365bet体育在线GT4518 交流电桥原理和设计实验仪的

  交流电桥是一种比较式仪器,在电测技术中占有重要地位.它主要用于测量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数的精密测量,也可用于非电量变换为相应电量参数的精密测量.

  常用的交流电桥分为阻抗比电桥和变压器电桥两大类.习惯上一般称阻抗比电桥为交流电桥.本实验中交流电桥指的是阻抗比电桥.交流电桥的线路虽然和直流单电桥线路具有同样的结构形式,但因为它的四个臂是阻抗,所以它的平衡条件、线路的组成以及实现平衡的调整

  图1是交流电桥的原理线路.它与直流单电桥原理相似.在交流电桥中,四个桥臂一般是由交流电路元件如电阻、电感、电容组成;电桥的电源通常是正弦交流电源;交流平衡指示仪的种类很多,适用

  于不同频率范围.频率为200Hz以下时可采用谐振式检流计;音频范围内可采用耳机作为平衡指示器;音频或更高的频率时也可采用电子指零仪器;也有用电子示波器或交流毫伏表作为平衡指示器的.本实验采用高灵敏度的电子放大式指零仪,有足够的灵敏度.指示器指零时,电桥达到平衡.

  我们在正弦稳态的条件下讨论交流电桥的基本原理.在交流电桥中,四个桥臂由阻抗元件组成,在电桥的一个对角线cd上接入交流指零仪,另一对角线ab上接入交流电源.

  当调节电桥参数,使交流指零仪中无电流通过时(即I0=0),cd两点的电位相等,电桥达到平衡,这时有 Uac=UadUcb=Udb

  上式就是交流电桥的平衡条件,它说明:当交流电桥达到平衡时,相对桥臂的阻抗的乘积相等.

  在正弦交流情况下,桥臂阻抗可以写成复数的形式 Z=R+jX=Zejφ若将电桥的平衡条件用复数的指数形式表示,则可得

  上面就是平衡条件的另一种表现形式,可见交流电桥的平衡必须满足两个条件:一是相对桥臂上阻抗幅模的乘积相等;二是相对桥臂上阻抗幅角之和相等.

  若用任意不同性质的四个阻抗组成一个电桥,不一定能够调节到平衡,因此必须把电桥各元件的性质按电桥的两个平衡条件作适当配合.

  在很多交流电桥中,为了使电桥结构简单和调节方便,通常将交流电桥中的两个桥臂设计为纯电阻.

  由式(2)的平衡条件可知,如果相邻两臂接入纯电阻,则另外相邻两臂也必须接入相同性质的阻抗.例如若被测对象Zx在第一桥臂中,两相邻臂Z2和Z3(图1)为纯电阻的线=φx,若被测对象Zx是电容,则它相邻桥臂Z4也必须是电容;若Zx是电感,则Z4也必须是电感.如果相对桥臂接入纯电阻,则另外相对两桥臂必须为异性阻抗.例如相对桥臂Z2和Z4

  =-φx;若被测对象Zx为电容,则它的相对桥臂Z3必须是电感,而如果Zx是电感,则Z3必须是电容.2、交流电桥平衡必须反复调节两个桥臂的参数在交流电桥中,为了满足上述两个条件,必须调节两个桥臂的参数,才能使电桥完全达到平衡,而且往往需要对这两个参数进行反复地调节,所以交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些.【交流电桥的设计】

  本实验采用独立的测量元件,既可设计一个理论上能平衡的桥路类型,又可设计一个理论上不能平衡的桥路类型,以验证交流电桥的工作原理.

  交流电桥的四个桥臂,要按一定的原则配以不同性质的阻抗,才有可能达到平衡.根据前面的分析,满足平衡条件的桥臂类型,可以有许多种.设计一个好的实用的交流电桥应注意以下几个方面:

  (1)桥臂尽量不采用标准电感.由于制造工艺上的原因,标准电容的准确度要高于标准电感,并且标准电容不易受外磁场的影响.所以常用的交流电桥,不论是测电感和测电容,除了被测臂之外,其它三个臂都采用电容和电阻.

  (2)尽量使平衡条件与电源频率无关,这样才能发挥电桥的优点,使被测量只决定于桥臂参数,而不受电源的电压或频率的影响.有些形式的桥路的平衡条件与频率有关,这样,电源的频率不同将直接影响测量的准确性.

  (3)电桥在平衡中需要反复调节,才能使幅角关系和幅模关系同时得到满足.通常将电桥趋于平衡的快慢程度称为交流电桥的收敛性.收敛性愈好,电桥趋向平衡愈快;收敛性差,则电桥不易平衡或者说平衡过程时间要很长,需要测量的时间也较长.电桥的收敛性取决于桥臂阻抗的性质以及调节参数的选择.所以收敛性差的电桥,由于平衡比较困难也不常用.

  当然,出于对理论验证的需要,我们也可以组建自己需要的各种形式的交流电桥.

  电容电桥主要用来测量电容器的电容量及损耗角,为了弄清电容电桥的工作情况,首先对被测电容的等效电路进行分析,然后介绍电容电桥的典型线、 被测电容的等效电路

  实际电容器并非理想元件,它存在着介质损耗,所以通过电容器C的电流和它两端的电压的相位差并不是90°,而且比90°要小一个δ角就称为介质损耗角.具有损耗的电容可以用两种形式的等效电路表示,一种是理想电容和一个电阻相串联的等效电路,如图2a所示;一种是理想电容与一个电阻相并联的等效电路,如图3a所示.在等效电路中,理想电容表示实际电容器的等效电容,而串联(或并联)等效电阻则表示实际电容器的发热损耗.

  图2b及图3b分别画出了相应电压、电流的相量图.必须注意,等效串联电路中的C和R与等效并联电路中的Cˊ、Rˊ是不相等的.在一般情况下,当电容器介质损耗不大时,应当有C≈Cˊ,R≤Rˊ.

  所以,如果用R或Rˊ来表示实际电容器的损耗时,还必须说明它对于哪一种等效电路而言.因此为了表示方便起见,通常用电容器的损耗角δ的正切tgδ来表示它的介质损耗特性,并用符号D表示,通常称它为损耗因数,在等效串联电路中

  应当指出,在图2b和图3b中,δ=90°-φ对两种等效电路都是适合的,所以不管用哪种等效电路,求出的损耗因数是一致的.

  ,桥的另外两臂为纯电阻Rb及Ra,当电桥调到平衡时,有(Rx+ )Ra=(Rn+ )Rb令上式实数部分和虚数部分分别相等

  ,便可以单独调节互不影响地使电容电桥达到平衡.通常标准电容都是做成固定的,因此C

  /Rb的比值时又影响到式(3)的平衡.因此要使电桥同时满足两个平衡条件,必须对Rn和Ra/Rb等参数反复调节才能实现,因此使用交流电桥时,必须通过实际操作取得经验,才能迅速获得电桥的平衡.电桥达到平衡后,Cx和Rx值可以分别按式(3)和式(4)计算,其被测电容的损耗因数D为D=tgδ=ωCxRx=ωCnRn(5)

  必须很大,这将会降低电桥的灵敏度.因此当被测电容的损耗大时,宜采用图5所示的另一种电容电桥的线路来进行测量,它的特点是标准电容C

  电感电桥是用来测量电感的,电感电桥有多种线路,通常采用标准电容作为与被测电感相比较的标准元件,从前面的分析可知,这时标准电容一定要安置在与被测电感相对的桥臂中.根据实际的需要,也可采用标准电感作为标准元件,这时`标准电感一定要安置在与被测电感相邻的桥臂中,这里不再作为重点介绍.

  由式(9)可知,海氏电桥的平衡条件与频率有关.因此在应用成品电桥时,若改用外接电源供电,必须注意要使电源的频率与该电桥说明书上规定的电源频率相符,而且电源波形必须是正弦波,否则,谐波频率就会影响测量的精度.

  的值越大,但一般标准电容的容量都不能做得太大,此外,若被测电感的Q值过小,则海氏电

  也必须很大,但当电桥中某个桥臂阻抗数值过大时,将会影响电桥的灵敏度,可见海氏电桥线路是宜于测Q值较大的电感参数的,而在测量Q<10的电感元件的参数时则需用另一种电桥线路,下面介绍这种适用于测量低Q值电感的电桥线路.

  麦克斯韦电桥的平衡条件式(11)表明,它的平衡是与频率无关的,即在电源为任何频率或非正弦的情况下,电桥都能平衡,且其实际可测量的Q值范围也较大,所以该电桥的应用范围较广.但是实际上,由于电桥内各元件间的相互影响,所以交流电桥的测量频率对测量精度仍有一定的影响.测量电阻时采用惠斯登电桥,见图8.可见桥路形式与直流单臂电桥相同,只是这里用交流电源和交流指零仪作为测量信号.

  由于采用交流电源和交流电阻作为桥臂,所以测量一些残余电抗较大的电阻时不易平衡,这时可改用直流电桥进行测量.

  实验前应充分掌握实验原理,设计好相应的电桥回路,错误的桥路可能会有较大的测量误差,甚至无法测量.

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