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1、第十三章 交流电桥,交流电桥主要用于交流等效电阻及其时间常数、电容及其介质损耗、自感及其线圈品质因数和互感等电参量的精密测量。交流电桥:阻抗比电桥和变压器电桥，一般将阻抗比电桥称为交流电桥。交流电桥(阻抗比电桥)的准确度为10-3左右。变压器电桥是以感应分压器作为比率臂，感应分压器的准确度可达310-9，变压器电桥准确度可达10-8数量级。,交流电桥的基本原理,一、交流电桥的平衡条件 二、交流电桥的特点 三、交流指零仪和电源,交流电桥的基本原理,一、交流电桥的平衡条件,当调节电桥桥臂参数，使交流指零仪器D中无电流时即ID=0，这时b、d两点的电位相等，电桥达到平衡,交流电桥的基本原理,一、交流
2、电桥的平衡条件,交流电桥的平衡必须满足两个条件：相对臂的阻抗的模的乘积相等；相对臂的阻抗角之和相等。,=,1交流电桥必须按照一定方式配置桥臂的阻抗。通常将交流电桥中的两个桥臂设计为纯电阻。（1）如果电桥的相邻两臂接入纯电阻，则另外相邻两臂必须接入相同性质的阻抗。（2）如果电桥的相对桥臂接入纯电阻，则另外相对两桥臂必须接入异性阻抗。2交流电桥的平衡必须反复调节至少两个桥臂参数。3分别读数。,二、交流电桥的特点,2.交流电桥的平衡必须反复调节至少两个桥臂参数,3分别读数,1交流指零仪(1)具有与测量线路相适应的灵敏度：测量的准确度与指零仪的灵敏度有很密切的关系，指零仪的灵敏度愈高，测量的准确度也愈
3、高；(2)零位干扰小(即零位稳定性高)：当电源电压、频率等因素变化时，存在噪声及有外界电磁场干扰时，仪表指示的偏转尽可能小，并能抑制50Hz电源干扰；(3)应具有一定的频率范围，对频率有选择性；(4)输入阻抗要高。2交流电桥的电源(1)电源的电压稳定；(2)波形为正弦波；(3)频率稳定，具有一定的频率范围；(4)具有一定的功率，一般为0.10.5W；(5)输出阻抗可以调节，以适应不同的负载要求。,三、交流指零仪和电源,常用的交流阻抗比电桥,交流电桥中的标准量具：标准电容，标准电感。工艺上的原因，标准电容可能达到的准确度常常高于标准电感，并且标准电容不受外界磁场的影响，受温度变化的影响也比较小。
4、在交流电桥中，大都是用标准电容作为标准量具。一、电容电桥 1.高压电容电桥 2.串联电容电桥 3.并联电容电桥二、电感电桥 1.测量高Q值电感的电感电桥 2.测量低Q值电感的电感电桥 3.测量互感的电桥三、测量频率的电桥四、万用电桥,1高压电容电桥 工作电压很高(104以上)，为保证人身和设备的安全，指零仪器和可调节臂上各点对地的电位不能太高。,2.串联电容电桥 被测量用串联等效电路表示，比较臂也采用串联形式。适于测量损耗较小的电容。3.并联电容电桥 被测量用并联等效电路表示，比较臂也采用并联形式。适于测量损耗较大的电容。,二、电感电桥电感电桥可测电感线圈的自感系数和品质因数。标准电容一定要安
5、置在与被测电感相对的桥臂中。1测量高Q值电感的电感电桥 2测量低Q值电感的电感电桥 3测量互感的电桥,1测量高Q值电感的电感电桥2测量低Q值电感的电感电桥,海氏电桥Q10 马克士威电桥Q0.5,Q=,3测量互感的电桥,海维赛德电桥及其等效电路,去耦等效变换,三、测量频率的电桥,温氏电桥,四、万用电桥(QS18A),1.结构 QS18A型万用电桥是上海沪光仪器厂生产的。电桥的核心部件由标准电容和电阻及转换开关组成。通过转换开关的切换，可以构成不同用途和量限的测量电桥。2.测量范围 1)电阻：10m11M 2)电感：0.5H110H 3)电容：0.5pF1100F 4)电感品质因数Q值：010 5
6、)电容损耗因数D(tg)值：00.1，010 3测量原理 QSl8A型万能电桥原理很简单：测量电阻时，通过转挽开关接成惠斯通电桥；测量电容和损耗因数时，接成串联电容电桥；测量电感和品质因数时，接成马克士威电桥。QSl8A型万能电桥的具体线路及其主要技术指标参见电磁测量实验实验三。,变压器电桥(感应比率臂电桥),感应分压器的定义:按1978年IEC-618(国际电工委员会)规定，感应分压器简称IVD，是一个或多个相互连接的变压器组成的装置，用开关或其它方法使装置的输出电压等于输入电压的某个选定比例值。感应分压器的分类:1.按工作频段 工频感应分压器(50Hz或60Hz);音频感应分压器(lkHz
7、和10kHz附近);超音频感应分压器(20kHz至100kHz)；高频感应分压器(1MHz左右)。2.按工作电压 低压(低于220V)中压(低于600V)高压(高于1000V),变压器电桥(感应比率臂电桥),一、变压器电桥的特点二、变压器电桥的基本原理三、变压器电桥的基本线路四、等效三端网络,一、变压器电桥的特点,1.变压器电桥的变比基本上是个实数，精度很高。在变比为1:1时，精度不低于10-6，并且对温度和时间的稳定性好。这是因为变压器的变比决定于变压器的匝数比，而匝数比可以做得很精确，这是一般电桥无法达到的，所以适用于基准和精密测量。2.变压器电桥的灵敏度比一般电桥高，而且实际上在很宽的测
8、量范围内，也能得到恒定的灵敏度。3.变压器电桥的变比与一标准量具相结合能等效为一个可调导纳，可以扩大电桥的测量量限，还能减少标准量具的数目。4.变压器电桥的工作频率很宽，可从几十Hz到100MHz。5.变压器电桥调节速度较快，便于实现自动化和数字化，这是因为它不需辅助平衡线路。6变压器电桥可进行三端及四端阻抗的测量。,优点：1电桥的比率与作为比率臂的绕组的匝数成正比；2电桥比率臂的输入阻抗高而输出阻抗小；3分布参量影响小；4.对温度的影响不敏感；5稳定性高；6电桥的灵敏度高。缺点:对湿度敏感和不能在直流下使用。实际上它是用感应比率臂代替古典电桥的阻抗比率臂而组成一个四臂电桥。,二、变压器电桥的
9、基本原理,变压器电桥的比例臂是由变压器的绕组组成的(感应分压器),三、变压器电桥的基本线路,(a)串联电容电桥(b)并联电容电桥(c)电感电桥,四、等效三端网络,1.等效大电阻三端网络(利用小电阻获得大电阻)2.等效电感三端网络(利用电容得到电感)3.利用等效三端网络的变压器电桥,1.等效大电阻三端网络(利用小电阻RO获得大电阻RAB),RAO与RBO不影响电桥的工作,2.等效电感三端网络(利用电容得到电感),3利用等效三端网络的变压器电桥,1.被测小电容的两极板间是被测的直接电容C12，其两板对地分别具有对地电容C10和C20，小电容应看作具有“1”、“2”和“地”这样三个端点的三端电容。对
10、地电容可能大于被测电容本身。为了精确地测量，必须消除对地电容对测量的影响。2.用普通的阻抗比交流电桥进行测量，无法消除对地电容对测量的影响。采用变压器电桥测量三端电容便可消除对地电容对测量的影响。,交流电桥的干扰防护及使用,一、主要干扰因素二、干扰的检查三、干扰的排除四、使用注意事项,交流电桥的干扰防护及使用,交流电桥测量时不可避免地受到各种干扰，例如电磁场、漏电、耦合等影响。一、主要干扰因素 1.外界电磁场的影响。交变电磁场的来源主要有：仪器内部的强电流回路；仪器外部大电流回路；以及各种电气设备产生的交变场等。2.耦合的影响，按其性质又可分为下列两种：(1)内部耦合 这是指电桥内部线路与元件
11、间的电容耦合和电感耦合(即各部分之间的 电场或磁场的相互影响)。(2)外部耦合 线路元件对周围物体(包括实验者本身)的电容耦合，与外部带电线路之 间的电感耦合。通常电容耦合要特别注意。例如，线路各部分之间以及机壳或大地之间都有分布电容，这些分布电容称为寄生电容。流过寄生电容中的位移电流称为电容性漏电流。频率越高电容性漏电流越大。,交流电桥的干扰防护及使用,二、干扰的检查 交流电桥在达到初次平衡之后，判断电桥的干扰是否存在。1.用手接近或离开电桥的面板和被测对象，观察指零仪指针是否偏转。2.改变被测对象的位置、方向，或将连至被测对象的导线末端相互换接，观察指零仪指针是否有变化。3.断开指零仪支路
12、，这时如果指零仪指针不指在零位，说明指零仪本身受到外磁场影响，电桥并未达到真正平衡。三、干扰的排除 1.采用替代法 不管干扰，先对被测元件进行测量。电桥平衡后，保持原来试验条件完全不变，用标准元件代替被测元件。电桥的各旋钮不动，调节标准元件的数值，使电桥重新达到平衡，这时被测元件的数值就等于标准元件所调到的数值。采用这种方法时，要求有连续可变的标准元件。2.零位平衡法 先在电桥的测量端接上一个已知数值的小电阻(电感或电容)，把电桥调到平衡，这时电桥的读数减去所接电阻(电感或电容)的差值，就是各种干扰所引起的误差。,交流电桥的干扰防护及使用,四、使用注意事项 1.选择电源时，应严格遵守电桥说明书
13、中对于电源电压的数值、频率和波形的要求。2.进行测量时，各仪器设备应合理放置，以便尽可能消除各种干扰对电桥平衡的影响。3.当电桥电路有屏蔽时，必须按照电桥说明书的要求，把它们连接到适当的点上。4.当使用带有放大器的平衡指示器或耳机时，应当把灵敏度调节器调在灵敏度最低的位置。在调节电桥接近平衡后，再逐渐提高灵敏度调节电桥平衡，直到灵敏度最大时调节电桥达到平衡为止。5.每次改变电桥接线或改换被测元件前，都要断开电桥的电源。,交流电桥的灵敏度和收敛性,一、交流电桥的灵敏度平衡指示器采用电子指零仪器时，由于输入阻抗大，流过指示器的电流很小，考虑它的电压灵敏度。某桥臂阻抗的相对变化；由Z在测量对角线引起
14、的电压相量变化。,电桥平衡，Z1Z3=Z2Z4 第四桥臂阻抗Z4增加Z4，电桥不平衡,Z4 Z4,电桥平衡时，。A（复数）表示电桥平衡时，测量对角线两边阻抗之比。,电桥电压灵敏度的模,当a=1时，SU极大,当a=1时，SU极大,结论：1.交流电桥的电压灵敏度与电源电压成正比。2.为了得到较大灵敏度要尽理使测量对角线两边的桥臂阻抗的模相等，即 3.测量对角线两边的阻抗的幅角之差越接近90，灵敏度越高。,SU可以更大，但在实际的交流电桥中，至少有一个桥臂是电阻，所以不可能大于90。,二、交流电桥的收敛性,交流电桥至少要调节两个变量来达到平衡。有的电桥比较容易调到平衡，有的电桥则需要反复调节多次才能达到平衡；而且对于同一电桥线路，如果选用不同参数作为调节变量，电桥能被调到平衡的难易程度可能很不相同。电桥平衡过程的快慢关系到电桥使用起来是否方便。交流电桥的收敛性表示电桥达到平衡所需反复调节的过程。收敛性好，电桥调到平衡快；收敛性差，电桥需多次反复调节，不易平衡。,1.调节R3和R4使电桥达到平衡的过程，将两个复数随R3和R4而变化的轨迹画到复平面上。,2.调节C4和R4使电桥达到平衡,W线和V线的夹角接近90，电桥的收敛性好，容易调到平衡；它们的夹角越小，电桥的收敛性越差，电桥越不容易调到平衡。,
