电磁测量第十三章-课件

第十三章第十三章 交流电桥交流电桥n交流电桥主要用于交流电桥主要用于交流等效电阻交流等效电阻及其时间常数、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。感等电参量的精密测量。n交流电桥交流电桥:阻抗比阻抗比电桥和电桥和变压器变压器电桥，一般将阻电桥，一般将阻抗比电桥称为交流电桥。抗比电桥称为交流电桥。n 交流电桥交流电桥(阻抗比阻抗比电桥电桥)的准确度为的准确度为10-3左右。变左右。变压器电桥是以感应分压器作为比率臂，感应分压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器的准确度可达3 10-9，变压器电桥准确度可达，变压器电桥准确度可达10-8数量级。数量级。交流电桥的基本原理交流电桥的基本原理 一、交流电桥的一、交流电桥的平衡条件平衡条件 二、交流电桥的二、交流电桥的特点特点 三、交流指零仪和电源三、交流指零仪和电源 交流电桥的基本原理交流电桥的基本原理 一、交流电桥的一、交流电桥的平衡条件平衡条件 当当调节电桥桥臂参数，使交流指零臂参数，使交流指零仪器器D中无中无电流流时即即ID=0，这时，这时b、d两点的两点的电位相等，电桥达到平衡电位相等，电桥达到平衡 交流电桥的基本原理交流电桥的基本原理 一、交流电桥的一、交流电桥的平衡条件平衡条件 交流电桥的平衡必须满足交流电桥的平衡必须满足两个条件两个条件：相对臂的：相对臂的阻抗的阻抗的模的乘积模的乘积相等；相对臂的相等；相对臂的阻抗角之和阻抗角之和相相等。等。=1交流电桥必须按照一定方式交流电桥必须按照一定方式配置桥臂配置桥臂的阻抗。的阻抗。通常将交流电桥中的通常将交流电桥中的两个两个桥臂设计为桥臂设计为纯电阻纯电阻。（1）如果电桥的）如果电桥的相邻相邻两臂接入两臂接入纯电阻纯电阻，则另外相邻两臂必须，则另外相邻两臂必须接入接入相同性质的阻抗相同性质的阻抗。（2）如果电桥的）如果电桥的相对桥臂相对桥臂接入接入纯电阻纯电阻，则另外相对两桥臂必须，则另外相对两桥臂必须接入接入异性阻抗异性阻抗。2交流电桥的平衡必须反复调节交流电桥的平衡必须反复调节至少两个至少两个桥臂参数。桥臂参数。3分别分别读数。读数。二、交流电桥的二、交流电桥的特点特点 2.交流电桥的平衡必须反复调节交流电桥的平衡必须反复调节至少两个至少两个桥臂参数桥臂参数 3分别读数分别读数 1交流指零仪交流指零仪 (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，测量的准确度也愈高；度也愈高；(2)零位干扰小零位干扰小(即零位稳定性高即零位稳定性高)：当电源电压、频率等因素：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，并能可能小，并能抑制抑制50Hz电源干扰；电源干扰；(3)应具有一定的频率范围，对频率有选择性；应具有一定的频率范围，对频率有选择性；(4)输入阻抗要高。输入阻抗要高。2交流电桥的电源交流电桥的电源 (1)电源的电压电源的电压稳定稳定；(2)波形为波形为正弦波正弦波；(3)频率频率稳定稳定，具有一定的频率范围；，具有一定的频率范围；(4)具有一定的功率，一般为具有一定的功率，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。输出阻抗可以调节，以适应不同的负载要求。三、交流指零仪和电源三、交流指零仪和电源常用的交流阻抗比电桥常用的交流阻抗比电桥n交流电桥中的标准量具：交流电桥中的标准量具：标准电容标准电容，标准电感标准电感。n工艺上的原因，标准电容可能达到的准确度常常高于标准工艺上的原因，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。在交流电桥中，大都是用影响也比较小。在交流电桥中，大都是用标准电容标准电容作为标作为标准量具。准量具。n一、电容电桥一、电容电桥n 1.高压电容电桥高压电容电桥n 2.串联电容电桥串联电容电桥n 3.并联电容电桥并联电容电桥n二、电感电桥二、电感电桥n 1.测量高测量高Q值电感的电感电桥值电感的电感电桥n 2.测量低测量低Q值电感的电感电桥值电感的电感电桥n 3.测量互感的电桥测量互感的电桥n三、测量频率的电桥三、测量频率的电桥n四、万用电桥四、万用电桥n1高压电容电桥高压电容电桥n 工作电压很高工作电压很高(104以上以上)，为保，为保证人身和设备的安全，指零仪器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和可调节臂上各点对地的电位不能太高。能太高。n n 2.串联电容电桥串联电容电桥n 被测量用被测量用串联串联等效电路表示，比较臂也采用等效电路表示，比较臂也采用串联串联形式。形式。n 适于测量适于测量损耗较小损耗较小的电容。的电容。n 3.并联电容电桥并联电容电桥n 被测量用被测量用并联并联等效电路表示，比较臂也采用等效电路表示，比较臂也采用并联并联形式。形式。n 适于测量适于测量损耗较大损耗较大的电容。的电容。二、电感电桥二、电感电桥n电感电桥可测电感线圈的电感电桥可测电感线圈的自感系数自感系数和和品质因数品质因数。n标准电容标准电容一定要安置在与一定要安置在与被测电感被测电感相对相对的桥臂中。的桥臂中。n 1测量高测量高Q值电感的电感电桥值电感的电感电桥n 2测量低测量低Q值电感的电感电桥值电感的电感电桥n 3测量互感的电桥测量互感的电桥1测量测量高高Q值值电感的电感电桥电感的电感电桥2测量测量低低Q值值电感的电感电桥电感的电感电桥 海氏海氏电桥电桥Q10 马克士威马克士威电桥电桥Q0.5Q=3测量测量互感互感的电桥的电桥海维赛德海维赛德电桥及其等效电路电桥及其等效电路 去耦等效变换去耦等效变换 三、测量三、测量频率频率的电桥的电桥温氏电桥温氏电桥 四、万用电桥四、万用电桥(QS18A)n 1.结构结构n QS18A型万用电桥是上海沪光仪器厂生产的。电桥的核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。的切换，可以构成不同用途和量限的测量电桥。n 2.测量范围测量范围n 1)电阻：电阻：10m11M n 2)电感：电感：0.5 H 110Hn 3)电容：电容：0.5pF 1100 Fn 4)电感品质因数电感品质因数Q值：值：0 10n 5)电容损耗因数电容损耗因数D(tg)值：值：0 0.1，0 10n 3测量原理测量原理n QSl8A型万能电桥原理很简单：型万能电桥原理很简单：n 测量电阻时，通过转挽开关接成测量电阻时，通过转挽开关接成惠斯通惠斯通电桥；电桥；n 测量电容和损耗因数时，接成测量电容和损耗因数时，接成串联电容串联电容电桥；电桥；n 测量电感和品质因数时，接成测量电感和品质因数时，接成马克士威马克士威电桥。电桥。n QSl8A型万能电桥的具体线路及其主要技术指标参见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。电磁测量实验实验三。变压器变压器电桥电桥(感应感应比率臂比率臂电桥电桥)n感应分压器的定义感应分压器的定义:n 按按1978年年IEC-618(国际电工委员会国际电工委员会)规定，感应分压器简规定，感应分压器简称称IVD，是一个或多个相互连接的变压器组成的装置，用，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。定比例值。n感应分压器的分类感应分压器的分类:n1.按工作频段按工作频段n 工频工频感应分压器感应分压器(50Hz或或60Hz);n 音频音频感应分压器感应分压器(lkHz和和10kHz附近附近);n 超音频感应分压器超音频感应分压器(20kHz至至100kHz)；n 高频感应分压器高频感应分压器(1MHz左右左右)。n 2.按工作电压按工作电压n 低压低压(低于低于220V)n 中压中压(低于低于600V)n 高压高压(高于高于1000V)变压器变压器电桥电桥(感应感应比率臂比率臂电桥电桥)n一、变压器电桥的特点一、变压器电桥的特点n二、变压器电桥的基本原理二、变压器电桥的基本原理n三、变压器电桥的基本线路三、变压器电桥的基本线路n四、等效三端网络四、等效三端网络一、变压器电桥的特点一、变压器电桥的特点n 1.变压器电桥的变压器电桥的变比变比基本上是个实数，基本上是个实数，精度精度很很高高。在变比。在变比为为1:1时，精度不低于时，精度不低于10-6，并且对温度和时间的稳定性好。，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。和精密测量。n 2.变压器电桥的变压器电桥的灵敏度灵敏度比一般电桥比一般电桥高高，而且实际上在很宽，而且实际上在很宽的测量范围内，也能得到恒定的灵敏度。的测量范围内，也能得到恒定的灵敏度。n 3.变压器电桥的变比与一标准量具相结合能等效为一个变压器电桥的变比与一标准量具相结合能等效为一个可可调导纳调导纳，可以扩大电桥的测量量限，还能减少标准量具的数，可以扩大电桥的测量量限，还能减少标准量具的数目。目。n 4.变压器电桥的变压器电桥的工作频率工作频率很很宽宽，可从几十，可从几十Hz到到100MHz。n 5.变压器电桥调节速度较变压器电桥调节速度较快快，便于实现自动化和数字化，便于实现自动化和数字化，这是因为它不需辅助平衡线路。这是因为它不需辅助平衡线路。n 6变压器电桥可进行变压器电桥可进行三端三端及及四端阻抗四端阻抗的测量。的测量。n优点：优点：n1电桥的比率与作为比率臂的绕组的匝数成正比；电桥的比率与作为比率臂的绕组的匝数成正比；n2电桥比率臂的输入阻抗高而输出阻抗小；电桥比率臂的输入阻抗高而输出阻抗小；n3分布参量影响小；分布参量影响小；n4.对温度的影响不敏感；对温度的影响不敏感；n5稳定性高；稳定性高；n6电桥的灵敏度高。电桥的灵敏度高。n缺点缺点:n 对湿度敏感和不能在直流下使用。对湿度敏感和不能在直流下使用。n实际上它是用实际上它是用感应比率臂感应比率臂代替古典电桥的阻抗比率臂而组代替古典电桥的阻抗比率臂而组成一个四臂电桥。成一个四臂电桥。二、变压器电桥的基本原理二、变压器电桥的基本原理变压器电桥的变压器电桥的比例臂比例臂是由变压器的绕组组成的是由变压器的绕组组成的(感应分压器感应分压器)三、变压器电桥的基本线路三、变压器电桥的基本线路(a)串联串联电容电桥电容电桥 (b)并联并联电容电桥电容电桥 (c)电感电感电桥电桥 四、等效三端网络四、等效三端网络n1.等效等效大大电阻三端网络电阻三端网络(利用利用小小电阻获得大电阻电阻获得大电阻)n2.等效等效电感电感三端网络三端网络(利用利用电容电容得到电感得到电感)n3.利用利用等效三端网络等效三端网络的变压器电桥的变压器电桥1.等效大电阻三端网络等效大电阻三端网络(利用利用小电阻小电阻RO获得获得大电阻大电阻RAB)RAO与与RBO不影响电桥的工作不影响电桥的工作2.等效等效电感电感三端网络三端网络(利用电容得到电感利用电容得到电感)3利用等效三端网络的变压器电桥利用等效三端网络的变压器电桥 1.被测被测小电容小电容的两极板间是被测的直接电容的两极板间是被测的直接电容C12，其两板对地，其两板对地分别具有对地电容分别具有对地电容C10和和C20，小电容应看作具有，小电容应看作具有“1”、“2”和和“地地”这样三个端点的三端电容。对地电容可能大于被测电容这样三个端点的三端电容。对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。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。对测量的影响。交流电桥的干扰防护及使用交流电桥的干扰防护及使用n一、主要干扰因素一、主要干扰因素n二、干扰的检查二、干扰的检查n三、干扰的排除三、干扰的排除n四、使用注意事项四、使用注意事项n 交流电桥的干扰防护及使用交流电桥的干扰防护及使用n 交流电桥测量时不可避免地受到各种干扰，例如电磁场、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。漏电、耦合等影响。n 一、主要干扰因素一、主要干扰因素n 1.外界电磁场的影响。外界电磁场的影响。n 交变交变电磁场电磁场的来源主要有：仪器内部的强电流回路；仪的来源主要有：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。器外部大电流回路；以及各种电气设备产生的交变场等。n 2.耦合耦合的影响，按其性质又可分为下列两种：的影响，按其性质又可分为下列两种：n (1)内部耦合内部耦合 这是指电桥内部线路与元件间的电容耦合这是指电桥内部线路与元件间的电容耦合和电感耦合和电感耦合(即各部分之间的即各部分之间的 电场或磁场的相互影响电场或磁场的相互影响)。n (2)外部耦合外部耦合 线路元件对周围物体线路元件对周围物体(包括实验者本身包括实验者本身)的的电容耦合，与外部带电线路之电容耦合，与外部带电线路之 间的电感耦合。间的电感耦合。n 通常通常电容耦合电容耦合要特别注意。例如，线路各部分之间以及要特别注意。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。容。流过寄生电容中的位移电流称为电容性漏电流。频率频率越高电容性漏电流越大越高电容性漏电流越大。交流电桥的干扰防护及使用交流电桥的干扰防护及使用n二、干扰的二、干扰的检查检查n 交流电桥在达到初次平衡之后，判断电桥的干扰是否存在。交流电桥在达到初次平衡之后，判断电桥的干扰是否存在。n 1.用用手接近或离开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电桥的面板和被测对象，观察指零仪指针是否偏转。转。n 2.改变改变被测对象的位置、方向被测对象的位置、方向，或将连至被测对象的导线末端相互，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。换接，观察指零仪指针是否有变化。n 3.断开指零仪断开指零仪支路，这时如果指零仪指针不指在零位，说明指零仪支路，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。本身受到外磁场影响，电桥并未达到真正平衡。n三、干扰的三、干扰的排除排除n 1.采用采用替代法替代法 n 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。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。n 2.零位平衡法零位平衡法n 先在电桥的测量端接上一个已知数值的小电阻先在电桥的测量端接上一个已知数值的小电阻(电感或电容电感或电容)，把电，把电桥调到平衡，这时电桥的读数减去所接电阻桥调到平衡，这时电桥的读数减去所接电阻(电感或电容电感或电容)的差值，就的差值，就是各种干扰所引起的误差。是各种干扰所引起的误差。交流电桥的干扰防护及使用交流电桥的干扰防护及使用n四、使用注意事项四、使用注意事项n 1.1.选择电源时，应严格遵守电桥说明书中对于电源电压的选择电源时，应严格遵守电桥说明书中对于电源电压的数值、频数值、频率和波形率和波形的要求。的要求。n 2.2.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。对电桥平衡的影响。n 3.3.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。到适当的点上。n 4.4.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调在灵敏度最低灵敏度最低的位置。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。调节电桥平衡，直到灵敏度最大时调节电桥达到平衡为止。n 5.5.每次改变电桥接线或改换被测元件前，都要每次改变电桥接线或改换被测元件前，都要断开电桥断开电桥的的电源电源。n 交流电桥的交流电桥的灵敏度灵敏度和和收敛性收敛性n 一、交流电桥的一、交流电桥的灵敏度敏度n平衡指示器采用电子指零仪器时，由于输入阻抗大，流过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。指示器的电流很小，考虑它的电压灵敏度。n 某桥臂阻抗某桥臂阻抗的的相对变化相对变化；n 由由 Z在测量在测量对角线引起的对角线引起的电压相量变化电压相量变化。n 电桥平衡，电桥平衡，Z1Z3=Z2Z4 第四桥臂阻抗第四桥臂阻抗Z4增加增加 Z4，电桥不平衡电桥不平衡 Z4 Z4 电桥平衡时，电桥平衡时，。A（复数）表示电桥平衡时，测量对角线两边阻抗复数）表示电桥平衡时，测量对角线两边阻抗之比。之比。电桥电压灵敏度的模电桥电压灵敏度的模 当当a=1时，时，SU极大极大 当当a=1时，时，SU极大极大 结论：结论：1.交流电桥的电压灵敏度与电源电压成交流电桥的电压灵敏度与电源电压成正比正比。2.为了得到较大灵敏度要尽理使为了得到较大灵敏度要尽理使测量对角线测量对角线两边的桥臂阻抗的两边的桥臂阻抗的模相等模相等，即，即 3.测量对角线两边的阻抗的测量对角线两边的阻抗的幅角之差幅角之差越接近越接近90，灵敏度越高。，灵敏度越高。SU可以更大，但在实际的交流电桥中，至少有可以更大，但在实际的交流电桥中，至少有一个桥臂是电阻，所以一个桥臂是电阻，所以 不可能大于不可能大于90。二、交流电桥的二、交流电桥的收敛性收敛性n 交交流流电电桥桥至至少少要要调调节节两两个个变变量量来来达达到到平平衡衡。有有的的电电桥桥比比较较容容易易调调到到平平衡衡，有有的的电电桥桥则则需需要要反反复复调调节节多多次次才才能能达达到到平平衡衡；而而且且对对于于同同一一电电桥桥线线路路，如如果果选选用用不不同同参参数数作作为为调调节节变变量量，电电桥桥能能被被调调到到平衡的难易程度可能很不相同。平衡的难易程度可能很不相同。n 电电桥桥平平衡衡过过程程的的快快慢慢关关系系到到电电桥桥使使用用起起来来是是否否方方便便。交交流流电电桥桥的的收收敛敛性性表表示示电电桥桥达达到到平平衡衡所所需需反反复复调调节节的的过过程程。收收敛敛性性好好，电电桥桥调调到到平平衡衡快快；收敛性差，电桥需多次反复调节，不易平衡。收敛性差，电桥需多次反复调节，不易平衡。n1.调调节节R3和和R4使使电电桥桥达达到到平平衡衡的的过过程程，将将两两个个复复数数随随R3和和R4而变化的轨迹画到复平面上。而变化的轨迹画到复平面上。2.调节调节C4和和R4使电桥达到平衡使电桥达到平衡W线和线和V线的夹角线的夹角接近接近90，电桥的电桥的收敛性好收敛性好，容易调到平衡；，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。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。谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生