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Chapter10 数据采集系统 信号的测量与调理 1 主要内容 测量系统简介电量的测量非电量的测量测量调理电路 2 10 1概述 10 1 1测量系统简介 半导体基本知识 变送器 传感器 直接感受被测物理量 并将其转换成与被测物理量有一定函数关系的电压 电流等物理量 变送器 把传感器的输出参数变化转换成标准的电信号 显示仪表和微机采集系统 3 信号的传输方式 电流传输 优点 1 输出电流的大小与负载电阻无关 所以传送导线的电阻不会造成误差 且抗干扰能力强 2 可以同时串接几个测量仪表 而不会影响测量精度 3 能够实现传送线的断线自检 4 10 2电量的检测 10 2 1高电压与大电流检测 一 使用的传感器 电压互感器 电流互感器 5 二 互感器的正确选择和使用 选择 1 按被测量线路的电压高低 电流大小选择合适的电压或电流互感器 以确保操作人员和仪表的安全 2 一般选用互感器的准确度等级比测量仪表的准确度高两倍 如0 5级仪表须选用0 1级互感器 3 根据需要接入互感器的负载 包括测量仪表及连接导线 大小及性质 选择合适的额定容量的互感器 如额定容量S为5伏安的电流互感器 在次级额定电流I2N 5A和功率因数cos l时 次级所能接入的最大负载阻抗 Z S I22N 0 2 6 使用 1 电压互感器的次级线圈不许短路 电流互感器的次级线圈不许开路 2 互感器的次级线圈 铁心及外壳都要可靠接地 以确保人身和设备安全 3 除特殊设计的可逆互感器外 一般互感器不许反方向使用 即不能将初级与次级互换 4 仪表接入互感器后 应将电压表读数乘以变压比 电流表读数乘以变流比才是所测高电压和大电流的数值 7 三 电压变送器和电流变送器 隔离型变送器分类 按隔离方式划分 电磁隔离型 线性光电隔离型和霍尔效应型 按信号类型划分 交流变送器 交直流通用变送器 按接线方式 穿心式和接线式 输出信号 输出电压1 5v 输出电流4 20mA 8 10 2 2三相交流电路功率的检测 1 功率的检测 在高电压 大电流的系统中 一般并不单测功率 而是同时测量三相电压和三相电流 所以功率表不需要单独的互感器 而是和电压表 电流表共用电压和电流互感器 一般电压互感器的次级满量程电压为100V 电流互感器的次级满量程电流为5A 功率因数最大为1 所以 功率变送器所测功率再乘以电压互感器的变压比Ku和电流互感器的变流比Ki 就是负载的实际有功功率 9 2 智能电量变送器 智能电量变送器将电压 电流 功率变送器的接线及功能集于一身 采用高性能微控制器 MCU 综合运用数字信号处理 DSP 技术 数据通信技术 自动控制技术 高速数据采集技术 集成技术 贴片安装工艺等一系列先进技术和工艺 通过对三相电压和三相电流进行高速采样 数据处理和实时计算 可以得到各种交 直流电量参数 并通过RS 485总线传送到计算机 智能电量变送器尤其适用于电压 电流波形畸变的电量检测 10 10 2 3频率的检测 1 数字式频率计的工作原理 设在时间T内计数器累计的脉冲数为N 则频率为 误差 当T 1s时 若计数N 100000 则fx 100000Hz 显示100 000kHz 若T 0 1s 则计数值必减少为N 10000 则显示100 00kHz 11 2 数字式频率计的测周期原理 若将被测信号作为门控信号 去计量在门控时间内标准频率信号的个数 则可以测量被测信号的周期 12 10 3非电量的检测 10 3 1温度的检测 一 热电偶温度传感器 1 热电效应 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起 组合成一个闭合回路 当两接点温度不等 T T0 时 回路中就会产生电动势 从而形成电流 这一现象称为热电效应 该电动势称为热电动势 2 中间导体定则 在热电偶回路中 可以接入连接导线 测试仪表 如毫伏表 变送器 等 只要保证这些中间导体各自两端的温度相同 则对热电偶的热电势没有影响 13 3 计算修正法 将多支热电偶的冷端集中在一起 用其它方式 如热电阻 测知其冷端温度 再由每支热电偶的热电势通过查表和计算得出其热端温度 例如 用镍铬 镍硅热电偶测某介质的温度 测得热电势为33 29mV 冷端温度30 由分度表查得30 时的热电势为1 20mV 故冷端温度为0 时的热电势应为33 29 1 20 34 49mV 再据此电势查分度表得温度为829 6 此值即为真实温度值 4 补偿导线的使用 14 二 热电阻温度传感器 常用的热电阻 铂电阻和铜电阻 测量范围 中低温接线方式 二线制 三线制 当电桥平衡时 二线制接法 15 三线制接法 若使R2 R3 Rt R1 说明此种接法导线电阻Rr对热电阻的测量无影响 16 10 3 2压力的检测 绝对压力 从完全真空的零压力起算所测得的压力 表压力 以大气压作为零压力起算所测得的压力 差压 两个压力之间的差值 一 电容式压力传感器 1 测量原理 原理 将压力的变化转换为电容量的变化 主要采用变间隙和变面积两种方法 17 18 2 测量电路 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 19 二 应变片式压力传感器金属导体应变片和半导体应变片 金属电阻应变片 测量应变的原理是基于其应变效应 即导体或半导体材料在外界作用下 如压力等 产生机械变形时 其阻值将发生相应的变化 半导体应变片 工作原理是基于压阻效应 即单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时 其电阻率 发生变化 半导体应变片式压力传感器又称为压阻式压力传感器或硅传感器 它在小量程时有很高的精度 灵敏度高 但温度系数大 应变与电阻的关系曲线呈非线性 20 测量电路 二臂差动电桥 四臂差动电桥 21 10 3 2转速的检测 一 光电式测速传感器 例 光电式测速仪码盘槽缝数为1024 测得每1秒钟内有256个脉冲 试求所测转速n为多少 22 二 霍尔元件传感器 工作原理 23 10 3 4物位的测量 一 差压式液位仪表 密闭容器内的液位可由液位起点与液面上部气体的压力差测得 称为差压式液位仪表 24 二 超声波物位测量 25 10 4信号测量电路 10 4 1测量放大器 作用 由于传感器输出信号变化速度缓慢 变化范围小必须对其进行放大处理 要求 该放大电路必须具有很高的共摸抑制比 很高的输入阻抗和与下一级电路匹配的输出阻抗 26 典型的测量放大器电路结构 仪用放大器 双端差模信号输入 单端输出 由两个电压跟随器和一个减法电路构成 27 10 4 2程控测量放大器 28 10 4 3电压 电流变换电路 29 10 5滤波器 定义 滤波器是一种能使一定频率范围内的信号顺利通过 而使其它频率的信号受到较大衰减的电路 作用 主要用于滤除干扰信号 一般在微弱信号放大的同时附加滤波功能和信号采样前使用滤波器 低通滤波器 低频信号能通过而高频信号不能通过的滤波器 高通滤波器 高频信号能通过而低频信号不能通过的滤波器 带通滤波器 在某一个频率范围内的信号能通过而在此之外的信号均不能通过的滤波器 带阻滤波器 在某一个频率范围内的信号不能通过而在此之外的信号均能通过的滤波器 30 低通滤波器 带通滤波器 高通滤波器 带阻滤波器 其中 满足狄里赫利条件的任意函数f t 的傅立叶变换 任意函数信号可以看成多个频率为的整数倍的正弦和余弦信号的叠加 31 例如 方波信号的傅立叶