电气检测技术.ppt

第六章电气测量技术,电气工程概论,电气工程概论第六章电气测量技术,引言在测量过程中往往会发生误差，这种误差是难以避免的，所以根据测量精度，有精密测量和工程测量两类电气测量。对误差要求不是很严格，所以本章内容属于工程测量范畴。电气测量方法的分类和常用的测量单位见表6-1和表6-2。,电气工程概论第六章电气测量技术,电气工程概论第六章电气测量技术,第一节电磁参数的测量,电气工程概论第六章电气测量技术,电路参数是指电阻、电容和电感三种基本参数，也是描述网络和系统的重要参数。为了实现对其的精确测量，目前普遍采用数字化测量，对于电路参数的数字化测量是通过把被测参数转化成直流电压（ADC）或频率（计数）后进行测量的。常用的时钟基准有LC震荡电路、石英、GPS等。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,电气工程概论6.1电磁参数的测量,根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。,原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。,(一)电阻的测量,电阻的测量是指将电阻值转换成直流电压后进行测量。目前主要采用恒流源的方法进行测量，即将恒定的电流Is通过被测电阻Rx，测得Rx上的两端压降Ux，则Rx=Ux/Is。根据其产生恒流源的方法的不同又分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,1、比例运算器法,图61比例运算器法测量原理图,比例运算放大器的原理如图61所示。图中UN为基准源，RN为标准电阻，RX为被测电阻，根据电路可知：,由此可得：,当Ad趋于无穷大时：,电气工程概论6.1电磁参数的测量,2、积分运算器法,积分运算器法的原理如图62所示。该方法采用积分法，因此适用于高阻的测量，测量精度可达0.1,图62积分运算法测量原理图,设脉冲的周期为Tc，N为脉冲的个数，则开门时间T内的计数值为TNTc。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）电容的测量,传统的电容测量方法有谐振法和电桥法两种。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法。,用恒流法测量电容的原理图和波形图如图64所示，当开关S打向复位端时，计数器和电容同时清零，然后再将开关打向测量端，这时恒流源I对电容C进行充电，经过时间T后，充电电荷Q=IT，此时电容两端电压U=Q/C，显然只要I和T已知，测出电压U，便可按C=IT/U计算出电容值，恒流源向C充电，同时时标脉冲Cp经与门进入计数器。当Uc值大于UR时，比较器输出零,电平，停止计数，这时显示的数据就是与电容值成正比的测量结果。即,T=NTCP,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图64用恒流法测量电容的原理图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（三）电感的测量,使用交流电桥法虽然能较准确的测量电感，但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法，误差较大。采用时间常数的数字化测量方法测量电感较简单实用。一般电感含有线圈电阻R和寄生电容Co，通常Co很小，在工频情况下可以忽略。所以实际电感可以视为一纯电感L和电阻R的串联，其时间常数=L/R，测量电感的原理图如图65所示,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图65时间常数法测量电感的基本原理图（a）原理图（b）电流变化曲线图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,在t=0时合上开关，电感中的电流i将按指数曲线上升，其最大值为I。从图中可看出，在开始阶段变化的曲线和t=0时刻的切线基本重合。I与i交点的横坐标为T，从图中可知,只要先测出电感线圈的直流电阻，并已知U便可计算出I，则由测定的T即可求得，从而计算出L=R。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,二、频率和相位的测量,（一）频率的测量,在电子测量技术中，频率是一个最基本的参数，而且频率测量的精度已经达到了10-13数量级，是目前物理量中能测量的最精确的参数之一。因此，在检测技术中常常将一些非电量或其它电参量先转换成频率，然后加以测量，以提高测量精度。目前测量频率的方法有电桥法、谐振法、差频法、电子计数法等，本节主要介绍计数法的测量原理。,计数法测量频率就是按此定义设计的方案，其测量原理图如图66和波形图如图67所示。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图66计数法测量频率原理图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图67计数法测量频率的各点波形图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,从图中可以看出，它是由以下几部分组成：（1）输入通道一般由通道放大电路和整形电路组成，整形后方波信号的幅度应与主闸门的逻辑输入开门信号相匹配。（2）时间基准电路通常采用石英晶体振荡器经整形和一系列的分频电路构成时间基准。（3）控制电路用来使主闸门在所选择的基准时间内打开，使整形后的被测脉冲信号通过并送往计数器计数，而显示器的小数点受时间基准选择电路同步控制，所以即使选用不同的时间基准，显示器上仍能显示被测频率的值。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（4）工作原理首先将被测频率fx其波形经整形放大后使它变为一组系列脉冲，可便于脉冲计数器计数。该计数器只在控制门开启时才能对被测频率fx的脉冲计数。控制门开启时间是由石英振荡器产生的标准脉冲经脉冲(周期为T0)分频器分频以后得到的。若分频倍数为K倍，则控制门开启时间为TD=KT0，在这一段时间内脉冲计数器进行计数，其值为N=TDfx如果选TD1s，则可把上式写为N=fx所计数值可由数码管直接显示出来。这种方法具有采样速度快，便于多路输入，对于自动测量、遥远测量均极为方便。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）相位的测量相位是交流信号的一个重要的参数，相位的数字化测量应用类似频率计测量时间的原理。利用相位-频率转换器测量的原理如图68所示。,图68相位频率转换式数字相位计原理图(a)原理图；(b)转换波形图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,由图可知，被测相位为：,式中，To时标脉冲的周期；Nx在Tx时间内计数值；T被测信号的周期。由于T也是未知量，所以必须经过两次测量，并经过计算得到x。因为T=NTT0。所以,电气工程概论6.1电磁参数的测量,从上式中可以看出，该测量方法的精确度直接受时标频率的影响。例如，精度要求为0.10。则要求T0/T0.10/3600,f03600fx，即当被测信号频率增大时，时标信号频率相应加大到3600倍。当输入信号为正弦波或三角波时，必须首先经过整形变为方波信号。转换时的门限电平的漂移会给测量带来较大的误差。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,三、电压的测量,从测量的角度来讲，一般根据被测电压的类型可以分为直流电压、交流电压和脉冲电压。对于直流电压的测量，相对来讲比较简单，因此，本节着重介绍交流电压和脉冲电压的测量。,（一）交流电压的测量交流电压可用平均值、有效值、峰值来表征。1、交流电压平均值的测量交流电压平均值的表达式为,全波,半波,平均值在电路上的实现通常使用线性检波器。为了获得转换精度高、线性度好、频率范围宽和动态过程短的检波效果，通常采用运算放大器的负反馈特性克服二极管检波的非线性，构成线性检波器，也称平均值检波器。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图69半波线性检波器(a)原理图；(b)线性检波特性图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图69所示电路为反相半波检波器，当输入信号Ui0时，运放的输出电压Ui0，二极管VD2导通，VD1截止，运放处于深度负反馈状态，检波器的输出电压Uo=0。当Ui0时，VD2截止，VD1导通，Uo=（R2/R1）Ui，即输出电压与输入电压成正比，实现了线性检波。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,2、交流电压有效值的测量,在实际应用中，交流电压的有效值比峰值、平均值更为常用。因为非正弦电压的有效值不能用峰值或平均值予以换算。交流电压u(t)的有效值Urms的数学表达式为：,其有效值的检波器的电路原理图如图610所示。A1、A2为差分放大器，A3为倒相器，A4为积分器，M为乘法器。由图可知,式中，KM的传输系数,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图610有效值检波器的原理图,电气工程概论6.1电磁参数的测量,将UM分解为傅里叶级数后的直流分量为,式中：为有效值的平方。,由于系统的负反馈作用，最终使得U02-Ui2=0,则U0=Ui，即输出U0就是输入Ui的有效值。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,3、交流电压的峰值的测量,对于交流电压或一些脉冲电压信号需要进行峰值的测量。当输入信号的波峰系数一定时，将信号的峰值保持一段时间，然后进行测量，该变换电路就称为峰值检波器或峰值保持器。因此波峰系数为：,对于纯交流电压的波峰系数为,常见的最基本的峰值检波器是由一个二极管和一个保持电容组成，如图611所示。慢放电：快充电：,电气工程概论6.1电磁参数的测量,式中，放电回路的时间常数充电回路的时间常数被测信号的最大周期被测信号的最小周期则，Uo即为Ui的峰值。,图611基本峰值检波器,电气工程概论6.1电磁参数的测量,四、磁测量,磁测量包含的范围很广，大致可以分为三个方面：（1）对磁场和磁性材料的测量；（2）分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种效应；（3）在边缘学科领域中，利用磁场与其他物理量的关系，通过测量磁性来测出其它量。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,以下主要介绍测量磁场的冲击法和霍尔效应法。（一）冲击法,图614冲击法测量原理(a)冲击原理图；(b)等效电路,冲击法的测量原理如图614所示。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,线圈中感应的电动势为,此电动势将在测量回路中引起脉冲电流i(t)，设测量回路的总电阻为R，总自感为L，其等效回路如图6-14(b)所示，则有,(6-4),为了找出磁通变化与通过冲击电流计电量之间的关系，我们将式(6-4)两边同时对时间进行积分，得,式中t0为磁通变化的持续时间。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,由于磁通开始变化前和变化结束后，电路中电流都为零，即i(t0)i(0)0故得到,(6-5),式中Q为通过冲击电流计的总电量。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,（二）霍尔效应法,将一块金属导体或半导体薄片放在磁场中，如图615所示，沿垂直于磁场的方向上通以电流I，这些运动着的电子，在磁场中将受到络仑磁力的作用，而使电子偏向薄片的x面，从而在x，y两个面形成一个电压UH,这个效应称为霍尔效应，电压UH称为霍尔电压。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,图615霍尔效应法,电气工程概论6.1电磁参数的测量,x,y两侧面间的霍尔电压为,式中：RH霍尔系数，它与材料的性质有关；d半导体薄片的厚度；b半导体薄片的宽度；,l半导体薄片的长度；霍尔元件中的电场强度E和磁感应强度B的关系，有其中，则可求出霍尔电压与磁感应强度的关系，有即测出了霍尔电压，就可以求出空间的磁感应强度B。,电气工程概论6.1电磁参数的测量,作业P290T6-2、T6-5、T6-6,第二节传感器技术,电气工程概论第六章电气测量技术,引言,传感器是一种能够感受到规定的被测量并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或装置，即是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。非电量测量的关键技术就是如何将非电量转换成电量的技术传感技术。从应用的角度出发，根据所转换的物理类型可分为：电参量、磁电式、压电式、光电式、热电式等。,电气工程概论6.2传感器技术,（一）电阻式传感器,电阻式传感器是指将有关非电量（如位移、压力、流量等）变换成与电阻阻值有关的电量传感器。它包括线性电位器传感器、非线性电位器传感器、电阻应变传感器、压力传感器和金属电阻传感器，本文介绍一种电阻应变传感器。,电阻应变式传感器是利用元件的电阻随着机械形变的大小而变化，其电阻应变片是用直径为0.025mm的具有高电阻率的金属电阻丝制成，如图616所示。图中，l为应变片的标距或称为工作基长，b称为应变片的工作宽度。应变片的转换原理是金属电阻的应变效应。所谓应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。,电气工程概论6.2传感器技术,图616电阻应变片的形状,电气工程概论6.2传感器技术,（二）电容式传感器,电容式传感器利用电容器的原理，将非电量（如压力、温度等）转化为电容量，从而实现非电量到电量的转化和测量。平板电容器和圆筒形电容器如图617所示。,图617两种常用电容器a)圆筒形电容器b)平板电容器,电气工程概论6.2传感器技术,平板电容器的电容为,式中C为电容量(F)；d为两平行极板的距离(m)；r为极板间介质的相对介电常数；0为真空介电常数；为极板间介质的介电常数；A为极板相互遮盖面积。,圆筒形电容器的电容为,式中C为电容量(F)；l为圆筒的长度(m)；R为外圆的半径(m)；r为内圆的半径(m)。,由此可见，电容式传感器的基本工作原理是通过改变电容器的参数r、d、A（或l）中的任何一个，从而实现电容量C的改变。根据改变的量的不同可以分为变间隙型、变面积型和变介电常数型。,电气工程概论6.2传感器技术,（三）气敏传感器,气敏传感器利用了气体的某些物理化学性质，将被测气体的某些特定成分转换成便于测量的电信号。气敏传感器具有测量范围宽，精度高，灵敏度高，工作可靠，体积小，成本低等一系列特点，它广泛的应用于工业、农业、国防、环保、医疗等各个领域中。半导体式气敏元件发展最为迅速，下面介绍半导体式气敏传感器。气敏传感器的结构见图618a。,电气工程概论6.2传感器技术,图618气敏电阻结构及原理图(a)结构图；(b)工作原理图1加热电极2气敏材料3信号引出电极,电气工程概论6.2传感器技术,电气工程概论6.2传感器技术,其工作原理见图618b，通电后，元件被加热，阻值迅速下降，一般经210分钟后，阻值达到稳定状态，这一状态称为初始稳定状态。到达初始稳定状态时间的长短与环境条件有关。必须指出，使用元件时必须预热，待元件达到初始稳定状态时，才能开始测量。,当加热的气敏电阻表面接触并吸附被测气体时，被吸附的气体分子首先在表面扩散而失去动能，此间部分气体分子被蒸发，剩余的气体分子被离解而固定在吸附位置上。若气敏元件材料的功率函数比被吸附气体分子的电子的亲和力小，则被吸附的气体分子就从元件表面夺取电子，以阴离子形式被吸附。具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性气体（如O2等）。气敏元件吸附的氧化性气体会使载流子的数目减少，从而表现为元件的阻值增加，如图6-18(b)中虚线所示。若气敏元件的材料的功率函数大于被吸附气体的离子化动能，被吸附气体的电子被元件俘获，而以阳离子形式被吸附。具有阳离子吸附特性的气体称为还原性气体（如H2、CO等）。还原性气体被吸附时，会以载流子的数目增加，表现出元件的阻值减小的特性，如同6-18(b)实线所示。,电气工程概论6.2传感器技术,（四）超声波式传感器,超声波传感器包含了超声波发生器和超声波接受装置。超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应，在电极上施加频率高于20kHz的交流电，压电晶体就会产生超声机械振动，从而发出超声波，如图6-20（a）。,图620超声波发生器和接受器原理图(a)超声波发生器原理图；(b)超声波接受器原理图,电气工程概论6.2传感器技术,超声波接收器是利用压电晶体的压电效应原理工作的，其原理图如图620b所示。在压电晶体的电轴或机械轴的两端面施加某一频率的超声波，则在压电晶体的电轴的两个端面出现频率与外加超声波频率相同的交变电荷，交变电荷的幅值与所施加的超声波强度成正比。通过测量电路将交变的电荷转化为电压或电流输出。,电气工程概论6.2传感器技术,电气工程概论6.2传感器技术,光电红外探测器根据采用的敏感元件的不同，可以分为光电导型红外探测器和光生伏特型红外探测器。光电导型红外探测器的原理图如图621所示，其工作原理是将被测目标辐射的红外光经光学系统聚焦和调制器调制成脉冲光投射在根据光电效应制成的红外光敏电阻上，红外光敏电阻的交变信号经测量电路、前置放大和选频放大，最后调制成直流信号放大输出。,热红外探测器是根据热释晶体的热释电效应制成的。其工作原理为：热释电晶体在调制角频率的红外光作用下，由于热释电效应，晶体的两端面产生角频率为的面束缚电荷qs,则当足够高时，晶体内部和外部的自由电荷来不及中和面束缚电荷qs，两端面有电荷的累积，见图622a。,电气工程概论6.2传感器技术,图621光导型红外探测器,电气工程概论6.2传感器技术,（六）光电式传感器,当光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象，称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应。利用这种光电效应制造的转换元件称为光电式传感器。目前对于光电元件信号的检测方法有以下几种：1）透射式2）反射式3）辐射式4）遮挡式5）开关式,电气工程概论6.2传感器技术,图623光电元件的信号监测方法a）透射式b)反射式c）辐射式d)遮挡式,电气工程概论6.2传感器技术,（七）变送器,变送器将各种物理量转换成统一的标准信号。变送器种类繁多，但按其应用场合可以分为电量变送器和非电量变送器两大类，常用的电量变送器有电压、电流、功率等，而常用的非电量变送器有温度、压力、流量等。下面介绍几种常用的变送器。,1、交流电流、电压变送器,将被测交流电流或交流电压变换为与其成线性比例的直流电流或直流电压。其原理框图如图624所示。,电气工程概论6.2传感器技术,图624交流电流、电压变送器原理框图,电气工程概论6.2传感器技术,被测交流信号经输出互感器耦合送入整流滤波电路，转换成单向脉动电流，经有源滤波输出一个非常稳定的直流。补偿电路用于小信号时互感器铁心磁化曲线的非线性影响和改善整机的温度特性。电流、电压变送器还有有效值变送器、峰值变送器，超低频电流、电压变送器等。,2、温度变送器,电气工程概论6.2传感器技术,3、压力变送器,第三节高压试验装置及其测量,电气工程概论第六章电气测量技术,一、稳态高电压的测量,稳态高电压，主要是指工频交流高电压和直流高电压，测量高电压的难度在于测量时往往有泄漏的影响、电晕的影响，在交流电压下还有杂散参数的影响。电压高达数兆伏时，难度更大。在高压实验室中测量交流高电压的方法很多，目前常用的有下列几种：1）利用气体放电测量交流高电压；2）利用静电力测量交流高电压；3）采用电容分压器系统来测量交流高电压。以上前两种均可用来直接测量稳态高电压，即交流高电压和直流高电压。各种测量仪表的量程是有限度的，常常通过分压器来扩大仪表的量程，即让被测电压的大部分电压降降落在分压器的高压臂上，测量仪表测得的仅是低压臂上的电压降，再乘上分压比即可得被测电压。,电气工程概论6.3高压实验装置及其测量,(一)球隙测量法,球隙法主要用于交流电压、标准全波冲击电压(包括雷电波和操作波)和直流电压的测量。因球隙放电是与电压峰值相关的，所以测量的是电压的峰值。当铜球距离与铜球直径之比大于0.5时，其放