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电桥电路的基本构造和自动控制技术上的应用

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发表于 2015-6-26 17:29:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
电桥在电工学里是一种资格很老而原理简单的电路结构,但是由于它的准确性高、用途广泛,所以至今在很多的测量仪器和工业生产自动控制电子设备甚至尖端技术里仍然需要用到它。
电桥最基本的结构见图1,它是由四个电阻串连成为一个闭合的方阵而成。四个连接点称为电桥的顶点,两个顶点之间的电阻称为电桥的臂。工作时在两个相对的顶点接入一个电源U,另外两个顶点接上一个指示器Г;如果两个相对边臂电阻值的乘积相等,即Z1·Z4=Z2·Z3,指示器上面将没有电流通过,这时电桥就达到术语上的所谓“平衡”。

电桥基本结构图

电桥基本结构图

如果将一个桥臂换成未知阻值的Zx如图2,那么要使电桥平衡,必须使Zx=Z2·Z3/Z4,假如选好了Z3=Z4,上面的式子就可以简化地认为:Zx=Z2,当Z2是一个可变电阻的时候,就可以用它将电桥调到平衡,这时Z2调到的阻值是和Zx的阻值相等,可以很方便地在Z2的刻度盘上直接读出Zx的电阻值。
电桥的准确度决定于桥臂电阻的准确度和指示器的灵敏度;电桥量移的范围则是决定于各个桥臂的阻值。此外,在图2的电路里,刻度盘刻制的精度也有关系。
为了适应使用上的需要,桥臂也可以由几个电阻构成或者在指示器上面加入电阻等等而成为多臂电桥。图1的电桥称为单电桥或四臂电桥,比它臂数更多的多臂电桥都可以简化成为这种单电桥的等效电路。
量测阻值很小(小于1欧姆)的电阻时,桥臂接线和接点等的本身电阻对于电桥正确的平衡会有一定的影响,所以用于量测小电阻的电桥是使用图3的所谓双电桥电路,它可以将这些影响大为减轻,它的平衡条件是Zx=Z3·Z1/Z2;图中符号相同的电阻值是相等的。

双电桥电路

双电桥电路

电桥的电源可以采用直流电或者各种频率的交流电。指示器可以是检流计,电流表,调谐指示管,耳机等等。有时为了更好地辨别电桥的平衡,原来指示器的输出端还可以改接到放大器里经过放大之后再指示出来,或用示波器作为指示器。

电路电路图

电路电路图

电桥电路图例

电桥电路图例

电桥用交流电作为电源,它的用途就更广泛了。利用对交流电具有阻抗的元件代替电阻作为桥臂,就可以量测很多其他的数值。图4是一个量测电容器的电桥:将电桥相邻的两臂换入了标准可变电容器Cэ和被测电容器Cx,在这种电桥上Cx=Cэ·R2/R1,取R1=R2,Cэ就和Cx相等,这样就能和上面一样在Cэ的刻度盘上读出Cx的电容量。这种电桥电路只适用于量测介质损耗非常小的电容器。当介质损耗比较大时,要在Cэ的一臂上串连一个可变电阻Rэ作为补偿相移之用(图5),否则电桥是很难平衡的。如果介质损耗很大,Rэ要和Cэ并连(图6),这两种电路都是调节Cэ和Rэ使电桥平衡的,在它们的刻度盘上面可以读出电容量和损失系效tgδ的数值。电容量的关系和上面图4的一样,损失系数的数值在图5里是tgδ=ωCэRэ,在图6里是tgδ=1/ωCδRэ,因为它是和电源频率ω有关的。ω通常是50~1000周,但也有用到超过这个范围以外的。

电桥电路讲解

电桥电路讲解

应用同样道理也可以量测电感量,由于用可变的标准电感的量测方法技巧上要比较麻烦,所以一般量测电感时,是应用固定的标准电感Lэ,如图7的电路在R1上使电桥平衡,并读出被测线圈Lx的电感量。电路上Lx=Lэ·R2/R1,这种电桥适用于Lx。本身直流电阻很小的场合。如果Lx本身的直流电阻很大,可改用图8的方式,不用Lэ而用标准电容器Cэ,并且用标准可变电阻Rэ作为补偿相移。在这一电路上Lx=CэR1R2;如果:Cэ是固定的,那么R1(或R2和Rэ)可以使用可变的,以使电桥平衡。R1R2是固定的,Rэ和Cэ就要可变的;Rэ是固定的,R1(或R2)和Cэ便应该是可变的,这样才能使电桥被调到平衡,并在调节度盘上读出Lx的电感值。在这个电桥上,线圈Lx本身直流电阻rx也可以同时量出,这就是rx=R1R2/Rэ。电桥电源的频率和上面量测电容器的电桥相同。
把这几种电桥合装成一套,利用转换开关变换桥臂所接的元件和它们的数值,就成为能够量测电容、电感和电阻的万用电桥。
电桥电源采用交流电之后,线路上随之而来的干扰、寄生电容等等问题常会影响到电桥的平衡;因此有时电桥的各个元件或者整机上要加以种种适当的屏蔽。并且随着对电桥精密度要求的提高,往往使电桥的各个部件和整个机构的结构都复杂起来。
这些测量用的电桥用途是多种多样的,它们不特分布在实验室、工矿企业、野外勘测……等等地方,也分布在许多其它部门应用的电子设备上。这里面有能测电阻几分之一欧姆的电桥;也有使用电源电压上万伏特量测绝缘电阻用的高压电桥;有的还可以量测非电量的。
上面所说的电桥称为“平衡电桥”,它是调节桥臂使电桥平衡,然后按照桥臂的比例来计算被测样品的。另一种测量的方式是不需要将电桥调到平衡的,只在接入被测样品之后,按指示器上面所偏转的读数而得出它的数值,通常是用电流表作为指示器,而将电表刻度改刻相应单位的读数,这种电桥称为“不平衡电桥”。不平衡电桥的准确度除了上述的条件之外,电源电压的稳定度也有关系;当改变桥臂的比例时,不独量程改变,指示器指针的偏转角度和电量的关系曲线也会改变,也就是能够影响指示器上刻度均匀的程度。
电桥有量测电量或者非电量的用途,使它在工业生产上得到了广泛的应用。图9是一种利用不平衡电桥做成的温度指示器,桥臂Rx是一个热敏电阻,当它周围的温度改变的时候,它的电阻值也跟着温度变化,改变了电桥上不平衡的程度,指示器上面的指针便会指出不同的温度读数。图上的R5是校准电源电压的可变电阻;这种温度指示器可以在离开测量点比较远的地方进行遥测。
不平衡电桥还可以测量其它很多的非电量,只要将Rx改换为其它的感受器和改刻电表的刻度就能应用。例如用一个光敏电阻代替Rk就可以量测光量;用红外线感受器可以测出物体的热量;用对于湿度能够感应变化的电阻可以测出湿度等等。最有趣的是把一只受到外加压力能够改变阻值的压变电阻接在Rx的一臂上,重物压在它的上面时,电桥就指示出它的重量,哪怕是一个很大的卡车,这个小秤也能把它的重量称出来。
在电桥相邻的两臂上各装一个有感受作用的电阻,还能够比较这两个电阻所能感受到的电量或者非电量,而在指示器上看到它的结果。两个电桥也可以串连使用来作特殊的测量。

电桥电路放大器

电桥电路放大器

平衡电桥在自动控制技术上面应用很广,图10是一种简单的温度自动控制原理的例子,它是从图9蜕变而来的。热敏电阻放在发放器Rn热力所及的范围内,电桥如果是不平衡的,上下两顶点有电流输出,这信号经过放大器的放大,开动了受它控制的开关(如继电器、闸流管等),将电热器的电源接通,向需要的地方加热;到了预定的温度,Rx的阻值变化到使电桥平衡,电桥这时没有信号输出,放大器就将Rn的电源关掉,直到温度下降,Rx又有了变化,放大器再开动RH加热,这样就能保持一定的温度。决定温度高低的控制是在电桥的另一臂R2上调节的,预先知道了RK在每一温度上的阻值是多少,就可以在R2的度盘相同阻值的位置上刻出和这些温度相应的温度刻度,如果R3=R4,使用时将R2旋在指定的温度刻度上,Rx被加热到这一温度时就等于R2而使电桥平衡。为了防止加热温度超过指定值时,Rx也将发生变化而破坏电桥的平衡使RH的电源开启,但这时电桥输出的相位是相反的,在放大器里加上相应鉴别的装置,就能够保证放大器这时不去开启Ri的电源,只有温度降低时才使Rn加热。
其它的非电量也可以应用相同的道理加以控制。

平衡电桥

平衡电桥

电桥的桥臂不一定装置感受元件,也可以装入控制性的元件;图11是一种桥式的电子管电压表,桥臂之一的Л1是测量用的电子管,另一臂的Л2是作为平衡用的,以便使这两臂的特性曲线能够一致。
在一些电子设备的电路上面,还有其他种种的桥式电路,这些都是电桥的孪生兄弟,有的虽然和上述的电桥形式相似,例如桥式整流电路。但是性质和工作原理就不一定相同了。
最后,我们可以做一个简单的电桥来体验一下它的用处。这个自造电桥的线路见图12,用一付普通的耳机作为指示器,由电铃变压器的次级线圈供给6~10伏的交流电作为电源,R1是指示电阻器,阻值的大小要看测量的范围而定,Rx的阻值,仍是Rx=R1·R2/R3,准确地挑选R2=R3=R1~2R1,电位器最好是线绕的,如果量测的是比较高的阻值,需要用碳膜电位器的话,那么要选用直线式的;一般收音机所用的电位器阻值的分布是对数式的,在刻度盘上表现出的电阻值很不均匀。R1应预先在它的旋钮上做一个大的空白度盘?用其它的电桥或万用表等将它旋在各点上的电阻值量出,并取它的整数值刻在度盘上,中间分出小格。使用时将R1调节到耳机里听到的交流声最小,在正确的平衡时应该没有声音;这时,R1度盘上所指的数值也就是Rx的阻值。如果能适当的加用转换开关来改变桥臂,那么电桥的测量范围还可改变。

电桥桥臂

电桥桥臂
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