者其他合适的用途。2、测量元件标准电容：分 0.1、1、10uF 三档，其不准定度为：0.5%。相应的电容通过连线与“CN”的右侧接线柱相连即可。需要外接标准电容时，断开内接标准电容，连接至“CN”两端接线柱即可。被测电容：其名义值为 0.1、1、10uF 三种。相应的电容通过连线与“CX”的右侧接线柱相连即可。需要外接被测电容时，断开内接被测电容，连接至“CX”两端接线柱即可。被测高阻：其名义值为 1M、10 M、100 M三种。相应的电阻通过连线与“RX”的右侧接线柱相连即可。需要外接被测高阻时，断开内接被测高阻，连接至“RX”两端接线柱即可。3、计时秒表计时范围：量程 1：999.99s，分辨率：0.01s；量程 2：9999.9s，分辨率：0.1s量程 3：99999s，分辨率：1s，三量程自动转换。4、转换开关密封式高性能无油开关，避免长期使用后绝缘下降。绝缘电阻：10000M。内部是两刀三位的联动开关，通过合理的线路连接，完成充电、放电、测量和同步计时功能。具体原理见面板线路图。
