电磁测量第9章-交流电桥课件

交流电桥的一般问题第9章交流电桥常用的交流电桥线路测量频率的电桥交流电桥的防护有源电桥§9-1交流电桥的一般问题一、交流电桥的基本结构与平衡条件结构

拓扑与直流电桥相同，但

Z可以是阻抗；电源：为正弦波(工频或1000Hz/1591.545Hz)；

指零仪器：电子式指零仪器(1uV)；耳机(10uV)；平衡条件：bcZ1Z2Z4Z3USDad设：则由平衡条件，得出两个平衡方程式或特点：桥臂的容抗、感抗要受到幅角条件的限制；平衡条件有两个，因此要有两个可调参数；调节时，两参数要反复调节；电源和指零仪可互换；平衡条件与电源电压无关；平衡条件与频率有无关系，取决于桥臂的安排；R2R4实比虚比R2R3R2C4实积虚积R2C3结构分类实比电桥——相邻两桥臂之比为实数(R1:R2；C1:C2)虚比电桥——相邻两桥臂之比为虚数(R1:C2)实积电桥——相邻两桥臂之积为实数(R2R3；C2C3)虚积电桥——相邻两桥臂之积为虚数(R2C3R3C2)为了使平衡条件简单，通常某些桥臂为单一性质的元件。二、交流电桥的灵敏度定义bcZ1Z2Z4Z3USDad由设电桥平衡时有，Z2Z3=Z1Z4。讨论在平衡点的附近，Z2的变化引起测量对角线两端的电压Ucd发生变化，由此因此下面求灵敏度的最大值因此

SU加绝对值是因为指零仪表只能反映电压幅度的变化，不能反映相位。bcZ1Z2Z4Z3USDad交流电桥的电源和指零仪可互换。从合适的选择可提高电桥的灵敏度。三、交流电桥的收敛性平衡条件有两个，因此要有两个可调参数；调节时，两参数要反复调节；收敛过程：随着可调参数的不断调节，Ucd逐渐趋于零的过程。收敛过程的快慢决定了收敛性的优劣。收敛性与可调参数的选取有关。若Ucd0，只要考虑上式中的分子趋于零。CxR2R4C3RxR3在复平面上画出W、V线。W线与V线顶点的距离反映了测量对角线两端电压的大小。横坐标变化纵坐标不变调节R3时，V线模变化相角不变；调节R4时，W线调节顺序：调节R4(W0W1)调节R3(V0V1)

调节R4(W1W2)调节R3(V1V2)

…..

W线与V线相交。xV线W线W0V0W1V1W2V2收敛角：分别调节两个可调参数时得到的向量端点的两轨迹的夹角，称为收敛角。收敛角=90时，收敛性最好。上例中，选择R3、R4为可调参数时，收敛角为=xCxR2R4C3RxR3若选择可调参数为R3、C3，(如下图所示)x

C3变化R3变化这种情况下，收敛角为90

，称为理想收敛。若调节量是除被测臂以外的另一复数臂上阻抗的两个分量时，总能得到理想收敛。但这时灵敏度最低。灵敏度与收敛性的要求相矛盾。四、交流电桥的分别读数分别读数：两个被测参数，各自分别只与一个可调参数有关，与另一个可调参数无关，称为分别读数。交流电桥要实现分别读数，要求：电桥只能有两个是复数桥臂，另两个为纯阻，或为纯电抗；两复数桥臂相邻时，应同为串联或并联；相对时，一个为串联，另一个应为并联，反之亦然。如前例，由平衡条件导出CxR2R4C3RxR3若选择可调参数为R3、C3，则Rx只与R3有关；Cx只与C3有关。§9-2常用的交流电桥线路一、选择线路时的考虑1、明确被测量的性质、特点和要求(1)被测量的等效参数与实测量[例]

有损耗的电容即可等效为串联模型(Rs-Cs)，也可等效为并联模型(Rp//Cp)2、可能的技术设备条件3、选择线路或标准元件(2)被测量的数量范围(3)被测量的频率特性—是否与频率有关(4)被测量的工作条件—如高压条件，非线性条件主要考虑标准元件CN：1,0.5,0.2,0.1,0.01,0.001F(定值)10(0.1+0.01+…+0.0001)F(电容箱)LN：100,10,1,0.1mH(定值)；RN：10(10000+1…+0.01)(电阻箱)线路简单，平衡条件尽量与f无关；尽量选用电容作为标准的电抗元件；要保证可变电阻在合理的读数精度下使用；4、调节参数的选择挑选一对调节量，尽量满足分别读数；使收敛角尽量接近90；对角线的安排，应得到较高的灵敏度；尽量选用可变电阻来代替可变电容，避免可变电感；二、线路分析分析平衡条件；分析收敛性；分析分别读数；配置元件数值；分析有效的测量范围；分析灵敏度；与选择可调元件一起讨论最简单的四臂电桥有几十种，较常用的有十几种。下面举例说明。1.平衡条件1、串联C/C电桥CxR2R4C3RxR32.收敛性(1)设可调元件为R3、R4(2)设可调元件为R3、C3耗散角收敛角=90，理想收敛3.分别读数R3、C3为可调元件时，可实现分别读数。4.测量范围此桥不宜测量过小的电容，否则灵敏度过低。100pFXC=21000C=1.7M.此桥不宜测量过大的电容100FXC=21000C=1.7.从收敛角看，此桥宜测低损耗电容，但x不能太小。由于，x过小使R3不宜做到。2、并联C/C电桥1.平衡条件2.收敛性调R3、C3，为理想收敛，且可分别读

Rx、Cx调R3、R4，可分别读

Cx

、

tanx,=/2+xCxR2R4C3RxR33.适用范围适宜测量大损耗的电容(但收敛性不好)。(tanx过小，导致R3过大，而不宜实现。)此桥用于测量绝缘材料的电容和损耗；可调参数R2、R4，可直读Cx和tanx；

要求C3为高压电容。设计R1=2R2，R3=R4，C3=C4，则文氏(Wien)电桥R2R4C3RxCxC4~§9-3测量频率的电桥~R1R2R3R4C3C4f3、西林(Schering)电桥同步调节R3、R4

，可保证R3=R4

§9-4交流电桥的防护由于寄生因素引起的寄生电流和电压，这些寄生因素称为干扰。一、测量线路中的干扰及其影响寄生因素：寄生电势(如热电势，接触电势)—对直流量测电路起作用；内部线路之间的寄生联系(如绝缘漏电，电容性漏电)；外部电磁场产生。dal(1)弯线产生的电感和电容下面给出一些经验值dlCalMC(2)导线自身电阻和对地电容100mm0.1mm220m0.7pF100mm0.5mm8.9m0.8pFl

dRC100mm0.5mm0.05pF0.015H100mm0.1mm0.75pF0.04Hl

aCM(3)平衡导线间的电容和互感交流电桥中寄生电容的作用往往比电导大，因此一般都研究寄生电容的影响。总之，对于桥路，各种干扰因素可能导致虚假平衡，甚至不能平衡。不加防护的交流电桥，其测量准确度很难达到10-3。二、干扰的防护原则与主要措施防护原则消除根源，或防止影响固定寄生联系；削弱其影响，或不使其起作用主要措施：(1)选择抗干扰元件，选择连线，清净接头，细心布线，加强绝缘；(2)屏蔽防护—绝缘漏电屏蔽；静电屏蔽；磁屏蔽(铁磁屏蔽；涡流屏蔽)；(3)选择正确的屏蔽连接点——给屏蔽端合适的电位；(等电位屏蔽，接地屏蔽)(6)采用特殊的辅助电路和操作方法；ZZZCaCbC0(a)元件的杂散电场不确定(b)元件加屏蔽后的电场(c)元件加屏蔽后等效电路屏蔽接地；华纳接地；§9-5有源交流电桥应用与经典交流电桥的电子技术主要是运算放大器器件。运算放大器用于电桥线路主要有两个作用隔离—消除了杂散电容的影响；简化了辅助电路；改善了收敛性能；解决了电源和指零仪的公共接地端。

参数变换R(1-)RC[例]

右图所示电路一、概述因此，可给出右图所示的等效电路。IUC/电桥的两种平衡方式1.电压平衡方式平衡时，。这种平衡方式，由于指零仪两端不能接地，屏蔽措施要求高。+-+-指零仪电压平衡2.电流平衡方式平衡时，。这种平衡方式，所有等效电流源及指零仪有公共接地点，因此对屏蔽措施要求不高。指零仪电流平衡电流平衡方式要求指零仪的内阻越小越好。。二、有源电桥(类电桥)基本线路的导出右图所示为一经典电桥，它属于电压平衡方式。显然，指零仪与电源无公共连接点。uSaZ1~Z2Z3Z4Db设指零仪内阻无穷大，则对经典电桥引入运放，形成右图的桥路。尽管它仍是电压平衡式，其电源与指零仪有了公共连接点。uo经典交流电桥Z1D~Z2Z3Z4u+u-uS电压平衡式有源电桥电桥平衡时，U0=0，得到对于运放，，即U+=U-，得到设指零仪内阻为零，右图为电压式有源电桥的改进电路。桥路特点：

电源与指零仪有公共接地点；桥路平衡时，u+、u-都为地电位。uoZ1D~Z2Z3Z4I3uS电流平衡式有源电桥I4电桥平衡时，I=0，得到上述的两个有源电桥也称类桥，或伪桥(pseudo-bridge)。它们与经典电桥具有相同的平衡条件。但类桥的防护能力大为提高。Z1D~Z2Z3Z4u+u-uSZ10Z11Z21Z22Z31Z32Z41Z42uoZ1D~Z3Z4uSZ10Z21Z22Z31Z32Z41Z42Z2电压平衡式类电桥电流平衡式类桥三、类电桥的防护能力分析电压平衡式类电桥Z10、Z31、与电源并联；Z42直接接地；Z22与D并联——以上的杂散影响被消除。但Z11、Z21、Z21、Z21的杂散影响不能被消除。电流平衡式类电桥各种杂散影响或与电源/指零仪并联；或接地(虚地)。四、类电桥作为不平衡电桥的应用测量范围扩大；改善了电桥的平衡过程(收敛性)；改善了电桥的防护性能。类电桥右图的