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電橋的靈敏度介紹-珠海天創(chuàng)儀器整理

通常所謂儀器或儀表的靈敏度是指其對被側(cè)盤微小變化的響應，此種響應越大，則儀器或儀表的靈敏度就愈高。靈敏度常用字母S來表示。
    靈敏度的定義對于通常直讀偏轉(zhuǎn)指示儀表來說，是指對應于單位被測量的偏轉(zhuǎn)角大小。實際上在偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)靈敏度不一定都相同，因此，通常用偏轉(zhuǎn)角增量和被測量增量之比來表示靈敏度。設(shè)偏轉(zhuǎn)角為a，被測量為x,兩者之.間用函數(shù)表示為a二f(x)，則靈敏度
                 
對于電橋來講，靈敏度的含義是指電橋的指零儀對可調(diào)臂阻抗微量變化的響應。也可理解為對應于被測量的可調(diào)參數(shù)微量變化所引起指零儀的指示變化的大小。而在平衡點處，指零儀指示偏離零點的增量與參數(shù)增量之比的限，稱為電橋裝置的平衡點靈敏度，簡稱為電橋靈敏度。
    電橋靈敏度實際上包括電橋線路本身和指零儀兩個部分的靈敏度。在工作時由某一個中間度把橋路和指零儀兩個部分起來，即橋路的輸出量作為指零儀的輸入量。這個中間量的形式可以是電流、電壓或功率。就目前交流經(jīng)典電橋來說，指零儀輸入端常附有電于放大器。具有很高的輸入阻抗的放大器，相當于電橋的指零儀對角線工作于開路狀態(tài)。這種情見對于橋路和指零儀之間的中間量來說，通常就可以采用電壓。這樣做法可以使間題簡化，因可把橋路和招零儀的各自靈敏度獨立來考慮。設(shè)電橋線路的靈敏度
                   
其中△U為電橋線路的輸出電壓增量也是指零儀的輸入電壓增量。電橋靈敏度與橋路靈敏度和指零儀靈敏度三者的關(guān)系為:
                 
上式同樣可以寫成微增量形式，這里主要的是指出三者關(guān)系。
可見，要分析電橋靈敏度S，可以分別從橋路靈敏度和指零儀靈敏度來分析。
    一般SD的大小可以由放大器和所屬儀表來決定，要增加其數(shù)位并不困難。因此，可把注意力放到SB上。所提到的靈敏度形式是中間量的增量△與被測量變化值增量（△Z或△R)間的比位。但是，實際上使用更廣的是取后者的相對增量，即
                   
將e作為靈敏度的參數(shù)增量是電橋的橋路靈敏度的相對增量表示法，其含義是橋路中某橋臂量偏離平衡點以一定的百分率與由此所引起指零儀對角線電壓的變化，研究SB的目的，是要尋求具體改變靈敏度的方法和改進橋路的工作狀態(tài)。
    現(xiàn)以圖2-19所示的
四竹電橋為例來分析橋路      在平衡點或平衡點附近的電壓靈敏度(以下簡稱為電壓靈敏度).
    任選某一臂作為可調(diào)(如Z3）,這樣選擇不會影響下面導出的結(jié)果。并假定ZD = ∞，即指零儀對角線相當于開路。這時由可調(diào)臂阻抗變化所引起的電橋輸出電壓
                   

式(2-66)是 終表示形式，可理解為當指零儀對角線開路時，電橋的d和c兩頂點所出現(xiàn)的不平衡電壓。這個電壓的數(shù)值等于橋臂參數(shù)變化所引起電橋離開平衡點后出現(xiàn)的電壓增址△U，其相量為△U；該式也可理解為三個獨立因子的乘積。*個因子68,是可潤臂的相對變化或是Z,臂的百分率變化，即相當式(2-62)中的e，有時也稱為不平衡系數(shù)。第二個因子K是臂比的某種函數(shù)形式，它表征著電橋線路的特性，可稱為線路系數(shù)。第三個因子Us是電橋的供電電壓。結(jié)合式(2-63)可得電橋橋路電壓靈敏度
                  
    可見，橋路靈敏度sb不僅與供電源Us有關(guān)，也與線路系數(shù)K有關(guān)。通常K是一個復數(shù)，us是電壓相量。實際上Sb僅表示為一個數(shù)值，故可以認為它等于式(2-67)右邊兩個值的乘積。很明顯，▕K▏愈大，靈敏度也就愈高。在橋臂組成的過程中如何使▕K▏達到 大值呢?應尋求它達到 大值的條件。
                  
式中▕(I+a1+ja2)▏=(1 +a1)'+ a2是由于復數(shù)平方的幅值等于其幅值的平方之故。
式(2-69)表明.當a=▕z1▏/▕z2▏=1時(橋臂對稱)，▕ K ▏ 大。另外當0 =Φ1-Φ2=士x時，即Cos 0=一1時，▕K▏也 大。但當a=0或a→∞和0 =o'時，▕K▏趨于零。由此可見，為了獲得較高的靈敏度，應力求使指零儀對角線兩側(cè)的橋臂阻抗幅值盡量接近(即a=▕z1▏/▕z2▏≈1)，以及該兩阻抗的輻角差盡可能大些(即180'≥ 0=Φ-Φ2≥90‘)。這就是說，應盡可能不使該兩阻抗為同一性質(zhì)的元件。圖2-20為組成指零儀對角線兩側(cè)的橋臂阻抗示意圖。按照靈敏度不同，交流電橋線路可分為三種類型。圖2-20 a)、b)的臂比角0二0' ,屬于*類型，其靈敏度較低。直流乍橋和部分交流電橋?qū)儆诖祟悺D2-20c).  d)的臂比角0是直角，屬于絕二類型，多數(shù)交流電橋?qū)儆诖祟悺D2-20e)的臂比角0≈土180',屬于第三類型，支路中發(fā)生諧振的電橋?qū)儆诖祟悺?br />    相鄰的兩臂中各含有電阻和電抗，則臂比角必介于上述范圍之內(nèi)。
    必須指出，對于0=土180,情況，支路將發(fā)生電沃諧振，表面看來靈敏度沒有理論上的限制，而實際上由于受到電抗元件的純度、載流址或耐壓值以及電源內(nèi)阻等因素的限制，靈敏度相應將受到限制。                       
   

在實際工作中也會有機會遇到背比角為零的交流電橋。為了提高靈敏度，可以將供電電源和指零儀的位覺進行互換，以使臂比角增大。*，互換的結(jié)果并不會影響平衡條件，但卻提高了靈敏度。
    以上提及的電橋靈敏度問題比較強調(diào)電橋的電壓靈敏度，當然這對于較高翰出阻抗的橋路和較高輸入阻抗的指零儀是適宜的。但有時也會遇到較低輸出阻抗的橋路，在這種情況下，它要求有較低輸入阻抗和高電流靈敏度的指零儀。
    實際工作中還會遇到電橋輸出阻抗與指零儀輸入阻抗相差甚多的情況。因此，單純強調(diào)電壓靈敏度成電流靈敏度都是不妥的。*，能盆傳遞的 佳情況要求電橋輸出阻抗和指零儀輸入阻擾達到匹配條件，從而使指零儀獲徹級大功率，這就涉及到電橋的功率靈敏度。
    這里不打算細述功率靈敏度，只是簡單介紹電橋橋路輸出阻抗Z0B和指零儀輸入阻抗zD不相同時，如何選用匹配變壓器來實現(xiàn)阻抗的匹配的問題。質(zhì)量較好的鐵心變壓器可以近似地看成理想變壓器，用它的性質(zhì)來分析匹配變壓器能使問題的討論得到簡化。若將指零儀接入變壓器次級，然后將變壓器初級接入電橋c和d兩頂點上。并設(shè)變壓器次級和初級的匝比為k,則根據(jù)理想變壓器阻抗變換的性質(zhì)，從變壓器初級的輸入端看進去的等效阻抗
               
    為了獲得 佳的匹配條件，應該使變壓器輸入端的阻抗等于橋路的輸出阻抗，即▕zT▏=▕ZB▏，并結(jié)合式(2-70)可得匹配變壓器的次級和初級的匝數(shù)比
                  
這個關(guān)系式提供了設(shè)計匹配變壓器的一個依據(jù)，它有重要的實用價值。
    歸納以上所述，提高整個電橋裝置的靈敏度可以從以下幾個方面著手:
      (1)提高指零儀的靈敏度(包括在指零儀表前面接入電子放大器)，
    (2)合理地組合橋臂(盡可能組成對稱橋臂，即力求指零儀對角線兩側(cè)的橋臂阻抗幅值盡量接近，而且要求該兩阻抗的輻角差盡可能大些)。必要時將供電電源與指零儀互換位置以及適當提高電源電壓使橋路靈敏度盡可能高些，
      (3)當橋路輸出阻杭與指零儀輸入阻抗相差較多時，可選用匹配變壓器，以利提高功率靈敏度。
    值得注意的另一個問題，是防止單純和偏面地迫求高靈敏度。當然，一般情況下，靈敬度的提高確實有利于測量準確度的提高。但這是指測量裝置的靈敏度應與側(cè)量誤差的要求相適應來說的，即要求側(cè)且裝置的靈敏度提高到能適應測量準確度的要求，并能符合現(xiàn)實條件的許可。如果育目地追求靈敏度，動為靈敏度愈高，測量結(jié)果一定愈準確。這顯然是一種誤解。一般來說，交流電橋靈敏度應能使低于可調(diào)參數(shù)優(yōu) 小可調(diào)分度值的變化有所反應(例如，對于0.02級電橋，應當使可調(diào)參數(shù)的變動值
大致為0.01%時，指零儀偏轉(zhuǎn)不少于一個分度，即所調(diào)可調(diào)參數(shù)變動數(shù)值等于其等級指標之半)。靈敏度過低將不能反應這一變化，顯然會產(chǎn)生誤差。但靈敬度過高不僅不能提高電橋的測量準確度，而且給操作帶來麻煩，并增加裝置成本。盲日提高靈敏度而增加電深電壓可能給裝置部件或橋臂元件造成過負荷而損壞。因此，應該全而地衡量，合理地考慮電橋的靈敏度。