交流电桥测电容

一、实验目的

1．了解交流电桥的平衡原理及配置方法． 2．自组交流电桥测量电容及损耗．

3．学习使用数字电桥测量电阻、电容． 二、仪器与用具

低频信号发生器，交流毫伏表，交流电阻箱，可调标准电容箱(例如RX7-0型)，待测电容，电阻，数字电桥，开关等．

实验原理

1．交流电桥平衡条件

交流电桥是对比直流电桥的结构而发展出来的，它在测量电路组成上与惠斯通电桥相似，如图28-1所示，电桥的四个臂Z1，Z2，Z3，Z4通常是复阻抗(可以是电阻、电容、电感或它们的组合)，ab间接交流电源E，cd间接交流平衡指示器D(毫伏表或示波器等)．

电桥平衡时，c、d两点等电位，由此得到交流电桥的平衡条件：

~~~~Z1Z3=Z2Z4 (28.1)

~~~~ 利用交流电桥测量未知阻抗ZX (ZX=Z1)的过程就是调节其余各臂阻抗参数使(28.1)式满足的过程．一般来说，ZX包含二个未知分量，实际上按复阻抗形式给出的平衡条件相当于两个实数平衡条件，电桥平衡时它们应同时得到满足，这意味着要测量ZX，电桥各臂阻抗参数至少要有两

个可调，而且各臂必须按电桥的两个平衡条件作

适当配置． 图28—1 2．桥臂配置和可调参数选取的基本原则

在多数交流电桥中，为了使线路结构简单和实现“分别读数”(即电桥的两个可调参数分别只与被测阻抗的一个分量有单值的函数关系)，常把电桥的两个臂设计成纯电阻(统称为辅助臂)，这样，除被测Zx外只剩一个臂具有复阻抗性质，此臂由标准电抗元件(标准电感或标准电容 )与一个可调电阻适当组合而成(称为比较臂)，在这样的条件下，由交流电桥的平衡条件得到桥臂配置和可调参数选取的基本原则．

(1)当比较臂与被测臂阻抗性质相同(指同为电感性或电容性)，二者应放在相邻的桥臂位置上；反之，应放在相对的桥臂位置上． (2)若取比较臂的两个阻抗分量作可调参数，则当比较臂阻抗分量的联接方式(指串联或并联)与被测臂等效电路的联接方式一致时，二者应放在相邻的桥臂位置；反之，就放在相对的桥臂位置．

(3)当缺乏可调标准电抗元件或需要采用高精度固定电抗元件作为标准量具时，则选取辅助臂和比较臂所含电阻中的两个作为可调参数使电桥趋于平衡．(此时一般不能分别读

~~~~~~数)．

关于交流电桥可调参数选取，涉及到电桥结构，电桥平衡过程的收敛性等问题，比较复杂，更深入的讨论可见有关专著． 3．测量实际电容的桥路 在介绍实际电桥之前，先分析一下实际电抗元件等效电路，实际的电容或电感在电路中往往带有一定的能量损耗(欧姆损耗和介质损耗)，或者说它们的有功功率不等于零，定义元件的品质因素Q和损耗因子如下 Q?1tg??P无功P有功 (28.2)

式中P有功，P无功分别是元件的无功功率和有功功率，由功率三角形(如图28-2)易得 Q?Xr ,tg??rX (28.3)

式中X是元件的电抗，r是元件的有功电阻，?是元件上电压与电流间位相差的余角，显然Q值越高，损耗越小，tg?越大，损耗越大．Q (或tg?)常由实验来测

定．

如图28-3所示，实际电容，电感可用两种形式的等效电路来表示，(a)为

串联式；(b)为并联式．

对同一元件的两种等效电路，并不相等，仅在损耗不大时才相等。一般用Q (或tg?)

值统一表示元件的损耗特性． 图28-2 图28-3

实际中，对电感和低损耗电容采串联式等效电路，电感Q值和电容损耗因子tg?分别是 Q??Lr， tg???Cr (28.4) 对高损耗电容则采用并联式等效电路，其损耗因子是 tg??1?C?r? (28.5) 式中?是交流电的圆频率．

下面介绍几种实际的交流电桥电路 (1)串联电容比较电桥(测低损耗电容)

如图28-4所示，C4为标准电容(损耗可忽略)R2、R3、R4为无感电阻，平衡条件为

(Rx?j11)R3?(R4?j)R2 (28.6) ?L?C令实部，虚部分别相等得 Cx?R3RC4， Rx?4R2 (28.7)

R3R2损耗因子

tg???RxCx??R4C4 (28.8)

取C4、R4为可调参数，固定R2、R3，能实现“分别读数”，易于调节平衡，若用此桥测高损耗电容，要求R4很大，导致电桥灵敏度下降较多． (2)并联比较电容电桥(测高损耗电容)

电路如图28-5,C４是为标准电容，R2，R3和R4为无感电阻，平衡条件是 Cx?R3RC4， Rx?4R2 (28.9)

R3R211 (28.10) ??RxCx?R4C4损耗因子 tg?? 图28-4 图28-5

上述两种电桥都具有如下特点：一是两组电容作比较，直观方便；二是两组电容间基本不存在磁场耦合，干扰较小．

图28-6 图28-7 4．交流电桥平衡的调节 根据交流电桥的基本原理，各桥臂的参量中至少要有二个可调，只有两参量同时满足平衡条件，平衡指示器D示零．在实际中，并不是两参量同时调整，而是先调其中一个，使指示值达到尽可能小，继而调另一个，使指示器值再次减小，经过反复调节使指示器指零(或某一无法再小的值)．因此，交流电桥的平衡是逐次逼近的．为了调整方便、迅速．并保证结果有足够的精度，常使用下列方法： (1)根据实验条件选定可调参数，将反映被测量Cx(或Lx)的作为主可调参数，反映元件损耗Q(或tgδx)的作为次可调参数．

(2)根据待测元件的粗测值(或估计值)，将各臂参量预置于某一数值．作为主可调的标准件，应按其精度等级可能提供的最多有效数字的位数来选择可用的盘数．然后，在最大读数盘置一合适值，作为次可调的元件在第一次调整中，其作用可以忽略．若此可调元件所在桥臂联接方式是串联，可置零值；若是并联，则可置最大值．对于二固定参数，可根据Cx(或Lx)的测定公式，由被测量的粗测值和主调参数的数量级初步确定其比值(或乘积值)后，再取合适值．

(3)分步调节主可调参数和次可调参数，反复多次．调整开始时，电源电压应较小，指示器量程应足够大，在电桥趋于平衡的过程中，逐渐提高电压，减小指示器量程，直至可调参数的改变不能使指示器示数减小为止．但提高电压注意各桥臂的额定功率．

(4)当电桥处在平衡态时，若要测某直接量的灵敏度误差，可改变该量的大小，直到指示器有可分辨的示值，则此改变量即是所测的误差．交流电桥也能用“高位定低位”的方法检定桥路是否达到平衡，这是很实用的测量技巧．交流电桥的系统误差也能用交换元件位置、元件代替以及改变桥臂位置等组合测量的方法来减小或消除． 四、实验内容