電磁測量第十三章課件

第十三章交流電橋交流電橋主要用于交流等效電阻及其時間常數(shù)、電容及其介質(zhì)損耗、自感及其線圈品質(zhì)因數(shù)和互感等電參量的精密測量。交流電橋:阻抗比電橋和變壓器電橋，一般將阻抗比電橋稱為交流電橋。交流電橋(阻抗比電橋)的準(zhǔn)確度為10-3左右。變壓器電橋是以感應(yīng)分壓器作為比率臂，感應(yīng)分壓器的準(zhǔn)確度可達(dá)310-9，變壓器電橋準(zhǔn)確度可達(dá)10-8數(shù)量級。

交流電橋的基本原理

一、交流電橋的平衡條件二、交流電橋的特點三、交流指零儀和電源

交流電橋的基本原理

一、交流電橋的平衡條件

當(dāng)調(diào)節(jié)電橋橋臂參數(shù)，使交流指零儀器D中無電流時即ID=0，這時b、d兩點的電位相等，電橋達(dá)到平衡1．交流電橋必須按照一定方式配置橋臂的阻抗。通常將交流電橋中的兩個橋臂設(shè)計為純電阻。（1）如果電橋的相鄰兩臂接入純電阻，則另外相鄰兩臂必須接入相同性質(zhì)的阻抗。（2）如果電橋的相對橋臂接入純電阻，則另外相對兩橋臂必須接入異性阻抗。2．交流電橋的平衡必須反復(fù)調(diào)節(jié)至少兩個橋臂參數(shù)。3．分別讀數(shù)。

二、交流電橋的特點

2.交流電橋的平衡必須反復(fù)調(diào)節(jié)至少兩個橋臂參數(shù)

3．分別讀數(shù)常用的交流阻抗比電橋交流電橋中的標(biāo)準(zhǔn)量具：標(biāo)準(zhǔn)電容，標(biāo)準(zhǔn)電感。工藝上的原因，標(biāo)準(zhǔn)電容可能達(dá)到的準(zhǔn)確度常常高于標(biāo)準(zhǔn)電感，并且標(biāo)準(zhǔn)電容不受外界磁場的影響，受溫度變化的影響也比較小。在交流電橋中，大都是用標(biāo)準(zhǔn)電容作為標(biāo)準(zhǔn)量具。一、電容電橋1.高壓電容電橋2.串聯(lián)電容電橋3.并聯(lián)電容電橋二、電感電橋1.測量高Q值電感的電感電橋2.測量低Q值電感的電感電橋3.測量互感的電橋三、測量頻率的電橋四、萬用電橋1．高壓電容電橋

工作電壓很高(104以上)，為保證人身和設(shè)備的安全，指零儀器和可調(diào)節(jié)臂上各點對地的電位不能太高。

2.串聯(lián)電容電橋

被測量用串聯(lián)等效電路表示，比較臂也采用串聯(lián)形式。適于測量損耗較小的電容。3.并聯(lián)電容電橋

被測量用并聯(lián)等效電路表示，比較臂也采用并聯(lián)形式。適于測量損耗較大的電容。1．測量高Q值電感的電感電橋2．測量低Q值電感的電感電橋

海氏電橋Q>10馬克士威電橋Q<0.5Q=3．測量互感的電橋海維賽德電橋及其等效電路去耦等效變換

三、測量頻率的電橋溫氏電橋變壓器電橋(感應(yīng)比率臂電橋)感應(yīng)分壓器的定義:

按1978年IEC-618(國際電工委員會)規(guī)定，感應(yīng)分壓器簡稱IVD，是一個或多個相互連接的變壓器組成的裝置，用開關(guān)或其它方法使裝置的輸出電壓等于輸入電壓的某個選定比例值。感應(yīng)分壓器的分類:1.按工作頻段

工頻感應(yīng)分壓器(50Hz或60Hz);

音頻感應(yīng)分壓器(lkHz和10kHz附近);超音頻感應(yīng)分壓器(20kHz至100kHz)；高頻感應(yīng)分壓器(1MHz左右)。2.按工作電壓低壓(低于220V)

中壓(低于600V)高壓(高于1000V)

變壓器電橋(感應(yīng)比率臂電橋)一、變壓器電橋的特點二、變壓器電橋的基本原理三、變壓器電橋的基本線路四、等效三端網(wǎng)絡(luò)一、變壓器電橋的特點

1.變壓器電橋的變比基本上是個實數(shù)，精度很高。在變比為1:1時，精度不低于10-6，并且對溫度和時間的穩(wěn)定性好。這是因為變壓器的變比決定于變壓器的匝數(shù)比，而匝數(shù)比可以做得很精確，這是一般電橋無法達(dá)到的，所以適用于基準(zhǔn)和精密測量。2.變壓器電橋的靈敏度比一般電橋高，而且實際上在很寬的測量范圍內(nèi)，也能得到恒定的靈敏度。3.變壓器電橋的變比與一標(biāo)準(zhǔn)量具相結(jié)合能等效為一個可調(diào)導(dǎo)納，可以擴大電橋的測量量限，還能減少標(biāo)準(zhǔn)量具的數(shù)目。4.變壓器電橋的工作頻率很寬，可從幾十Hz到100MHz。5.變壓器電橋調(diào)節(jié)速度較快，便于實現(xiàn)自動化和數(shù)字化，這是因為它不需輔助平衡線路。6．變壓器電橋可進(jìn)行三端及四端阻抗的測量。二、變壓器電橋的基本原理變壓器電橋的比例臂是由變壓器的繞組組成的(感應(yīng)分壓器)三、變壓器電橋的基本線路(a)串聯(lián)電容電橋(b)并聯(lián)電容電橋(c)電感電橋

四、等效三端網(wǎng)絡(luò)1.等效大電阻三端網(wǎng)絡(luò)(利用小電阻獲得大電阻)2.等效電感三端網(wǎng)絡(luò)(利用電容得到電感)3.利用等效三端網(wǎng)絡(luò)的變壓器電橋2.等效電感三端網(wǎng)絡(luò)(利用電容得到電感)

3．利用等效三端網(wǎng)絡(luò)的變壓器電橋

1.被測小電容的兩極板間是被測的直接電容C12，其兩板對地分別具有對地電容C10和C20，小電容應(yīng)看作具有“1”、“2”和“地”這樣三個端點的三端電容。對地電容可能大于被測電容本身。為了精確地測量，必須消除對地電容對測量的影響。

2.用普通的阻抗比交流電橋進(jìn)行測量，無法消除對地電容對測量的影響。采用變壓器電橋測量三端電容便可消除對地電容對測量的影響。交流電橋的干擾防護(hù)及使用

交流電橋測量時不可避免地受到各種干擾，例如電磁場、漏電、耦合等影響。一、主要干擾因素1.外界電磁場的影響。交變電磁場的來源主要有：儀器內(nèi)部的強電流回路；儀器外部大電流回路；以及各種電氣設(shè)備產(chǎn)生的交變場等。2.耦合的影響，按其性質(zhì)又可分為下列兩種：(1)內(nèi)部耦合這是指電橋內(nèi)部線路與元件間的電容耦合和電感耦合(即各部分之間的電場或磁場的相互影響)。(2)外部耦合線路元件對周圍物體(包括實驗者本身)的電容耦合，與外部帶電線路之間的電感耦合。通常電容耦合要特別注意。例如，線路各部分之間以及機殼或大地之間都有分布電容，這些分布電容稱為寄生電容。流過寄生電容中的位移電流稱為電容性漏電流。頻率越高電容性漏電流越大。交流電橋的干擾防護(hù)及使用二、干擾的檢查交流電橋在達(dá)到初次平衡之后，判斷電橋的干擾是否存在。1.用手接近或離開電橋的面板和被測對象，觀察指零儀指針是否偏轉(zhuǎn)。2.改變被測對象的位置、方向，或?qū)⑦B至被測對象的導(dǎo)線末端相互換接，觀察指零儀指針是否有變化。3.斷開指零儀支路，這時如果指零儀指針不指在零位，說明指零儀本身受到外磁場影響，電橋并未達(dá)到真正平衡。三、干擾的排除1.采用替代法

不管干擾，先對被測元件進(jìn)行測量。電橋平衡后，保持原來試驗條件完全不變，用標(biāo)準(zhǔn)元件代替被測元件。電橋的各旋鈕不動，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)元件的數(shù)值，使電橋重新達(dá)到平衡，這時被測元件的數(shù)值就等于標(biāo)準(zhǔn)元件所調(diào)到的數(shù)值。采用這種方法時，要求有連續(xù)可變的標(biāo)準(zhǔn)元件。2.零位平衡法先在電橋的測量端接上一個已知數(shù)值的小電阻(電感或電容)，把電橋調(diào)到平衡，這時電橋的讀數(shù)減去所接電阻(電感或電容)的差值，就是各種干擾所引起的誤差。交流電橋的干擾防護(hù)及使用四、使用注意事項1.選擇電源時，應(yīng)嚴(yán)格遵守電橋說明書中對于電源電壓的數(shù)值、頻率和波形的要求。2.進(jìn)行測量時，各儀器設(shè)備應(yīng)合理放置，以便盡可能消除各種干擾對電橋平衡的影響。3.當(dāng)電橋電路有屏蔽時，必須按照電橋說明書的要求，把它們連接到適當(dāng)?shù)狞c上。4.當(dāng)使用帶有放大器的平衡指示器或耳機時，應(yīng)當(dāng)把靈敏度調(diào)節(jié)器調(diào)在靈敏度最低的位置。在調(diào)節(jié)電橋接近平衡后，再逐漸提高靈敏度調(diào)節(jié)電橋平衡，直到靈敏度最大時調(diào)節(jié)電橋達(dá)到平衡為止。5.每次改變電橋接線或改換被測元件前，都要斷開電橋的電源。

交流電橋的靈敏度和收斂性

一、交流電橋的靈敏度平衡指示器采用電子指零儀器時，由于輸入阻抗大，流過指示器的電流很小，考慮它的電壓靈敏度。

——某橋臂阻抗的相對變化；——由Z在測量對角線引起的電壓相量變化。

電橋平衡，Z1Z3=Z2Z4

第四橋臂阻抗Z4增加Z4，電橋不平衡Z4

<<Z4

電橋平衡時，。A（復(fù)數(shù)）表示電橋平衡時，測量對角線兩邊阻抗之比。電橋電壓靈敏度的模

當(dāng)a=1時，SU極大

當(dāng)a=1時，SU極大

結(jié)論：1.交流電橋的電壓靈敏度與電源電壓成正比。2.為了得到較大靈敏度要盡理使測量對角線兩邊的橋臂阻抗的模相等，即

3.測量對角線兩邊的阻抗的幅角之差越接近90，靈敏度越高。SU可以更大，但在實際的交流電橋中，至少有一個橋臂是電阻，所以不可能大于90。二、交流電橋的收斂性

交流電橋至少要調(diào)節(jié)兩個變量來達(dá)到平衡。有的電橋比較容易調(diào)到平衡，有的電橋則需要反復(fù)調(diào)節(jié)多次才能達(dá)到平衡；而且對于同一電橋線路，如果選用不同參數(shù)作為調(diào)節(jié)變量，電橋能被調(diào)到平衡的難易程度可能很不相同。電橋平衡過程的快慢關(guān)系到電橋