电桥的灵敏度介绍-珠海天创仪器整理

通常所谓仪器或仪表的灵敏度是指其对被侧盘微小变化的响应，此种响应越大，则仪器或仪表的灵敏度就愈高。灵敏度常用字母S来表示。
    灵敏度的定义对于通常直读偏转指示仪表来说，是指对应于单位被测量的偏转角大小。实际上在偏转范围内灵敏度不一定都相同，因此，通常用偏转角增量和被测量增量之比来表示灵敏度。设偏转角为a，被测量为x,两者之.间用函数表示为a二f(x)，则灵敏度
                 
对于电桥来讲，灵敏度的含义是指电桥的指零仪对可调臂阻抗微量变化的响应。也可理解为对应于被测量的可调参数微量变化所引起指零仪的指示变化的大小。而在平衡点处，指零仪指示偏离零点的增量与参数增量之比的限，称为电桥装置的平衡点灵敏度，简称为电桥灵敏度。
    电桥灵敏度实际上包括电桥线路本身和指零仪两个部分的灵敏度。在工作时由某一个中间度把桥路和指零仪两个部分起来，即桥路的输出量作为指零仪的输入量。这个中间量的形式可以是电流、电压或功率。就目前交流经典电桥来说，指零仪输入端常附有电于放大器。具有很高的输入阻抗的放大器，相当于电桥的指零仪对角线工作于开路状态。这种情见对于桥路和指零仪之间的中间量来说，通常就可以采用电压。这样做法可以使间题简化，因可把桥路和招零仪的各自灵敏度独立来考虑。设电桥线路的灵敏度
                   
其中△U为电桥线路的输出电压增量也是指零仪的输入电压增量。电桥灵敏度与桥路灵敏度和指零仪灵敏度三者的关系为:
                 
上式同样可以写成微增量形式，这里主要的是指出三者关系。
可见，要分析电桥灵敏度S，可以分别从桥路灵敏度和指零仪灵敏度来分析。
    一般SD的大小可以由放大器和所属仪表来决定，要增加其数位并不困难。因此，可把注意力放到SB上。所提到的灵敏度形式是中间量的增量△与被测量变化值增量（△Z或△R)间的比位。但是，实际上使用更广的是取后者的相对增量，即
                   
将e作为灵敏度的参数增量是电桥的桥路灵敏度的相对增量表示法，其含义是桥路中某桥臂量偏离平衡点以一定的百分率与由此所引起指零仪对角线电压的变化，研究SB的目的，是要寻求具体改变灵敏度的方法和改进桥路的工作状态。
    现以图2-19所示的
四竹电桥为例来分析桥路      在平衡点或平衡点附近的电压灵敏度(以下简称为电压灵敏度).
    任选某一臂作为可调(如Z3）,这样选择不会影响下面导出的结果。并假定ZD = ∞，即指零仪对角线相当于开路。这时由可调臂阻抗变化所引起的电桥输出电压
                   

式(2-66)是 终表示形式，可理解为当指零仪对角线开路时，电桥的d和c两顶点所出现的不平衡电压。这个电压的数值等于桥臂参数变化所引起电桥离开平衡点后出现的电压增址△U，其相量为△U；该式也可理解为三个独立因子的乘积。*个因子68,是可润臂的相对变化或是Z,臂的百分率变化，即相当式(2-62)中的e，有时也称为不平衡系数。第二个因子K是臂比的某种函数形式，它表征着电桥线路的特性，可称为线路系数。第三个因子Us是电桥的供电电压。结合式(2-63)可得电桥桥路电压灵敏度
                  
    可见，桥路灵敏度sb不仅与供电源Us有关，也与线路系数K有关。通常K是一个复数，us是电压相量。实际上Sb仅表示为一个数值，故可以认为它等于式(2-67)右边两个值的乘积。很明显，▕K▏愈大，灵敏度也就愈高。在桥臂组成的过程中如何使▕K▏达到 大值呢?应寻求它达到 大值的条件。
                  
式中▕(I+a1+ja2)▏=(1 +a1)'+ a2是由于复数平方的幅值等于其幅值的平方之故。
式(2-69)表明.当a=▕z1▏/▕z2▏=1时(桥臂对称)，▕ K ▏ 大。另外当0 =Φ1-Φ2=士x时，即Cos 0=一1时，▕K▏也 大。但当a=0或a→∞和0 =o'时，▕K▏趋于零。由此可见，为了获得较高的灵敏度，应力求使指零仪对角线两侧的桥臂阻抗幅值尽量接近(即a=▕z1▏/▕z2▏≈1)，以及该两阻抗的辐角差尽可能大些(即180'≥ 0=Φ-Φ2≥90‘)。这就是说，应尽可能不使该两阻抗为同一性质的元件。图2-20为组成指零仪对角线两侧的桥臂阻抗示意图。按照灵敏度不同，交流电桥线路可分为三种类型。图2-20 a)、b)的臂比角0二0' ,属于*类型，其灵敏度较低。直流乍桥和部分交流电桥属于此类。图2-20c).  d)的臂比角0是直角，属于绝二类型，多数交流电桥属于此类。图2-20e)的臂比角0≈土180',属于第三类型，支路中发生谐振的电桥属于此类。
    相邻的两臂中各含有电阻和电抗，则臂比角必介于上述范围之内。
    必须指出，对于0=土180,情况，支路将发生电沃谐振，表面看来灵敏度没有理论上的限制，而实际上由于受到电抗元件的纯度、载流址或耐压值以及电源内阻等因素的限制，灵敏度相应将受到限制。                       
   

在实际工作中也会有机会遇到背比角为零的交流电桥。为了提高灵敏度，可以将供电电源和指零仪的位觉进行互换，以使臂比角增大。*，互换的结果并不会影响平衡条件，但却提高了灵敏度。
    以上提及的电桥灵敏度问题比较强调电桥的电压灵敏度，当然这对于较高翰出阻抗的桥路和较高输入阻抗的指零仪是适宜的。但有时也会遇到较低输出阻抗的桥路，在这种情况下，它要求有较低输入阻抗和高电流灵敏度的指零仪。
    实际工作中还会遇到电桥输出阻抗与指零仪输入阻抗相差甚多的情况。因此，单纯强调电压灵敏度成电流灵敏度都是不妥的。*，能盆传递的 佳情况要求电桥输出阻抗和指零仪输入阻扰达到匹配条件，从而使指零仪获彻级大功率，这就涉及到电桥的功率灵敏度。
    这里不打算细述功率灵敏度，只是简单介绍电桥桥路输出阻抗Z0B和指零仪输入阻抗zD不相同时，如何选用匹配变压器来实现阻抗的匹配的问题。质量较好的铁心变压器可以近似地看成理想变压器，用它的性质来分析匹配变压器能使问题的讨论得到简化。若将指零仪接入变压器次级，然后将变压器初级接入电桥c和d两顶点上。并设变压器次级和初级的匝比为k,则根据理想变压器阻抗变换的性质，从变压器初级的输入端看进去的等效阻抗
               
    为了获得 佳的匹配条件，应该使变压器输入端的阻抗等于桥路的输出阻抗，即▕zT▏=▕ZB▏，并结合式(2-70)可得匹配变压器的次级和初级的匝数比
                  
这个关系式提供了设计匹配变压器的一个依据，它有重要的实用价值。
    归纳以上所述，提高整个电桥装置的灵敏度可以从以下几个方面着手:
      (1)提高指零仪的灵敏度(包括在指零仪表前面接入电子放大器)，
    (2)合理地组合桥臂(尽可能组成对称桥臂，即力求指零仪对角线两侧的桥臂阻抗幅值尽量接近，而且要求该两阻抗的辐角差尽可能大些)。必要时将供电电源与指零仪互换位置以及适当提高电源电压使桥路灵敏度尽可能高些，
      (3)当桥路输出阻杭与指零仪输入阻抗相差较多时，可选用匹配变压器，以利提高功率灵敏度。
    值得注意的另一个问题，是防止单纯和偏面地迫求高灵敏度。当然，一般情况下，灵敬度的提高确实有利于测量准确度的提高。但这是指测量装置的灵敏度应与侧量误差的要求相适应来说的，即要求侧且装置的灵敏度提高到能适应测量准确度的要求，并能符合现实条件的许可。如果育目地追求灵敏度，动为灵敏度愈高，测量结果一定愈准确。这显然是一种误解。一般来说，交流电桥灵敏度应能使低于可调参数优 小可调分度值的变化有所反应(例如，对于0.02级电桥，应当使可调参数的变动值
大致为0.01%时，指零仪偏转不少于一个分度，即所调可调参数变动数值等于其等级指标之半)。灵敏度过低将不能反应这一变化，显然会产生误差。但灵敬度过高不仅不能提高电桥的测量准确度，而且给操作带来麻烦，并增加装置成本。盲日提高灵敏度而增加电深电压可能给装置部件或桥臂元件造成过负荷而损坏。因此，应该全而地衡量，合理地考虑电桥的灵敏度。