交流電橋的調(diào)節(jié)技巧

盛 妍

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

交流電橋的調(diào)節(jié)技巧

盛 妍

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

交流電橋在電測技術(shù)中占有重要地位，而它的平衡條件和實現(xiàn)平衡的調(diào)節(jié)過程都比較復(fù)雜，通過對兩個實驗案例的電橋平衡調(diào)節(jié)方法進(jìn)行對比，總結(jié)出幾條有效的調(diào)節(jié)技巧，與初學(xué)者共同探討交流。

交流電橋；平衡；調(diào)節(jié)；技巧

交流電橋可用于精確測量電容、電感和它們的介質(zhì)損耗特性，在電測技術(shù)中占有重要地位。交流電橋雖然和直流單臂電橋具有相同的電路結(jié)構(gòu)，但由于它的四個橋臂是阻抗，所以它的平衡條件和實現(xiàn)平衡的調(diào)節(jié)過程都比直流電橋復(fù)雜。事實上，交流電橋?qū)嶒炇且粋€非常有趣且具有挑戰(zhàn)性的實驗。學(xué)生在做該實驗的時候，應(yīng)不斷探索嘗試，最后可總結(jié)出交流電橋平衡的調(diào)節(jié)技巧。本文對使用DH4518型交流電橋?qū)嶒瀮x而設(shè)計的實驗案例總結(jié)歸納，得出交流電橋的調(diào)節(jié)技巧［1］。

1 交流電橋的設(shè)計

（1）將交流電橋中的兩個橋臂設(shè)為純電阻，可使電橋結(jié)構(gòu)簡單調(diào)節(jié)方便。若相鄰橋臂接入純電阻，則另外相鄰兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗；若相對橋臂接入純電阻，則另外兩相對橋臂接入異性阻抗。

（2）使用可變電阻來調(diào)節(jié)電橋平衡。由于制造工藝的原因，電阻在調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電容和電［2］。

（3）橋臂盡量使用標(biāo)準(zhǔn)電容（準(zhǔn)確度高，且不易受外磁場影響），而不使用標(biāo)準(zhǔn)電感。

2 實驗案例與分析

2.1 串聯(lián)電阻式測量電容

選擇標(biāo)稱值CX＝0.01μF的電容進(jìn)行實驗，見圖1。待測電容可等效為電阻R′x和理想電容C′x的串聯(lián)模型，其中R′x表示實際電容的損耗。根據(jù)實際電路結(jié)構(gòu)和待測電容標(biāo)稱值，可選擇Ra為1 kΩ，Cn為0.01μF。調(diào)節(jié)可變電阻Rn和Rb，當(dāng)電橋平衡時，有

令上式實部和虛部分別相等，最后有

圖1 串聯(lián)電阻式測量電容

為使電橋調(diào)節(jié)過程中現(xiàn)象明顯，不妨給電橋設(shè)定一個初始不平衡狀態(tài)，即使Rn和Rb均為零。這個設(shè)定另有一個好處，即Rn和Rb只能增大不能減小，調(diào)試時都只需考慮一個變化方向。

由于電橋明顯不平衡，可以嘗試從可變電阻的高位開始調(diào)試，看流入檢流計的電流Ig的變化。若Ig減小，電橋趨于平衡；若Ig增大，電橋失去平衡。

調(diào)節(jié)的基本方法是：固定第一個變量，調(diào)節(jié)第二個變量使Ig減小至不能再小；然后交換，固定第二個變量，調(diào)節(jié)第一個變量使Ig繼續(xù)減小至不能再??；如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直到最后滿足一定精度為止。

本實驗中，若選擇先調(diào)試Rn，則發(fā)現(xiàn)Rn從0增加至最大值，Ig始終以小幅度減??；再調(diào)試Rb，當(dāng)Rb從0增大至1 kΩ左右，Ig快速減?。ㄖ敛荒茉傩。淮藭r再回去調(diào)試Rn，發(fā)現(xiàn)減小Rn能使Ig繼續(xù)減小，當(dāng)Rn從最大值減小至100Ω左右時，Ig減到最小，可認(rèn)為電橋平衡。

可見，以上實驗步驟雖然最終可使電橋平衡，但最初增大Rn而使Ig減小，并不能使電橋真正趨于平衡。

而實驗開始時，如果分別調(diào)試Rn和Rb的最高位（固定其中一個為0，另一個從0增大至1 kΩ），會發(fā)現(xiàn)Rn的變化使Ig減小幅度較小，Rb的變化使Ig減小幅度大。若選擇先改變Rb，當(dāng)Rb從0增加至1 kΩ左右，Ig大幅減小至不能再??；此時固定Rb調(diào)節(jié)Rn，Rn最高位從0到1 kΩ，Ig增加，電橋更失去平衡，Rn最高位退回0，調(diào)試第二位，當(dāng)Rn增大至100Ω左右時，Ig減到最小，此時可認(rèn)為電橋平衡。顯然，第二種調(diào)試方法更直接、簡單，效率高。

2.2 并聯(lián)電阻式測電容

圖2 并聯(lián)電阻式測量電容

選擇標(biāo)稱值Cx＝0.1μF的電容進(jìn)行實驗，見圖2。待測電容可等效為電阻R′x和理想電容C′x的并聯(lián)模型。根據(jù)實際電路結(jié)構(gòu)和待測電容標(biāo)稱值，可選擇Ra為1 kΩ，Cn為0.1μF。調(diào)解可變電阻Rn和Rb，當(dāng)電橋平衡時，有

令上式實部和虛部分別相等，最后有

本實驗中，若選擇先調(diào)試Rb，則發(fā)現(xiàn)Rb從0增加至最大值，Ig始終減?。辉僬{(diào)試Rn，發(fā)現(xiàn)Rn的變化幾乎無法使Ig再減小。至此，電橋的調(diào)節(jié)似乎進(jìn)入死胡同，電橋無法進(jìn)入平衡狀態(tài)。

而實驗開始時，如果分別調(diào)試Rn和Rb的最高位（固定其中一個為0，另一個從0增大至1 kΩ），會發(fā)現(xiàn)Rn的變化使Ig減小幅度大，Rb的變化使Ig減小幅度小。若選擇先改變Rn，當(dāng)Rn從0增加至3 kΩ左右，Ig大幅減小至不能再??；此時固定Rn調(diào)節(jié)Rb，Rb最高位從0增大至1 kΩ左右，Ig繼續(xù)減小至不能再?。还潭≧b再調(diào)節(jié)Rn，Rn從3 kΩ增加到10 kΩ左右時，Ig可減到最小，此時可認(rèn)為電橋平衡。

由以上兩個實驗可見，交流電橋調(diào)節(jié)之前，可先對變量做分別調(diào)試，固定其中一個，改變另一個，看各自的變化對流入檢流計電流Ig的影響，即對電橋平衡的影響。應(yīng)選擇使Ig減小幅度大的變量先調(diào)，然后反復(fù)調(diào)試各個變量，可很快將電橋調(diào)節(jié)至精確平衡。

本文討論了測量電容的交流電橋，有關(guān)調(diào)節(jié)技巧對其他測量電感的交流電橋同樣適用。

［1］ 于建勇.物理實驗教程［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［2］ 張瑞斌.用于指導(dǎo)交流電橋?qū)嶒炚{(diào)零的矢量數(shù)學(xué)模型［J］.物理實驗，2010，30（6）：42-45.

Some Techniques in AC Bridge Experiments

SHENG Yan

（China University of Mining and Technology，Jiangsu Xuzhou 221116）

AC bridge plays an important role in electronic measurement technology.however，the balance condition and obtaining the balance are quite complicated.In this paper，by comparing the techniques in two AC bridge experiments we find several useful tips to share with beginners.

AC bridge；balance；adjust；technique

O4-33

A

1007-2934（2011）06-0029-02

2011-05-11