直流电桥的原理与使用

直流电桥是一种比较式测量仪器。主要是针对发电机定子、转子绕组，变压器各侧各相绕组，以及电动机绕组等而进行的一种电气试验。通过该试验，可以检查出绕组内部导线的焊接质量，引线与绕组的焊接质量，绕组所用导线的规格是否符合设计要求，内部绕组有无断裂等。常用的有直流单臂电桥和直流双臂电桥两大类。

1．直流单臂电桥

直流单臂电桥又称惠斯登电桥，其电阻测量范围为1～107Ω。本节以QJ－23型直流单臂电桥为例介绍其使用方法。

1)直流单臂电桥工作原理

单臂电桥原理如图5－4所示，电桥由三个精密电阻及一个待测电阻组成四个桥臂。对角A、C两端接电源，B、D之间连接一个检流计作“桥”，直接比较两端的电位。当达到平衡时桥两端电位相等，IG=0。

图5－4 单臂电桥原理

此时

根据电桥的平衡条件，若已知其中三个臂的电阻，就可以计算出另一个桥臂的电阻

2)QJ－23型直流单臂电桥使用方法

(1)QJ－23型直流单臂电桥面板介绍，如图5－5所示。

图5－5 QJ－23型直流单臂电桥面板

1—待测电阻Rx接线柱;

2—检流计按钮G;

3—电源按钮B;

4—检流计;

5—检流计调零旋钮;

6—外接、内接检流计转换接线端子;

7—外接电源接线柱;

8—比例臂;

9—比较臂。

(2)QJ－23型直流单臂电桥的操作。

①测量前先打开检流计锁扣，即将G接线柱处的金属接片由“内接”移到“外接”。开启检流计开关，将指针调到零位。

②将被测电阻用短而粗的铜导线接于面板上标有“Rx”的两接线柱上并将其拧紧，使其处于良好的电接触状态。

③估计待测电阻阻值(最好用万用表预测一个近似值)，以便选择合适的比较臂和比例臂。这样不仅可以节约时间，而且能保证测量结果的准确。选比较臂时，最好能使比较臂最高挡位( ×1000)不为零，再选择比例高的倍率。

④进行电桥平衡调节，先按下按钮B接通电源，再按下按钮G接通检流计。根据检流计指针偏转方向和速度，增加或减少比较臂电阻，反复调节直至指针指零。此时电桥处于平衡。在调节平衡过程中，电桥在未接近平衡状态时，每调节一次，短时按下一次按钮G，观察平衡情况，当检流计指针偏转不大时，即可旋转按钮G，再进行反复调节。

电桥未平衡时，若指针向“+“方向偏转，应增大比较臂电阻值，反之减小比较臂电阻值。偏转速度越快，应增减的阻值越大。

⑤测量结束后，先松开按钮G，再松开按钮B，切断电源，拆除被测电阻，将各比较臂旋钮均置于零，并将检流计接片从“外接“换到“内接”，使其从内部短路。

⑥计算被测电阻: Rx=比例臂倍率×比较臂总阻值(Ω)

(3)注意事项

①电桥内电池电压不足会影响灵敏度，应及时更换。若用外接电源必须注意极性且电压比能超过允许值。

②单臂电桥不宜测量0．1Ω以下的电阻，即使测量1Ω以下的低阻值电阻，都应该降低电源电压并缩短测量时间，以免烧坏仪器。

③测量带电感的电阻(如电机绕组、变压器绕组)时，应先接通电桥电源，再接通检流计按钮G。断开时应先断开检流计按钮，再断开电桥电源，以免线圈自感电动势损坏检流计。

④测量中不得使电桥比较臂电流超过允许值。

⑤电桥不用时应将检流计锁住，以免搬运时损坏。

⑥保证桥臂及相关接触点接触良好。

2．直流双臂电桥

直流双臂电桥又叫开尔文电桥，专门用来测量低阻值电阻的。其测量范围为10－6～11 Ω。下面将以QJ－44型直流双臂电桥为例介绍其使用方法。

1)直流双臂电桥工作原理

双臂电桥的基本原理如图5－6所示，在单臂电桥的基础上改变接线，再增加一对高电阻。

图5－6 直流双臂电桥工作原理电路

图中Rx是被测电阻，Rn是比较用的可调电阻。Rx和Rn各有两对端钮，C1和C2、Cn1和Cn2是它们的电流端钮，P1和P2、Pn1和Pn2是它们的电位端钮。接线时必须使被测电阻Rx只在电位端钮P1和P2之间，而电流端钮在电位端钮的外侧，否则就不能排除和减少接线电阻与接触电阻对测量结果的影响。比较用可调电阻的电流端钮Cn2与被测电阻的电流端钮C2用电阻为r的粗导线连接起来。R1、R'1、R2和R'2是桥臂电阻，其阻值均在10Ω以上。在结构上把R1和R'1以及R2和R'2做成同轴调节电阻，以便改变R1或R2的同时，R'1和R'2也会随之变化，并能始终保持:

测量时接上Rx调节各桥臂电阻使电桥平衡。此时，因为IG=0，可得到被测电阻Rx为

可见，被测电阻Rx仅决定于桥臂电阻R2和R1的比值及比较用可调电阻Rn而与粗导线电阻r无关。比值R2/R1称为直流双臂电桥的倍率。所以电桥平衡时

被测电阻值=倍率读数×比较用可调电阻读数

因此，为了保证测量的准确性，连接Rx和Rn电流端钮的导线应尽量选用导电性能良好且短而粗的导线。

只要能保证和R'2均大于10Ω，r又很小，且接线正确，直流双臂电桥就可较好地消除或减小接线电阻与接触电阻的影响。因此，用直流双臂电桥测量小电阻时，能得到较准确的测量结果。

2)QJ－44型直流双臂电桥使用方法

(1)QJ－44型直流双臂电桥外观及面板，如图5－7、图5－8所示。

1—电桥外接工作电源接线柱;

2—检流计灵敏度调节旋钮;

3—晶体管检流计工作电源开关;

4—滑线读数盘;

图5－7 QJ－44型直流双臂电桥外观

图5－8 QJ－44型直流双臂电桥面板

5—步进读数开关;

6—检流计按钮开关;

7—电桥工作电源按钮开关;

8—被测电阻电流端接线柱;

9—量程因素读数开关;

10—被测电阻电位端接线柱;

11—检流计电气调零旋钮;

12—被测电阻电流端接线柱;

13—检流计指示表头。

(2)使用方法。

①在电池盒内，装入1．5V1号手电筒电池4～6节并联使用和2节6F22、9V并联使用，此时电桥就能正常工作。如用外接直流电源1．5～2V时，电池盒内的1．5V电池，应预先全部取出。

②“B1”开关扳到接通位置，等稳定后(约5min)，调节检流计指针在零位。

③灵敏度旋钮放在最低位置。

④将被测电阻，按四端连接法，接在电桥相应的C1、P1、P2、C2的接线柱上。如图5－9所示，AB之间为被测电阻。

⑤估计被测电阻值大小，选择适当倍率位置，先按“G”按钮，再按“B”按钮，调节步进读数和滑线读数，使检流计指针在零位上。如发现检流计灵敏度不够，应增加其灵敏度，移动滑线盘4小格，检流计指针偏离零位约1格，就能满足测量要求。在改变灵敏度时，会引起检流计指针偏离零位，在测量之前，随时都可以调节检流计零位。被测电阻按下式计算:

图5－9 被测电阻连接方法

被测电阻值=倍率读数×(步进读数+滑线读数)

被测电阻范围与倍率位置选择如表5－1所示。

表5－1 被测电阻范围与倍率位置选择

(3)注意事项和维护保养。

①在测电感电路的直流电阻时，应先按下“B”按钮，再按下“G”按钮，断开时，应先断开“G”按钮，后断开“B”按钮。

②测量0．1Ω以下阻值时，“B”按钮应间歇使用。

③在测量0．1Ω以下阻值时，C1、P1、P2、C2接线柱到被测量电阻之间的连接导线电阻为0．005～0．01Ω; 测量其他阻值时，连接导线电阻不可大于0．05Ω。

④电桥使用完毕后，“B”与“G”按钮应松开。“B1”开关应扳向“断”位置，避免浪费晶体管检流计放大工作电源。

⑤如电桥长期搁置不用，应将电池取出。

⑥如电桥长期搁置不用，在接触处可能产生氧化，造成接触不良，为使接触良好，可涂上一薄层无酸性凡士林，予以保护。

⑦电桥应贮放在环境温度5～45℃，相对湿度小于30%的条件下，室内空气中不应含有能腐蚀仪器的气体和有害杂质。

⑧仪器应保持清洁，并避免直接曝晒和剧烈震动。

⑨仪器在使用中，如发现检流计灵敏度显著下降，可能因电池寿命完毕引起，应更换新的电池。

(4)QJ－44型直流双臂电桥的常见故障与维修方法。

故障现象一: 调节调零电位器检流计有偏转，接入被测物，调节滑线和步盘检流计均无偏转，无法读数。

故障分析:

①QJ－44电桥内附工作电源是有底盒接入6节1．5V1号工作电池提供，因长期使用，电池已无电势，电桥无工作电流，故无法正常工作。

故障排除方法: 更换新电池。

②工作电池接触不良或QJ－44电桥因长期不使用时未能及时将底盒内电池取出，电池渗液腐蚀了底盒电池引线处，使得引线处虚焊或脱焊，线路中无工作电源。

故障排除方法: 排除接触不良故障，将电池引线处重新焊接好。

③QJ－44电桥内部电阻元件出现断路现象。

故障排除方法: 用万用表检查电阻元件及线路，并将损坏的电阻元件更换或将断开的线路焊接好。

故障现象二: 测量被测物时，检流计有时偏转能读出数据，有时又无反应。

故障分析: 由于电桥长期使用，线路焊点部位被氧化形成虚焊，使得线路接触不良。

故障排除方法: 用万用表沿着线路逐步仔细排查，找出虚焊部位，重新焊结实。

故障现象三: 检流计指针卡针。

故障分析: 许多QJ－44电桥因现场操作环境或存放环境恶劣，操作人员又不注意，让许多铁屑等脏物进入检流计表头并吸附在固定磁钢处妨碍动圈偏转，出现卡针现象。

故障排除方法: 通常在有新检流计配件时可重新更换检流计。

若无配件，则需要清理表头铁屑。通常清理铁屑的方法是将表头拆卸下来，取出导磁环，再将磁钢上的铁屑等脏物清理干净。但是由于检流计属于磁电系仪表，取出导磁环，清理铁屑等脏物同时也会造成退磁，降低了检流计的灵敏度，需要对表头进行充磁。

故障现象四: 接通电源后检流计指针出现往一边严重冲击的现象，调节调零电位器，检流计出现冲击现象均无改变。

故障分析: 内附晶体管指零仪放大板中电子元器件或芯片损坏，晶体管指零仪放大板无法正常工作。

故障排除方法: 更换晶体管指零仪放大板。

故障现象五: 接通电源后，将调零电位器旋转到最大与最小位置时，检流计指针只在零位只有两、三格摆动。

故障分析:

①电桥内附9V电池是提供晶体管指零仪的电源，因长期使用电势过低。

故障排除方法: 更换新的9V电池。

②调零电位器损坏。

故障排除方法: 更换调零电位器。

③检流计本身灵敏度过低。

故障排除方法: 更换或修好检流计。

故障现象六: 检定滑线盘示值误差时出现故障。

故障分析:

滑线盘电刷尾部羊毛毡破损使得尾部铜片在刻度线处与滑线电阻相碰，桥路发生变化。

故障排除方法: 更换羊毛毡并调整电刷尾部与滑线电阻间隔距离。

3．万用电桥简介

1)万用电桥结构及面板说明

具备测量R、L、C功能的电桥，通称为万用电桥。万用电桥主要由桥体、交流电源(1 k Hz晶体管振荡器)和晶体管检流计(指零仪)三部分组成，如图5－10所示。桥体是电桥的核心部分，由标准电阻、标准电容和转换开关组成。通过转换开关的切换，电桥构成不同形式的电路对R、L、C进行测量。

图5－10 万用电桥结构

QS18A型万用电桥主要技术指标如下:

(1)电容测量: 1．0p F～1100μF分八挡。

(2)电感测量: 1．0μH～110H分八挡。

(3)电阻测量: 10mΩ～11MΩ分八挡。

QS18A型万用电桥面板布局如图5－11所示。

图5－11 QS18A型万用电桥面板图

QS18A型万用电桥面板说明如表5－1所示。

表5－1 QS18A型万用电桥面板说明

(1)测量电阻。估计被测电阻的大小，将“量程”开关置于适当的位置。如被测电阻在10 Ω以内，“量程”开关应置于“1Ω”或“10Ω”位置，“测量选择”开关应置于“R≤10Ω”位置，否则，上述两开关应分别置于“100Ω～10MΩ”之间及“R＞10Ω”位置。调节“读数”旋钮，使电桥达到平衡，此时被测电阻为

Rx=“量程”开关指示值ד读数”指示值

(2)测量电容。估计被测电容的大小，将“量程”开关置于适当的位置(例如，测470p F的电容时置于“1000p F”位置); 将“测量选择”开关置于“C”，损耗倍率开关置于“D×0．01”(测一般电容)或“D×0．1”(测电解电容)的位置; 反复调节“读数”和“损耗平衡”旋钮，使电表指零。在调节过程中，应逐渐增大“灵敏度”，使电桥达到平衡，此时被测电容量和损耗因数分别为:

Cx=“量程”开关指示值ד读数”指示值

Dx=损耗倍率指示值ד损耗平衡”指示值

(3)测量电感。估计被测电感的大小，将“量程”开关置于适当的位置; 将“测量选择”开关置于“L”，损耗倍率开关置于适当的位置(测空芯线圈放在“Q×1”量程，此时Q=1/D);反复调节“读数”和“损耗平衡”旋钮，使电桥达到平衡，此时被测电感量和品质因数分别为:

Lx=“量程”开关指示值ד读数”指示值

Qx=损耗倍率指示值ד损耗平衡”指示值

2)使用方法

接通电源，预热10min后，进行清零调节。

清零的目的是在被测元件测量之前，将测试电缆或测试夹具上的杂散电抗和引线电阻等参数测量出来，并将其存储在仪器中，在测量被测元件参数时，自动扣除上述参数，以提高仪器测量精度。清零分短路清“0”和开路清“0”。清零步骤如下:

(1) 按一下“清零”键，仪器显示器 A(A DISPLAY) 显示“CLEAR”，显示器 B (BDISPLAY)显示“SH”。

(2)使用随机配置的专用短路片或低阻导线将测试端HD(电压激励高端)、HS(电压取样高端)、LD(电压激励低端)、LS(电压取样低端)可靠短路。

(3)再按一下“清零”键，仪器短路清“0”，然后A显示“CLEAR”，B显示“OP”。

(4)将仪器测试端开路。

(5)再按一下“清零”键，仪器开路清“0”后退出清“0”状态。

3)使用注意事项

(1)应根据元件不同的工作频率选择频率源。

(2)选用测试电缆时，应将HD与HS短接，LD与LS短接，触点清洁、可靠。对具有屏蔽外壳的被测元件，应把屏蔽层一仪器接地“┻”相连。

(3)测试大容量电容器之前，应将电容充分放电。

(4)合理选择“方式”，低阻抗元件宜选用串联方式，高阻抗元件宜选用并联方式。

(5)被测元件及连接导线应远离强电磁场，以免对测量产生干扰。