电桥法在测量中的应用

1、电桥法在实际测量中的应用摘 要:随着电子产品渐渐盛行，在生活中的方方面面电子产品都成了不可替代 的产品。人们对电子产品的依赖也越来越深，但在一些领域对电子产品的紧密度 也要求精益求精，在误差、不确定度等方面做的也有很大的改善。在减小误差方 面存在着各种测量方式。本文站在前人的臂膀上，利用前人的理论和数据就电桥 法在实际生活中的测量应用给大家系统介绍，让大家更加清晰了解电桥法的慕本 原理、使用方法、电桥法的数据处理。文章主要围绕电桥法测电阻，测电容和电 感，也介绍其它一些运用电桥法测量量。在介绍这些电桥测量量中也通过一些经 典实验如惠斯通电桥、开尔文电桥等让大家直观系统的了解电桥法在实际 测量中

2、的应用。关键字： 电桥法； 数据处理；经典电桥实验原理bridge method applied in the actualmeasurementabstract： as electronic products gradually prevailed in all aspects of life electronic products have become an irreplaceable product. people are increasingly dependent on electronic products deep, but in some areas of electroni

3、c products also require the tightness of excellence, in terms of error, uncertainty, and so do also have greatly improved. there are various aspects to reduce the error in measurement. this paper predecessors arm standing on the use of previous theory and measurement data on the bridge in real life

4、applicati on system in troduced to every one, so that we more clearly understand the basic principles of bridge method, using methods bridge method data processing. the article centers around the bridge method to measure resista nee, capacita nee and in du eta nee measurements, but also introduce so

5、me other method of measuring the amount of use of the bridge. introducing the bridge by measuring the amount of these are also some of the classic experiments such as a wheatstone bridge, kelvin bridge and so onntuitive system allows everyone to understand the application of the bridge method in act

6、ual measurement.keywords: bridge method; data processing; classic bridge principle摘要1abstract2目录i第一章引言1第二章 常见电桥法的分类22.1电桥法介绍22.2直流电桥原理及应用22.2.1惠斯通电桥法32.2.2双臂电桥法（或开尔文电桥）32.4直流电桥和交流电桥的电桥平衡分析及二者的区别62.4.1直流电桥电桥平衡和原理分析62.4.2交流电桥平衡的分析6第三章直流电桥法在实际生活屮的实验83.1.1惠斯通电桥在实际生活中的实验83.1.2惠斯通电桥93.1.3电桥的灵敏度103丄4不确定度计算

7、103.1.5惠斯通电桥的步骤和相关注意事项113.2开尔文电桥在实际生活中的应用123.2.1开尔文双电桥介绍123.2.2开尔文电桥和惠斯通电桥的比较123.2.3 开尔文电桥设计思想133.2.4 qj19型单双电桥实验13第四章 交流电桥法在实际生活中的实验134.1电容电桥134.1.1电容电桥的热损耗194.1.2用电容电桥测量损耗较小的电容（串联电阻式）194.1.3测量损耗大的电容电桥（并联式）204.2电感电桥214.2.1利用电感电桥法测q点214.2.2测量高q值电感的电感电桥224.2.3.测量低q值电感的电感电桥23第五章其它儿种常见电桥法在实际量中的实验245.1麦

8、克斯韦电桥法245.2韦恩电桥法255.3海氏电桥法26第六章电桥法总结与展望28参考文献29第一章引言在21世纪电子产品的快速发展，其中各种电子测量确保了这些电子产品的 质的保障。而在实际生活中我们的各种电路类的电子测量都比较偏弱的，所以在 这种情况下我们就要求对电子产品各种测量越加严密。这时我们最常见的则是电 桥法测电阻、电感、电容对于不同的测量我们通常采用不同的应变 计和传感器采用某种特定的测量电路计入测量仪表，测量其输出信号。我们通常 将电桥测量法应用于电阻应变片或电阻应变计中测量那个电路中的电量参数，在 测量过程中应变片或电阻应变计会在电路中引起电阻值的变化，是严重的电阻应 变计就会

9、将电阻变化通过信号变换成物理量显现，一般转换成电压信号或电流信 号在检流计上直观表现出来。电桥法的测量电路可以简单的概述为由电阻应变计和四个由电阻构成桥臂 连接而成。我们按照电桥法的构成方式一般分为:单臂、双臂和全桥电桥法在实际生活测量有其明显的优势：（1）在实际生活中一般实验都会 存在周围温度误差从而影响实验最终结果，但电桥法可以有效的实现温度补偿从 而提高实验的精确性（2）电桥法可以从比较复杂的实验所需应变数据组合中测 出实验指定所需的数据成份而排出其它数据成份（3）扩大大应变计的读数从而 可以减少因读数误差来提高灵敏度。因而本文就和大家系统的规划和探讨各种电 桥法在实际测量中的应用。第二

10、章常见电桥法的分类2.1电桥法介绍在实际生活屮，我们进行屯子测量一般都是比较微弱的，所以在这种情 况下就需要专门的电路来对这些电子测量数据进行册来那个，这时我们最常用的 电路就是基于伏安法测电阻的方法通过电阻桥来测量数据这就是桥电路。电桥法 的桥电路理论依据简单的概括为：通过儿个电阻片和应变计的连接，通过调节电 阻值变化，比较因桥臂上电阻片之间的变化率ar/ r而引起的电压变化然后输 出的值，经过放大电路放大后进一步测量比较，其简单的原理电路如图1. 1如图1. 1所示电桥法的四个桥臂，我们分别称为rl、r2、r3、r4。ubd我 们称为直流电压源。其中当四臂电阻值不同时，我们的电桥测量法不同

11、。即r二r1二r2二r3二r4时，为等臂电桥；当r1=r2=r, r3二r4hr时则为对称电桥，当r1=r4=r, r2二r3hr 时称为源对称电桥。2.2直流电桥原理及应用直流电桥通常利用测量电阻的实验方法是比较法。比较法应用于实际测量电 阻实验中是一种相对较精确的方法，相对而言直流电桥测量的数据测量精度较 高。直流电桥法师在伏安法测电阻的基础上对电阻进行测量，较伏安法测电阻， 电桥法的优势是将两个量（电流和电压）的测量通过转换成了一个量的平衡来检 测的。相对而言平衡量检测对电桥阻值的变化是非常敏感，所以我们使用桥的电 阻变化敏感特点，利用电阻式传感器桥臂和应变计实现测量温度，湿度，压力和

12、非电量其他参数。实验中我们所说的直流电桥一般我们分为单臂电桥和双臂电桥即：惠斯通电 桥法和开尔文电桥法但二者之间区别不大，单臂电桥和双臂电桥原理类似。只是 单臂电桥一般测量高阻值电阻测量范围（iq10”q范围内的电阻值的电阻）， 双臂电桥一般适用于测量阻值较低的低电阻（1q以下）下面简单的介绍一下这2.2.1惠斯通电桥法我们通常所说的单臂电桥即惠斯通电桥。它的的 基本原理电路图如图1所示。电阻rl、r2、r3、rx组成四个桥臂，在b、d两点 的对角线上接有检流计ig,我们称之为“桥”。a、c两点分别连接着电源e和 开关k,其屮e,我们称为电桥对角线源电源。当开关k闭合时各个支路接通。当电流计t

13、g为零时，这时我们成电桥处于平衡状态即vd=vb于是r2r3二r】rx所以因为电桥平衡易知，当桥臂上有三个已知电阻，就很容易计算岀未知电阻rx。故惠斯通测电阻的公式可以简化为:rx= （r2r3） /ri2.2.2双臂电桥法（或开尔文电桥）开尔文电桥法基木电路图见图2。己知rn是标准电阻（1q以下），rx是待 测低电阻。rn和rx采用的是四端连接法；其中rl、r2、r3、r4是确定阻值 的电阻，通常我们认为附加电阻r1-r4对实验的测量值无影响。1er3假设总电流i在bi节点分流成i】和i2, it在g节点乂分成b和（i厂l） o 当电桥达到平衡时，检流计中无电流流入，所以e和f两端相等即ue

14、-uf=oo由 b1点到e点及b1点到f点的电势差为零，可知i2 r】 = iirs+ i3 r2同理，根据e点到c2及f点到c2点的电势差为零，可知【2 1?3=13比+ i rx因为c1到b2点存在着增值电阻即误差令其为rv,因为c1点到b2和b1到c2点两条支路上的压降在理论上压降值相等，故可知i3 （&+rj = （i,-i3） rv综上所述，连理三式可知：rx=rn+如果令r1二r2, r3二r4,则上式右边第二项rvr2 （r3/r1-r4/r2）/ （r2+r4+rv）=0于是可得到rx=r3rn/rl在式（1）中，rv是导线和接点自身电阻增加的额外电阻（误差忽略不计），

15、 因为额外阻值无法得到，故当电桥平衡时因等式存在多个未知数故根据式（1） 解得不出rx,通常我们让式（1）的右边第二项为零。由此可知，实验中r3/r1 = r4/r2 直成立。为了简单方便我们一般取r3二r4, r2二r1。前面我们介绍电桥是一种比较式测量方法，所以交流电桥也是种比较式的 测量仪器，在我们生活中的电子测量中也有举足轻重的地位。交流电桥在实际生 活中主要应用于（1）测量交流电路中的等效电阻和相应的时间常数（2）电容和 它的介质的各种损耗（3）互感和自感及它的线圈品质因数等相应的电参数精密 测量。（4）有吋我们也用于各种非电量转换的相应电量参数等精密测量。变压器电桥和阻抗比电桥是我

16、们经常接触的两大类交流电桥。但在实际测量 中我们习惯上称阻抗比桥为交流电桥。下面我们就阻抗比电桥作为交流电桥给大 家介绍一下。交流屯桥的实验研究是在直流电桥的基础上，故二者z间的线路图相似，但 交流电桥四个桥臂上为阻抗，而直流电桥上是不变的电阻。所以当交流电桥在测 量实验数据时，可能在平衡条件比较苛刻。实际调节时比较麻烦和繁琐。由此可 知要实现直流电桥的平衡要比实现交流电桥简单的多。如图1是交流电桥的基本原理电路图，它虽直流单臂电桥原理电路图有些相 似。但在交流电桥屮，充当是个桥臂的电子元件，一般都是由交流电路元器件例 如:特殊电阻、电容。电感组成；而且电桥的电源一般是正弦交流电源；交流电 桥

17、的交流桥平衡指示仪种类因实验的特殊性我们可以有多种选择。一般我们根据 交流电桥的使用频率来选择桥平衡指示仪。当通常频率为200hz以下时我们多使 用谐振式检流计；有时我们也选择耳机作为平衡指示器，条件为当其音频在人耳 可识别范围内。因为如果超出咅频范围人耳听不到对人有伤害时或更高的频率时 此时我们将采用电子指零仪器；交流毫伏表和电子示波器在条件允许的情况下也 有使用。但无论采用什么作为桥指示器，其最终原理是当电桥平衡时指零。us图1交流电桥原理下面咱们在理想状态下（正弦电源稳态的条件下）探讨交流电桥平衡条件及 其基本原理；交流电桥的四个桥臂由四个交流阻抗元件连接而成，如图1我们将 桥连接在电桥

18、的c、d两点之间的对角线上，即：接入交流指零仪称其为桥，在 另外两点a、b的对角线我们接入正弦稳态交流电源。我们通过调节交流电桥的参数参数，使交流电桥cd两点的电位相等，此时 交流电桥指零仪中无电流通过显示为零(即i。二0),即电桥达到平衡，故uac二uaducb=udb即i1z1二i4z4 (1)t2z2=t4z4 (2)联立(1) (2)两式相除可得工1 =些i2z2 i3z3电桥处于平衡状态时，即i。二0,由此可得il二【2，【3二【4所以zz 二 zz(3)故由公式推理可知等式(3)成立为交流电桥平衡的条件，故由图1可知，若已知三个阻抗和一个未知阻抗zx吋则下式成立：zx 二z.jz?

19、2.4直流电桥和交流电桥的电桥平衡分析及二者的区别2.4.1直流电桥电桥平衡和原理分析在口常电阻测量屮直流电桥常见的结构为四臂组成的直流屯桥居多。直流电 桥的供电源一般为直流稳压源，直流电桥为四臂电桥结构的基本形式体现。两个 相对桥臂上的电阻值乘积相等为电桥平衡条件。故当电桥四个电阻中存在一个标 准电阻和另外两个相邻桥臂等值电阻，那么被测电阻就很容易被求出。由此易知 当电桥达到平衡时，电桥的电压源的大小和桥臂上阻值大小与不影响电桥法的测 量结果。2.4.2交流电桥平衡的分析交流电桥是在衡态正弦交流情况下进行测量，桥臂阻抗一般为复数形式即z = r + jx =zej<f,将交流电桥的平衡

20、条件用数学表现形式为：z严z严z才=z2 - z4e根据数学复数相等的条件，若复数等式相等那么等式两端的幅角和幅模也一 定分别相等，故zzziz01+ 03二 02+ 04等式（3）是交流电桥平衡条件的另外一种表现形式，故当交流电桥达到平衡 时以下条件基木条件成立：（1）对角线相对桥臂上的阻抗幅模的乘积相等；（2） 对角线相对桥臂上的阻抗幅角之和相等。所以根据上而结论易知。（1）交流电桥电桥平衡不能随意搭配桥臂上的阻抗，要按照阻抗的性质合 理安排交流电桥的四个桥臂。当我们选用的四个阻抗组成四臂电桥，若四个阻抗 的性质不同，那么我们很难能够调节到平衡，这就要求我们在交流电桥达到平衡 前把阻抗元件

21、安种类和性质合理搭配。我们一般设计交流电桥吋，为了使交流电桥结构简易和调节便利，我们多采 用其两个桥臂为纯电阻。因上述结论可知当相邻两臂接入纯电阻，为了保持交流电桥四个阻抗性质相 同，则另外相邻桥臂也多接入纯电阻作阻抗。又根据（3）式易知：令被测对象 z在第一桥臂屮，两相邻桥臂阻抗z和z为纯电阻，即必二必二0,故：4"。 同理若被测对象么是电容，则它相邻桥臂阻抗z也必须是电容；若么是电感，则 z也必须是电感。当相对桥臂接入阻抗为两个纯电阻，则另外相对两桥臂阻抗一定为相反阻抗, 我们称之为界性阻抗。例如己知相对桥臂z和忆为纯电阻，有上述可知妙二九二0, 如二-久；由异性阻抗可知当电容么

22、为被测对象时，则它的相对桥臂乙一定是电 感，故当反z则相反。（2）交流电桥阻抗性质和构造可知桥平衡很难达到，只有通过反复调节桥臂 上的参数通过大量的实验才可以实现。我们在实验屮运用交流电桥平衡时，为使电桥完全达到平衡，除了满足上述 两个条件，必须不停反复的调节两个桥臂的参数。故相对而言调节交流电桥平衡 的工作量要比调节直流电桥平衡工作量要多。其中原因有很多除了必须满足上述 两个条件，采用交流电源和交流阻抗作为桥臂会产生一些残余电抗较大的电阻也 是导致其不容易平衡原因之一。往往在这种情况下我们多采用直流电桥进行测量。综上所述，直流电桥和交流电桥各存利弊：直流电桥是-种很基本的桥电路 而且利用比较

23、法较精确的测量电阻的方法；而交流电桥则多是由阻抗性原件组 成，例如，电容电感等元器件。交流电桥测量范围也很广，同时可以测量交流电 阻，电容、电感还可以测量材料的介电常数、线圈间的自互感系数及耗合系数、 还可以测量屯容的介质损耗、液体导电率等等 交流电桥除了和直流电桥 都有阻值平衡外，还多了一个相位平衡。第三章直流电桥法在实际生活中的实验3.1.1惠斯通电桥在实际生活中的实验惠斯登电桥是所有电桥的一个雏形，是一种直流、单臂、平衡式电桥，测量 范围比较局限，一般测量中等阻值电阻。惠斯通于1843年提出了单臂电桥电路， 并命名为惠斯通电桥。惠斯通电桥由四个电阻臂和一个检流计通过外接电源构成 的桥电路

24、。其屮rl、r2和r、为精密已知电阻，&为待测未知电阻（电路图如图1）。 我们常见的是闭合开关接通电源，然后我们调节已知标准电阻儿、&和& ,使电 桥检流计显示为零，此时电桥平衡，我们称电桥达到平衡，故有rx二rr/r"我们 通过交换测量法改变心和r, r. > &位置保持不变易得r尸错误!未找到引用源。.因为我们把物理实验作为物理教学的基础和内容。通过物理实验上的一些方 法和手段得出实验数据，來验证物理教学屮的一些理论和依据。所以物理实验在 物理教学中具有不可或缺的地位和作用。相对而言在测量电阻方面惠斯通电桥与 其他方法比较起来；惠斯登电桥测电

25、阻是一种操作简单、精密度有和对较高的最 为普通常用的一种方法。但在实验中会存在各种误差，这就要求我们应注意仪器 的使用方法，排除人为误差因素对仪器数据的读取和计算要精益求精，只有在排 除各种误差因素尽量减小误差这样才可以体现该实验的精度。本节以电桥灵敏度定义为基础,经过周密的分析和严谨的理论推导，得出和电 桥灵敏度晓得定量公式，分析导致电桥谋差的因素，然后消除影响电桥灵敏度的 误差，总结最大灵敏度的条件。前人在该实验灵敏度上也有大量的实验。我们站 在巨人的肩膀上，在前人实验数据基础上，得到具体的实验数据和相关分析与结 论，进行严谨的总结分析，找出相关的误差因素，消除误差带给惠斯通电桥灵敏 度，

26、并对其归纳和推广，然后通过具体实验数据验证了结论的准确性和真实性。% e rc惠斯登电桥原理电路團"3.1.2惠斯通电桥通常惠斯登电桥又称单臂电桥，一般测量高电阻测量范围在1 q10力之间 上文已经介绍过惠斯通电桥是由四个电阻r, r2、r,和心组成一个封闭四边形， 一般在四边形的对角a和b上接入直流电源，对角c和dz间接入检流计ig而 构成，如图1所示。图中四边形的四个边称为电桥的四个桥臂，而cd所连接的 对角线和检流计ig就构成了“桥”。“桥”的作用是将c、d两点的电位直观 的进行比较，当c、d两点电势相等时，检流计g中就无电流流过，即ig二0, 此时电桥便达到了平衡，我们称为平

27、衡电桥。而我们检流计称为平衡指示器，也 叫指零仪器。如图屮所示在“桥”有一个滑动电阻rg和ig检流计串联，rg我 们称之为检流计ig保护电阻。在电桥平衡的过程中，我们通常将保护电阻阻值 调到最大，在随着调节电桥平衡的过程中保护电阻也随着慢慢调小，当电桥达到 平衡时我们将保护电阻的值也减小至零。当电桥达到平衡状态时，易得c、d两 点电势相等，故uac = u e ubc =ubd由欧姆定律和图1可知：人 r1)irtk 因为(1)除以(2)可得：rx r4 rx=r2ri/r3 (3)r2 r3通常我们称/?2，鸟为比例臂，屆为比较臂通常表示为r"，而心通常称为测量 臂。实际上电桥法测

28、量的木质即通过利用己知电阻和被测量未知电阻通过比较得 出未知电阻的阻值。我们将这种方法称为比较法。所以电桥法是一种利用比较法 的测量仪器，因为标准电阻r般做的都比较精密，故电桥法测电阻精度往往都 比较高。3.1.3电桥的灵敏度我们一般判断电桥平衡的的标准，是通过观察检流计的指针有无偏转來作为 依据。但是检流计的灵敏度不是无穷高的，有一定的限度。当电流流过检流计较 微小，此时检流计的偏转小于0.1格，由于实验中人为误差因素，虽然检流计不 等于零，但此时认定眼睛已无法直观察觉出来，这时表明检流计的灵敏度是有限 的，这就是人为所带来课差。因此这回死后我我们要考虑电桥灵敏的，通常我们 用相对灵敏度来s

29、表示该电桥的灵敏度：检流计本身灵敏度s检流计，定义为:通过检流计的单位电流下检流计所偏转格数，检流计相对灵敏度s相对定义为是调节臂电阻的相对改变量所引起的指针偏转格数in3.1.4不确定度计算在用电桥法测量实验数据是，测量中的不确定度主要来源于实验当中的误 差，例如：电桥灵敏度带来的误差、电阻箱带来的误差和人为因素带来的误差 等介绍一下相对误差的算法：以r二10000 q相对误差二绝对误差/r二等级a /100o等级a二相对误差x100不确定度ar则为r二r相对一r绝对二电阻箱所自身误差所引入的不确定度:认丽lv3等假设采用交换法进行测量，则可消除比例臂带来的误差。我们所利用的交换 法就是将先

30、进行一次测量，然后再保持比例臂数值不变的情况喜爱，将待测电阻 rx和比例臂电阻交换位置再进行一次数据测量，然后两次测量的平均值即为待测 电阻rx的电阻值。一般这种情况下比例臂两个电阻是相等的。令第一次测量比 较臂数据为rn,交换后比较臂数据则为rj ,故j =因（5）式屮比例臂屯阻没有出现，因此比例臂电阻的误差已消除，故电阻引入的不确定度为：认r j =存j也"+ 牟h （6）2 丫r电桥灵敏度引入的不确定度:小、an o"'j =取 0.2)(7)电桥合成不确定度：u（rx）二错误!未找到引用源。3.1.5惠斯通电桥的步骤和相关注意事项惠斯通电桥测电阻相关步骤如下

31、:1）如图（1）所示的惠斯通电桥的基木原理图连接电路，用3个电阻箱阻值 范围相当的待测电阻作为电阻桥僭，检流计做电桥的指示计，源电压e二3.0和滑 动变阻器构成电桥。2）调节比例僭电阻电阻箱使r2=r3=100.0q，调节保护电阻rg、re至最大。3）用估读法或万用电表的欧姆挡粗略测量rx的值，然后将r4的阻值粗略 的调节等于rx的粗测值。闭合开关接通电源调节可变电阻r4使检流计指针指零。 再缓慢调节rg、re至0,细调r4使电桥平衡，记录各个桥臂上的阻值。4）根据 rx二rm/r3求岀待测电阻rx的值，上述灵敏度公式求出电桥灵敏 度；再根据相应的公式分别求出电桥的桥臂电阻和电桥灵敏度所引入的

32、不确定 度。记录相应数据并写出相关测量表达式。注意：1桥臂上的电阻箱阻值要保持非零状态和无穷大状态（即开路）。这就要 求我们实验前要检查电路各个点是否连接良好。2、在开路状态下才能大范围调节电阻。闭合桥开关的前提，桥臂电阻必须 相等。3、电桥平衡时桥僭电阻r4不会与等比电阻&相等。4我们在做物理实验时要保持严谨的态度，用科学的方法和认真仔细的获取 实验数据。具体实验数据见附录（1）3.2开尔文电桥在实际生活中的应用3.2.1开尔文双电桥介绍开尔文电桥基本原理和惠斯通电桥一样，即是惠 斯通电桥演绎过来，它和惠斯通电桥相比在测量小电 阻时精密度更加高。在这一点完善了惠斯通电桥的不 足。开尔

33、文电桥基木原理电路图如图1所示，图中一 般情况下rl、r2、r3、r4为可变调节电阻，&为低 值标准电阻，&为被测低电阻。3.2.2开尔文电桥和惠斯通电桥的比较开尔文电桥与惠斯通单电桥相比，从结构图上很容 易看到开尔文电桥有两点重要改进：心和心由以前的两端接法改为四端接法。 在标准电阻和待测电阻之间多加了一个由r2、r4构成的桥臂。结构图中的pr构成rx（被测低电阻）,pap4则是rn （标准低电阻）,我们通常称 p1p2、ph为电压接点，同样则称cc、csg为电流接点。3.2.3开尔文电桥设计思想开尔文在惠斯通研究基础上消除了额外附加电阻 给电桥带来的影响，从而使低电阻测量值

34、的准确度得 到提高，他的设计理念是：通过将r、和心的接触电阻 和接线电阻妙转移到电源内阻和大阻值的桥臂电阻 中如图所示，然后令rr二r2r3和r' =0的设定，间接图4 地少出了额外电阻的影响提高了精确度从而保证了小电阻数据测二一 下面我们具体讨论确保双臂电桥平衡条件的两种设计方式。1）已知r、为某固定阻值的标准电阻，确定r严&为某一值，通过调节联调&与出 使电桥达到平衡状态。2）选取两组桥臂之比为m二r3/rlr2/r"通过调节可变标准电阻&使电桥平衡;3.2.4 qj19型单双电桥实验qj19型单双屯桥所采用的设计方式属于第二种，具体实验数据和步骤

35、见附录2。具体实验见附录2第四章交流电桥法在实际牛活中的实验4.1电容电桥电容电桥在电子测量中主要的用途作用于测量电容器的电容量和相应的损耗角，下面我们具体介绍电容电桥及其工作情况。4. 1. 1电容电桥的热损耗在电容器中一般都含介质我们称其电容率为所以电路中会有部分电能在 介质中转换为热能，即热损耗，在这种情况下我们可以用等效电阻rc表示因介 质而产生的热损耗。交流电桥通常输出止弦电压，这时因介质的热损耗通过电容 器的交流电流和电压的相应的相位差将不再是在实际实验屮我们定义d为电容器的热损耗，而电容器的介质损耗一般用 电容器的损耗角6的正切tan6来表示，这就是实验中的损耗因数。其在电路中

36、串联等效电路图如图4.1所示。s丄a）c由图4.1可知：tan 3i( cocr(1)tan8- cocr（2）（1）、（2）两式中的e是交流电桥源电压的角频率。我们称tand称为损耗角，5称为损耗角度。一般合格的电容存在漏电及发热几率很小，故一般均用串联等效电路图。4.1.2用电容电桥测量损耗较小的电容（串联电阻式）例图3为示该屯容桥为串联屯阻式，一般用來测量小损耗的被测电容的电容 桥。如图在第一桥臂上接被测电容c/ ,我们形象的串联一个电阻rxf等效电(心+”=尙+图4. 1串联申阻式申容申.容介质损耗；在第四桥臂上串联标准电容g和 串联可变电阻心作为保护电阻，另外两个桥臂 分别连接纯电阻

37、&及&，当电桥调到平衡时， 屯桥处于平衡状态时下式成立：令上式实部和虚部分别相等可得:rxrl二rnr2r、 &得:rx= 3 fin(3)r<cx= cn(4)i r2通过理论可知，已知交流电桥测电容实验至少要通过调节两个参数且必须满 足上述两个条件，才能使电桥达到平衡状态。如果第四桥臂尺和c可以改变，电桥测电容别简单了一些，通过改变允和 ci1对电桥调节互不影响地使屯容电桥达到平衡。因为g是标准电容电容值是 大小固定不变，所以我们一般通过调节用/用比值使式(4)成立。由式(3)易知 我们当我们调节丘/用比值时(3)的平衡条件也会受到影响。由此可知电桥只有 在同

38、时满足上述两个条件桥才能达到平衡，我们在满足桥平衡了，就必须对兀 和召/凡等参数反复进行调节，所以我们在使用交流电桥测电容时，需要反复多 次尝试，当我们掌握繁琐的操作经验后，才可以很快找到电桥平衡点。当电桥达 到平衡后，我们将相应的数据带入(3)、(4)等式中计算，即可得到c和尺 值，相应被测电容的损耗因数为d二二 cocxrx=wcnrn4.1.3测量损耗大的电容电桥(并联式)串联式在测量损耗小的电容电桥时还是比较方便和有优势的，但当我们测量 的电容器损耗值过大时，此时串联式测量便存在了不足，因为电阻rn与标准电 容串联且rn阻值很大，这时将会因为损耗过大降低桥的灵敏度。此时当被测电 容的损

39、耗过大时，我们往往采用并联式测量电容电桥，如图4。并联式测量电容 桥是另外一种电容桥测量方式。它较串联式电容电桥法的优点在于它可以测量损 耗较大的被测电容，且采用与标准被测电容并联的方式连接在桥电路中的。这是 但电桥平衡时其相应的平衡条件为：忌（一）=尽（一）+./gh+mknkx通过数学变形后整理易知：rf cx=cn 计 l rx二r电ri而相应的损耗因数则为：d=tg5=击=金4. 2电感电桥我们一般利用电感电桥来测量电感的，而电感电桥基本线路有很多种，一般 情况因为电桥法是比较电路测量方法，所以我们通常利用标准电容和被测电阻作 比较，通过标准电容元件来实现电感电桥对电感的测量。在上节介

40、绍电容电桥法 我们可知，标准电容一般安置在被测电感相对的桥臂上。优势我们可以根据实际 需要选择标准电感作为比较标准元器件，此时我们通常将标准电感安置在和被测 电感相邻的桥臂上，下面我们通过利用电感电桥测q点来介绍电感电桥。4. 2. 1利用电感电桥法测q点通常实际情况下我们所采用的电感线圈除了有电抗xl （xl=u）l）,还 会有有效电阻，所以电感线圈不是纯电感，我们将两者之比称为电感线圈的品质 因数，我们用q来表示。即q旦r下面我们通过介绍电感电桥的两种不同的电桥电路测量高q值和低q 值，让大家熟悉电感电桥的工作方式。4. 2. 2测量高q值电感的电感电桥4. 3测量高q值电感的电桥原理图如

41、图4.3所示此电感电桥电路我们用 来测量高q值的电感电桥基本原理线路 图，此电桥我们乂称为海氏电桥。当电桥达到电桥平衡时，根据平衡条图 件可知（rx+jcolx）（rn+=r2r4根据数学化简公式可知：”_ r2rc"心代）2rx= r2r、r£oc）21 + （g心）2由式（1）易知，频率对海氏电桥平衡条件能否实现影响很大。所以我们在 应用成品海氏电桥时，当改用外接电源提供源电压是，我们耍注意电桥说明书中 所显示的一些参数，要按照其规定的电源频率接响应的源电压，且源电压的波形 一定要是正弦波，这样可以降低谐波频率带来的误差影响电桥测量的精度。通过上述的海氏电桥平衡条件时可

42、知q值为q如亠 （2） rx根据式（2）可知，被测电感q值和标准电容cn有密切关系，q值越小我 们就要求标准电容cn的值越人，注意并不是当屯容值无穷犬吋q值就会相应的 足够小，因为1） 一般标准电容的容量都不能做得太大，实际生产中有一定的限 度2）假如被测电感的q值过小，则相应海氏电桥的串联在标准电容的桥臂上的 rn也相应的阻值很大，但但桥臂上的阻抗值过大时就会影响电桥的灵敏度。所 以可知海氏电桥适宜测量q值比较大的电感参数，当测量q值较小的参数时存 在一定的局限性。一般海氏电桥我们测量10<q值参数。当但测量q<10的电 感元件的参数时，则我们通常用另一种线路测量q值参数。接下来

43、我们就介绍 测量小q值的电感电桥线路。4. 2. 3.测量低q值电感的电感电桥图4. 4测量低q值电感的电桥如图4.4所示是我们测量值q<10常用的电感的电桥基木原理电路线路如 图6所示。从线路图和图5可以清晰的看到该电路图采用的是和标准电容臂上并 联一个电阻。这种电桥往往我们又称麦克斯韦屯桥。在电桥达平衡时我们可得电桥平衡时的条件为：(rx+ju)lx) )二r2r4十 ja)clt相应的测量结果为r”"lx 二 r2r4c n(4)«门门r2 rx二 r4 rn故被测电感的品质因数q可得：colq 二一=u)rncnr,由等式(3)麦克斯韦电桥达到平衡时的平衡条件

44、式可知，麦克斯韦电桥的 平衡是否成立和频率无关，故在任何频率，是否是正弦条件下的源电压雨电桥是 否能达到平衡无关，所以麦克斯韦电桥比其他电桥应用的范围更加广泛。但该电 桥还是有局限性的，因为在实际实验中，往往电桥内部的各种元件还是会存在相 互影响的，在一定的层面上交流电桥的测量频率还是会对电桥的精度存在一定的 影响。第五章其它几种常见电桥法在实际量中的实验在上面介绍电容电桥和电感电桥时提到一些实验中常见的几种电桥，下面 就麦克斯电桥法韦恩电桥、和海氏电桥给大家做一下简单的介绍。5. 1麦克斯韦电桥法如图5所不是麦克斯韦电桥的基本线路图，其中lx为待测电感，cn为标准 屯容,rl、r2、r3、为

45、无感电阻箱，rx为电感的损耗电阻。与电桥法可知，当电 桥平衡时，则平衡条件为：变形可得r2(1)= rjc + ml尺10"厶 + &)=忌尺3(1 + j®csrj(2)根据平衡条件可知，(2)实部和虚部分别相等，故l、= rrcs(3)rx = r2r3/r(4)即rx为电感的电阻损耗。由式(4)可知当电感量一定时，若该电阻的损耗越小，相应的该电感器储 存在电路中的能量和损耗的能量之比就越大。所以&的值就直接影响电感器的质量。a)lx所以屯感器的品质因数q的特性我们通常表示为:(5)式中皿为电感器的感抗。x音频信号源图5. 1电感的测量电路耳塞r y c r 乙°乙o o音频信号源图5. 2测电盞电桥电路5. 2韦恩电桥法韦恩电桥如图6所示的电路基木线