電磁測(cè)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(shí)間常數(shù)、電容及其介質(zhì)損耗、自感及其線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)和互感等電參量的精密測(cè)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(chēng)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(jí)。

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(diǎn)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(wú)電流時(shí)即ID=0，這時(shí)b、d兩點(diǎn)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(gè)橋臂設(shè)計(jì)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(duì)橋臂接入純電阻，則另外相對(duì)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(gè)橋臂參數(shù)。3．分別讀數(shù)。

二、交流電橋的特點(diǎn)

2.交流電橋的平衡必須反復(fù)調(diào)節(jié)至少兩個(gè)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(chǎng)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(cè)量高Q值電感的電感電橋2.測(cè)量低Q值電感的電感電橋3.測(cè)量互感的電橋三、測(cè)量頻率的電橋四、萬(wàn)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(diǎn)對(duì)地的電位不能太高。

2.串聯(lián)電容電橋

被測(cè)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(cè)量損耗較小的電容。3.并聯(lián)電容電橋

被測(cè)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(cè)量損耗較大的電容。1．測(cè)量高Q值電感的電感電橋2．測(cè)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(cè)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(cè)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(guó)際電工委員會(huì))規(guī)定，感應(yīng)分壓器簡(jiǎn)稱(chēng)IVD，是一個(gè)或多個(gè)相互連接的變壓器組成的裝置，用開(kāi)關(guān)或其它方法使裝置的輸出電壓等于輸入電壓的某個(gè)選定比例值。感應(yīng)分壓器的分類(lèi):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(diǎn)二、變壓器電橋的基本原理三、變壓器電橋的基本線(xiàn)路四、等效三端網(wǎng)絡(luò)一、變壓器電橋的特點(diǎn)

1.變壓器電橋的變比基本上是個(gè)實(shí)數(shù)，精度很高。在變比為1:1時(shí)，精度不低于10-6，并且對(duì)溫度和時(shí)間的穩(wěn)定性好。這是因?yàn)樽儔浩鞯淖儽葲Q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(wú)法達(dá)到的，所以適用于基準(zhǔn)和精密測(cè)量。2.變壓器電橋的靈敏度比一般電橋高，而且實(shí)際上在很寬的測(cè)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(gè)可調(diào)導(dǎo)納，可以擴(kuò)大電橋的測(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化，這是因?yàn)樗恍栎o助平衡線(xiàn)路。6．變壓器電橋可進(jìn)行三端及四端阻抗的測(cè)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(xiàn)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(cè)小電容的兩極板間是被測(cè)的直接電容C12，其兩板對(duì)地分別具有對(duì)地電容C10和C20，小電容應(yīng)看作具有“1”、“2”和“地”這樣三個(gè)端點(diǎn)的三端電容。對(duì)地電容可能大于被測(cè)電容本身。為了精確地測(cè)量，必須消除對(duì)地電容對(duì)測(cè)量的影響。

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

交流電橋測(cè)量時(shí)不可避免地受到各種干擾，例如電磁場(chǎng)、漏電、耦合等影響。一、主要干擾因素1.外界電磁場(chǎng)的影響。交變電磁場(chǎng)的來(lái)源主要有：儀器內(nèi)部的強(qiáng)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(chǎng)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(xiàn)路與元件間的電容耦合和電感耦合(即各部分之間的電場(chǎng)或磁場(chǎng)的相互影響)。(2)外部耦合線(xiàn)路元件對(duì)周?chē)矬w(包括實(shí)驗(yàn)者本身)的電容耦合，與外部帶電線(xiàn)路之間的電感耦合。通常電容耦合要特別注意。例如，線(xiàn)路各部分之間以及機(jī)殼或大地之間都有分布電容，這些分布電容稱(chēng)為寄生電容。流過(guò)寄生電容中的位移電流稱(chēng)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(kāi)電橋的面板和被測(cè)對(duì)象，觀察指零儀指針是否偏轉(zhuǎn)。2.改變被測(cè)對(duì)象的位置、方向，或?qū)⑦B至被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)線(xiàn)末端相互換接，觀察指零儀指針是否有變化。3.斷開(kāi)指零儀支路，這時(shí)如果指零儀指針不指在零位，說(shuō)明指零儀本身受到外磁場(chǎng)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(duì)被測(cè)元件進(jìn)行測(cè)量。電橋平衡后，保持原來(lái)試驗(yàn)條件完全不變，用標(biāo)準(zhǔn)元件代替被測(cè)元件。電橋的各旋鈕不動(dòng)，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(shí)被測(cè)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(shí)，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(cè)量端接上一個(gè)已知數(shù)值的小電阻(電感或電容)，把電橋調(diào)到平衡，這時(shí)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(xiàng)1.選擇電源時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守電橋說(shuō)明書(shū)中對(duì)于電源電壓的數(shù)值、頻率和波形的要求。2.進(jìn)行測(cè)量時(shí)，各儀器設(shè)備應(yīng)合理放置，以便盡可能消除各種干擾對(duì)電橋平衡的影響。3.當(dāng)電橋電路有屏蔽時(shí)，必須按照電橋說(shuō)明書(shū)的要求，把它們連接到適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)上。4.當(dāng)使用帶有放大器的平衡指示器或耳機(jī)時(shí)，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(shí)調(diào)節(jié)電橋達(dá)到平衡為止。5.每次改變電橋接線(xiàn)或改換被測(cè)元件前，都要斷開(kāi)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(shí)，由于輸入阻抗大，流過(guò)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(duì)變化；——由Z在測(cè)量對(duì)角線(xiàn)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(shí)，。A（復(fù)數(shù)）表示電橋平衡時(shí)，測(cè)量對(duì)角線(xiàn)兩邊阻抗之比。電橋電壓靈敏度的模

當(dāng)a=1時(shí)，SU極大

當(dāng)a=1時(shí)，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(cè)量對(duì)角線(xiàn)兩邊的橋臂阻抗的模相等，即

3.測(cè)量對(duì)角線(xiàn)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(shí)際的交流電橋中，至少有一個(gè)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(gè)變量來(lái)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(duì)于同一電橋線(xiàn)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(guò)程的快慢關(guān)系到電橋