测量和数据采集系统

1、电工电子学电工电子学下页下页上页上页 1 7.1 7.1 电量测量电量测量 7.2 7.2 非电量电测法和数据采集系统的组成非电量电测法和数据采集系统的组成 7.3 7.3 传感器传感器 7.4 7.4 有源滤波和测量放大电路有源滤波和测量放大电路 7.5 7.5 模拟开关和取样模拟开关和取样保持电路保持电路 7.6 7.6 数数模（模（D/AD/A）转换器）转换器 7.7 7.7 模模数（数（A/DA/D）转换器）转换器 8.7 8.7 非电量测量系统举例非电量测量系统举例 主要内容主要内容 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 2 主要内容主要内容 7.1.17.1.1 常用电工测量仪表的

2、分类常用电工测量仪表的分类 7.1.27.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 7.1.3 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 3 电工测量仪表按测量方法分为：电工测量仪表按测量方法分为：直读式直读式和和比较式比较式 7.1.1 常用电工测量仪表的分类常用电工测量仪表的分类 直读式：直读式：它能直接指示被测量的大小。它能直接指示被测量的大小。 l模拟式：模拟式：用指针在刻度盘上指示出被测量的数用指针在刻度盘上指示出被测量的数 值，指示值可随被测量的改变而值，指示值可随被测量的改变而连续连续地变化。地变化。 l数

3、字式：数字式：将被测模拟量先转换为数字量，用将被测模拟量先转换为数字量，用离散离散的数的数 字来显示被测量的大小，可消除人为的字来显示被测量的大小，可消除人为的读数误差读数误差。 l 直读式仪表按被测量的不同分为：直读式仪表按被测量的不同分为：电流表、电压表、功率表、电流表、电压表、功率表、 瓦时计（电能表）、频率计、电阻表、功率因数表等。瓦时计（电能表）、频率计、电阻表、功率因数表等。 l 按工作原理不同可分为：按工作原理不同可分为：磁电式、电磁式、电动式等。磁电式、电磁式、电动式等。 l 按电流种类分为：按电流种类分为：直流表、交流表、交直流两用表。直流表、交流表、交直流两用表。 按显示方

4、式分为按显示方式分为模拟式模拟式和和数字式数字式。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 4 电工测量仪表按测量方法分为：电工测量仪表按测量方法分为：直读式直读式和和比较式比较式 7.1.1 常用电工测量仪表的分类常用电工测量仪表的分类 常用的比较仪表有：常用的比较仪表有： 直流电桥、直流电位差计、交流电桥等。直流电桥、直流电位差计、交流电桥等。 比较式仪表：比较式仪表：将被测量和已知的标准量进行比较，将被测量和已知的标准量进行比较， 从而确定被测量的数值。从而确定被测量的数值。 特点是：特点是：测量准确，但价格较贵，使用较繁。测量准确，但价格较贵，使用较繁。 电工电子学电工电子学下页下页上页

5、上页 5 电工测量仪表上的符号及意义电工测量仪表上的符号及意义 7.1.1 常用电工测量仪表的分类常用电工测量仪表的分类 符符 号号意意 义义 直流仪表直流仪表 交流仪表交流仪表 交直仪表交直仪表 1.5准确度等级准确度等级1.5级级 绝缘强度试验电压为绝缘强度试验电压为2kV 或或 仪表直立放置仪表直立放置 或或 仪表水平放置仪表水平放置 工作环境等级工作环境等级:A温度温度0+40，相对湿度，相对湿度80%以下以下 B温度为温度为-20+50，相对湿度，相对湿度85%以下以下 C温度温度-40+60，相对湿度，相对湿度98%以下以下 22kV 或或 B C 电工电子学电工电子学下页下页上页

6、上页 6 7.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 1、误差：、误差：用于反映仪表的用于反映仪表的测量值测量值与被测量的与被测量的实际值实际值之间的差别。之间的差别。 附加误差：附加误差：因外界因素因外界因素不符合不符合仪表的仪表的规定工作条件规定工作条件引起的误差。引起的误差。 如环境温度与湿度、仪表安放位置、周围外磁场等不符合规定的要如环境温度与湿度、仪表安放位置、周围外磁场等不符合规定的要 求。（求。（由人为因素决定由人为因素决定） 2、误差分为：、误差分为：基本误差基本误差和和附加误差附加误差。 基本误差：基本误差：由仪表构造和制作上的由仪表构造和制作上的不完善不完善所引起

7、的误差。所引起的误差。 如磁场分布不理想、轴和轴承间的摩擦、弹簧变形、零件安装移如磁场分布不理想、轴和轴承间的摩擦、弹簧变形、零件安装移 位、标尺刻度不准确等。（位、标尺刻度不准确等。（由仪表本身决定由仪表本身决定） 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 7 7.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 绝对误差绝对误差A A：仪表的仪表的指示值指示值A Ax x与被测量与被测量实际值实际值A A0 0之间的差值。即之间的差值。即 3、误差的表示方法：、误差的表示方法：绝对误差绝对误差和和相对误差相对误差。 0 x AAA 相对误差：相对误差：绝对误差绝对误差A A与被测量的实际值与被

8、测量的实际值A A0 0的比值，通常用百分数的比值，通常用百分数 表示。即表示。即 0 100% A A 注意：注意：相对误差可以用来评价相对误差可以用来评价测量结果的准确程度测量结果的准确程度，但不能，但不能 反映反映仪表仪表的准确程度。的准确程度。 反映仪表的准确程度的量是：反映仪表的准确程度的量是：准确度等级（精度等级）准确度等级（精度等级） 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 8 7.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 100% m m m A A 4、准确度等级（精度等级）、准确度等级（精度等级） 最大相对额定误差：最大相对额定误差：在规定工作条件下进行测量时可能产生

9、的在规定工作条件下进行测量时可能产生的 最大绝对误差最大绝对误差A Am m与仪表的量程与仪表的量程( (满标值满标值)A)Am m之比的百分数。之比的百分数。 即即 仪表的准确度（精度等级）：仪表的准确度（精度等级）：将仪表的相对额定误差分成不将仪表的相对额定误差分成不 同的级别。同的级别。 我国直读式仪表的准确度分为七级：我国直读式仪表的准确度分为七级： 0.10.1、0.20.2、0.50.5、 1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0 精密测量或校验用精密测量或校验用 工程测量用工程测量用 最大相对额定误差最大相对额定误差又称为又称为最大引用误差最大引用误差 电工电子学电

10、工电子学下页下页上页上页 9 7.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 2 0 1.0% 10 100%5% 2 m A A 不同精度等级仪表的最大基本误差不同精度等级仪表的最大基本误差 例题例题7.1.1 7.1.1 若选用若选用1.01.0级量程为级量程为10A10A的电流表的电流表, ,分别测量分别测量2A2A和和8A8A的电的电 流流, ,求求两次测量的两次测量的最大相对误差最大相对误差. . 仪表的准确度等级仪表的准确度等级0.10.10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.05.0 基本误差基本误差% %0.10.10.20.20.50.51.0

11、1.01.51.52.52.55.05.0 解解: : 测量测量2A2A电流的最大相对误差电流的最大相对误差 测量测量8A8A电流的最大相对误差电流的最大相对误差 8 0 1.0% 10 100%1.25% 8 m A A 可见可见: :同一仪表，测量值较小时同一仪表，测量值较小时, ,相对误差大相对误差大; ;而测量值较大时而测量值较大时, ,相对误相对误 差小。因此，一般应使差小。因此，一般应使被测值超过仪表量程的一半被测值超过仪表量程的一半。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 10 7.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 =1.0%2002 mm AAV 例题例题 有一

12、量程为有一量程为200V,200V,精度为精度为1.01.0级的电压表级的电压表, ,试问：试问：( (1)1)该表测量该表测量 过程中过程中, ,产生的产生的最大绝对误差最大绝对误差是多少？是多少？(2)(2)若用它若用它测量测量50V50V的电压的电压, ,这时的这时的 最大相对误差最大相对误差是多少；是多少；(3)(3)若用同样量程的电压表测量若用同样量程的电压表测量100V100V的电压的电压, ,要求要求 测量相对误差不得大于测量相对误差不得大于1.5%1.5%，应选，应选精度等级为多少精度等级为多少的电压表？的电压表？ 解解: :(1)(1)该表的最大绝对误差该表的最大绝对误差 0

13、 2 100%100%4% 50 m A A (2)(2)测量测量50V50V电压时的最大相对误差电压时的最大相对误差 (3)(3)测测100V100V、相对误差不大于、相对误差不大于1.5%1.5%时时, ,最大绝对误差为最大绝对误差为: : 0 =1.5% 1001.5 m AAV 1.5 100%100%0.75% 200 m m A A 最大绝对误差为最大绝对误差为1.5V,1.5V,量程为量程为200V200V时时, ,仪表精度应为仪表精度应为: : 故应选精度等级为故应选精度等级为0.50.5、量程为、量程为200V200V的电压表。的电压表。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页

14、 11 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 一、一、 磁电式仪表结构及工作原理磁电式仪表结构及工作原理 结构：结构：结构如图，由永久磁铁、可动线圈、指针、结构如图，由永久磁铁、可动线圈、指针、 刻度盘等组成。刻度盘等组成。 特点特点: :灵敏度和准确度高、标尺刻度灵敏度和准确度高、标尺刻度 均匀；过载能力较弱。均匀；过载能力较弱。 用于用于测量直流电压测量直流电压和和直流电流直流电流 工作原理工作原理 结构图结构图 工作原理：工作原理：在永久磁铁产生的磁场中，当线圈中在永久磁铁产生的磁场中，当线圈中 有电流流过时，线圈的两边受到大小相等、方向相有电流流过时，线

15、圈的两边受到大小相等、方向相 反的电磁力反的电磁力F F，使线圈偏转，并带动指针偏转，其，使线圈偏转，并带动指针偏转，其 偏转角与该电流成正比偏转角与该电流成正比。 电流入电流入 电流出电流出 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 12 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 二、电磁式仪表结构及工作原理二、电磁式仪表结构及工作原理 工作原理：工作原理：当线圈中有电流时，产生的磁场当线圈中有电流时，产生的磁场 使两铁片磁化，两铁片磁化的极性相同，从而使两铁片磁化，两铁片磁化的极性相同，从而 相互推斥，使可动铁片受到斥力，带动仪表指相互推斥，使可动铁片受到斥力，带动

16、仪表指 针偏转。针偏转。 特点特点: :结构简单、具有较大的过载能力；当线圈中结构简单、具有较大的过载能力；当线圈中 电流为交流时，两铁片的极性同时改变，仍然产生电流为交流时，两铁片的极性同时改变，仍然产生 斥力，所以斥力，所以可测直流可测直流，也，也可测交流可测交流。 缺点：缺点：因偏转角与电流的平方成正比，所以因偏转角与电流的平方成正比，所以刻度刻度 不均匀不均匀；易受外界磁场影响，准确度不高。；易受外界磁场影响，准确度不高。 结构图结构图 结构：结构：结构如图，由固定线圈、固定铁片、可动结构如图，由固定线圈、固定铁片、可动 铁片、阻尼机构等组成。铁片、阻尼机构等组成。 电工电子学电工电子

17、学下页下页上页上页 13 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 三、电动式仪表结构及工作原理三、电动式仪表结构及工作原理 工作原理：工作原理：当固定线圈通有电流时，产生磁场，若可当固定线圈通有电流时，产生磁场，若可 动线圈中也通有电流时，可动线圈的两边受到大小相等、动线圈中也通有电流时，可动线圈的两边受到大小相等、 方向相反的电磁力方向相反的电磁力F F，使线圈偏转，并带动指针偏转，使线圈偏转，并带动指针偏转， 其其偏转角偏转角与与两个线圈电流的乘积成正比两个线圈电流的乘积成正比，当通过的是交，当通过的是交 流电时，偏转角还与两个电流的相位差有关。流电时，偏转角

18、还与两个电流的相位差有关。 特点特点: :准确度较高、但受外界磁场的影响较大。准确度较高、但受外界磁场的影响较大。 用于测量交直流电压、电流、功率用于测量交直流电压、电流、功率 结构图结构图 结构：结构：结构如图，由固定线圈、可动线圈、指针、结构如图，由固定线圈、可动线圈、指针、 显示盘等组成。显示盘等组成。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 14 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 1. 电流和电压的测量电流和电压的测量 直流直流电流和电压的测量常用电流和电压的测量常用磁电式仪表磁电式仪表 交流交流电流和电压的测量常用电流和电压的测量常用电磁式仪表电磁式

19、仪表 测量时应选择合适的测量时应选择合适的仪表仪表和和量程量程； 测量直流大电流（测量直流大电流（10103 3-10-104 4A A）时，选用）时，选用霍尔效应大电流测量仪表霍尔效应大电流测量仪表； 测量交流大电流时要用测量交流大电流时要用电流互感器电流互感器； 测量交流高电压时要用测量交流高电压时要用电压互感器电压互感器； 测量测量微电流和电压微电流和电压时常采用精密放大器将它们放大后再测量。时常采用精密放大器将它们放大后再测量。 测量电流时测量电流时，电流表应串联在电路中，电流表的内阻必须很小。，电流表应串联在电路中，电流表的内阻必须很小。 测量电路如图测量电路如图 测量电压时测量电压

20、时，电压表应和电路中所测部位相并联，电压表的内阻必，电压表应和电路中所测部位相并联，电压表的内阻必 须很大。测量电路如图须很大。测量电路如图 A A V V 注意：注意： 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 15 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 2. 功率的测量功率的测量功率测量分为：功率测量分为：间接测量法间接测量法和和直接测量法直接测量法 间接测量法：间接测量法：用电压表测电压为用电压表测电压为U U，用电流表测电流为，用电流表测电流为I I，用功率因，用功率因 数表测功率因数为数表测功率因数为coscos ，则，则 直接测量法：直接测量法：用功率表

21、测量；它是电动式仪表用功率表测量；它是电动式仪表, ,固定线圈用较粗的导固定线圈用较粗的导 线绕成线绕成, ,匝数少匝数少, ,与负载串联与负载串联, ,反映负载电流的大小反映负载电流的大小, ,称为称为电流线圈电流线圈；可动；可动 线圈用较细的导线绕成线圈用较细的导线绕成, ,匝数多匝数多, ,串联附加电阻后与负载并联串联附加电阻后与负载并联, ,反映电压的反映电压的 大小大小, ,称为称为电压线圈电压线圈。接线如图。接线如图 注意：注意：同名端，它们应接在电源同名端，它们应接在电源 的同一侧，若接反指针会反向偏转；的同一侧，若接反指针会反向偏转； R R为附加电阻。为附加电阻。 PUISU

22、IcosPUI直流时直流时交流时交流时 + + u u I I U U - - R R 负载负载 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 16 7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量电流、电压、功率和电能的测量 3. 电能的测量电能的测量 电能的测量：电能的测量：常用常用感应式感应式或或电子式电子式电度表测量电度表测量 感应式电度表：感应式电度表：基本原理是：把电压、电基本原理是：把电压、电 流、相位转变为流、相位转变为磁力矩磁力矩, ,推动铝制圆盘转动推动铝制圆盘转动, ,转转 矩与负载消耗功率矩与负载消耗功率UIcosUIcos 成正比；铝盘转动时成正比；铝盘转动时 受到永久磁铁的制动作用

23、受到永久磁铁的制动作用, ,制动力矩正比于铝盘制动力矩正比于铝盘 的转速；当的转速；当旋转力矩旋转力矩与与制动力矩制动力矩相平衡时相平衡时, ,铝盘铝盘 转速正比于负载功率转速正比于负载功率；铝转盘带动计数器计数；铝转盘带动计数器计数, , 计数器的指示值就是所消耗的电能。计数器的指示值就是所消耗的电能。 结构原理结构原理 特点：特点：结构简单直观，价廉可靠，停电时结构简单直观，价廉可靠，停电时 不丢失数据。但精度低，自身能耗大，防窃不丢失数据。但精度低，自身能耗大，防窃 电能力弱，且不易管理。电能力弱，且不易管理。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 17 7.1.3 电流、电压、功率和电

24、能的测量电流、电压、功率和电能的测量 3. 电能的测量电能的测量 电子式电度表：电子式电度表：运用运用模拟模拟或或数字电路数字电路得到得到电流电流和和电压相电压相 量的乘积量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。 测量由电子模块来完成，计算结果由软件实现。测量由电子模块来完成，计算结果由软件实现。 特点：特点：防窃电能力强防窃电能力强, ,计量精度高计量精度高, ,自身自身 功耗低功耗低, ,计量参数灵活性好计量参数灵活性好, ,可与计算机可与计算机 连网连网, ,实现远距离记录。实现远距离记录。 电度表有：电度表有： 单相电度表、三相电度表

25、。单相电度表、三相电度表。 电度表接线方法如图电度表接线方法如图 + + - - u u i i 接线端接线端 电流线圈电流线圈 电压线圈电压线圈 电源电源 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 18 主要内容主要内容 一、非电量的电测法一、非电量的电测法 二、数据采集系统的组成二、数据采集系统的组成 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 19 7.2.1 非电量的电测法非电量的电测法 非电量的电测法：非电量的电测法：把非电量（如温度、湿度、压力、速度等）通把非电量（如温度、湿度、压力、速度等）通 过传感器，将其变换成电量再进行测量。示意图过传感器，将其变换成电量再进行测量。示意图 非电量非电

26、量 信号信号 传感器传感器信号处理信号处理 模拟显示模拟显示 A/D转换转换 数字显示数字显示 计算机计算机 电压、电流电压、电流 频率等信号频率等信号 模数转换模数转换 电路电路 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 20 7.2.2 数据采集系统组成数据采集系统组成 数据采集系统组成示意图数据采集系统组成示意图（多输入、多参量系统）（多输入、多参量系统） 模拟模拟 信号信号1 1 传感器传感器1 A/D 转换转换 微机微机 系统系统 滤波滤波 放大放大1 S/H 1 模拟模拟 信号信号2 2 传感器传感器2 滤波滤波 放大放大2 S/H 2 模拟模拟 信号信号n n 传感器传感器n 滤波滤

27、波 放大放大n S/H n 取样取样保持（保持（S/HS/H） 控制控制 开关开关 选通控制选通控制 多路转多路转 换开关换开关 采样保持采样保持 电路电路 显示显示 记录记录 存储存储 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 21 主要内容主要内容 一、传感器概述一、传感器概述 二、湿度传感器二、湿度传感器 三、力传感器三、力传感器 四、热释电红外线传感器四、热释电红外线传感器 五、气体传感器五、气体传感器 六、霍尔传感器六、霍尔传感器 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 22 传感器的基本概念传感器的基本概念 传感器：传感器：以测量为目的，能够感受规定的被测量，并按一定规律转换以测量为目的

28、，能够感受规定的被测量，并按一定规律转换 成可用输出信号的成可用输出信号的器件器件或或装置装置。 传感器分类：传感器分类： 按被测对象的参数分：按被测对象的参数分：温度、湿度、压力、位移、流量、液位、力、温度、湿度、压力、位移、流量、液位、力、 力矩、速度、加速度、振动、位置等传感器。力矩、速度、加速度、振动、位置等传感器。 精度高、可靠性好、稳定性强、抗干扰能力强、线性好。精度高、可靠性好、稳定性强、抗干扰能力强、线性好。 按变换原理分：按变换原理分：电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、光栅式、电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、光栅式、 热电式、红外线、光纤、超声波、激光等传感器。

29、热电式、红外线、光纤、超声波、激光等传感器。 新型传感器：新型传感器：数字式传感器、非接触式传感器、仿生传感器。数字式传感器、非接触式传感器、仿生传感器。 测量对传感器的基本要求：测量对传感器的基本要求： 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 23 7.3.1 温度传感器温度传感器 常用的有：常用的有：热电阻、热电偶、集成温度传感器热电阻、热电偶、集成温度传感器 1.1.热电阻传感器热电阻传感器( (分为金属热电阻、半导体热电阻分为金属热电阻、半导体热电阻) ) 基本原理：基本原理：利用电阻阻值随温度变化而变化的原理来测量温度。利用电阻阻值随温度变化而变化的原理来测量温度。 铜电阻：测量范围铜

30、电阻：测量范围-50150-50150 （1 1）金属热电阻（铂电阻、铜电阻、镍电阻）金属热电阻（铂电阻、铜电阻、镍电阻） 2 0(1 ) T RRAtBt 其中其中: : 00 1() T RRtt R RT T为温度为为温度为t t时的电阻值；时的电阻值；R R0 0是温度为是温度为00时的电阻值；时的电阻值； A=3.9A=3.9410410-3 -3/ /；B=-5.8B=-5.81010-7 -7/() /()2 2 铂电阻：测量范围铂电阻：测量范围-200660-200660 阻值与温度之间关系：阻值与温度之间关系： 常用的铂电阻有：常用的铂电阻有：Pt100Pt100、Pt50P

31、t50、Pt10Pt10三种，三种，R R0 0分别为分别为100100、5050、1010 阻值与温度之间关系：阻值与温度之间关系： 常用的铂电阻有：常用的铂电阻有：Cu100Cu100、Cu50Cu50两种，两种，R R0 0分别为分别为100100、5050 3 4.25 10 / C 温度系数温度系数为为 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 24 7.3.1 温度传感器温度传感器 1.1.热电阻传感器热电阻传感器( (分为金属热电阻、半导体热电阻分为金属热电阻、半导体热电阻) ) 负温度系数（负温度系数（NTCNTC）：）： （2 2）半导体热电阻）半导体热电阻（热敏电阻，由单晶、多

32、晶半导体材料制作）（热敏电阻，由单晶、多晶半导体材料制作） 常用钛酸钡（常用钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3），锶（），锶（SrSr），锆（），锆（ZrZr）等材料制作。）等材料制作。 当温度升高时电阻值增大当温度升高时电阻值增大。 正温度系数（正温度系数（PTCPTC）：）： 半导体热电阻的特点：半导体热电阻的特点：对温度反映较敏感、体积小、响应快；电阻对温度反映较敏感、体积小、响应快；电阻 值随温度呈非线性变化，稳定性及互换性差，不能用于高温条件下。值随温度呈非线性变化，稳定性及互换性差，不能用于高温条件下。 常用锰常用锰(Mn)(Mn)，钴，钴(Co)(Co)，镍，镍(Ni)(Ni)，

33、铜，铜(Cu)(Cu)，铝，铝(AI)(AI)等金属的氧化物采等金属的氧化物采 用陶瓷工艺制成。用陶瓷工艺制成。当温升高时电阻值减小当温升高时电阻值减小。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 25 7.3.1 温度传感器温度传感器 2.2.热电阻传感器测量温度电路原理热电阻传感器测量温度电路原理 铂电阻两端电压铂电阻两端电压 铂电阻铂电阻 + + + + - - A A0 0 I IS S U UX X R RT T 放大放大 和和 显示显示 恒流源测恒流源测 量电路量电路 跟随器跟随器 XST UI R 原理：原理：当温度变化时，热敏电阻阻值随之变化，当温度变化时，热敏电阻阻值随之变化，U

34、 UX X与温度与温度 一一对应，经一一对应，经跟随器隔离跟随器隔离后再经放大，最后用显示器显示后再经放大，最后用显示器显示 出对应的温度。出对应的温度。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 26 7.3.2 力传感器力传感器 1.1.半导体应变片式力传感器结构半导体应变片式力传感器结构 半导体应变片结构图半导体应变片结构图 Rl k Rl 胶膜衬底胶膜衬底 硅条硅条 内引线内引线 焊接电极焊接电极 外引线外引线 2.2.应变效应应变效应 当电阻体的尺寸发生变化时，阻值随当电阻体的尺寸发生变化时，阻值随 之变化的现象称为之变化的现象称为应变效应应变效应。 3.3.应变片的灵敏系数应变片的灵敏

35、系数k k 设应变片的电阻长度为设应变片的电阻长度为l l，阻值为，阻值为R R，当长度改变，当长度改变l l时，电阻值时，电阻值 变化变化R R，则有，则有 k k称为应变片的灵敏系数，称为应变片的灵敏系数， 半导体应变片的灵敏系数在半导体应变片的灵敏系数在100150100150之间。之间。 / = / R R k ll 或或 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 27 7.3.2 力传感器力传感器 4.4.半导体应变片测力原理半导体应变片测力原理 应变片测力原理图应变片测力原理图 () 42 SSS RRRR UUUU RRRRRRR 支架支架 构件构件 将半导体应变片粘贴在被测构件的表

36、面，当构将半导体应变片粘贴在被测构件的表面，当构 件受力变形时，应变片同时变形，阻值发生变化，件受力变形时，应变片同时变形，阻值发生变化， 测出阻值就能反映力的大小。测出阻值就能反映力的大小。 原理：原理：在应变片未受力时在应变片未受力时, ,R R0,0,电桥平衡电桥平衡, ,输输 出电压出电压U U0 0。 当应变片受力时当应变片受力时, ,应变片将力的变化转换成电阻应变片将力的变化转换成电阻 的变化的变化, ,电桥将电阻的变化转换成电压的变化电桥将电阻的变化转换成电压的变化, ,通通 过放大显示电路显示出力的大小。过放大显示电路显示出力的大小。 实际中，实际中，RRRR，输出电压，输出电

37、压U U为：为： 应变片应变片 5.5.应变测量电路应变测量电路 F F R R R R R R R+R+R R R R1 1 U US S U U + + - - + +- - 放大放大 显示显示 4 S UR U R R R为固定电阻为固定电阻 R R1 1为应变片电阻为应变片电阻 输出电压输出电压U U为：为： 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 28 7.3.3 热释电红外线传感器热释电红外线传感器 1.1.热释电红外线传感器热释电红外线传感器(PIR)(PIR) 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 结构：结构：由传感探测元件、干涉滤光片、场效晶体由传感探测元件、干涉滤光片、场效晶体 管三部分组成

38、。管三部分组成。 R RG G E E S S U UDD DD D D + + - - + + - - PIRPIR + + - - G G 信号处信号处 理电路理电路 滤光片滤光片 双探测元件双探测元件 探测元件：探测元件：由高热电系数的铁钛酸由高热电系数的铁钛酸 铅汞陶瓷或钽酸锂、硫酸三甘铁等晶铅汞陶瓷或钽酸锂、硫酸三甘铁等晶 体制作。体制作。 热释电效应：热释电效应：即其受热产生温度变即其受热产生温度变 化时，其原子排列发生变化，晶体自化时，其原子排列发生变化，晶体自 然极化，在其然极化，在其表面产生电荷表面产生电荷。 PIRPIR工作原理：工作原理：探测元件受热后表面产生电荷，该电荷

39、由场效晶体管探测元件受热后表面产生电荷，该电荷由场效晶体管 构成的构成的源极跟随器源极跟随器放大，由源极输出信号。放大，由源极输出信号。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 29 7.3.3 热释电红外线传感器热释电红外线传感器 2.PIR2.PIR的应用的应用 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 由由PIRPIR构成的报警系统结构图构成的报警系统结构图 PIRPIR l探测元件波长灵敏度在探测元件波长灵敏度在0.2200.220m m范围。范围。 l人体辐射的红外线中心波长为人体辐射的红外线中心波长为910910m m范围。范围。 l用于人体红外探测时，选择通过光的波长范围为用于人体红外探测时，选择通过

40、光的波长范围为710710m m的滤光片。的滤光片。 l利用菲涅尔透镜，将热释的红外线信号聚焦到利用菲涅尔透镜，将热释的红外线信号聚焦到PIRPIR上，提高灵敏度。上，提高灵敏度。 l用红外线热释电处理芯片用红外线热释电处理芯片( (如如BISS0001)BISS0001)进行信号处理，电路简单可靠。进行信号处理，电路简单可靠。 光学系统光学系统 ( (菲涅尔透镜菲涅尔透镜) ) 待测待测 目标目标 热释电红外热释电红外 线传感器线传感器 信号信号 处理处理 报警报警 电路电路 说明说明: : 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 30 7.3.3 热释电红外线传感器热释电红外线传感器 3.3

41、.热释电红外线传感器应用电路热释电红外线传感器应用电路 红外自动干手机红外自动干手机 红外感应探头红外感应探头 光电耦合器（开关）光电耦合器（开关） 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 31 7.3.3 热释电红外线传感器热释电红外线传感器 SIB0001SIB0001内部电路内部电路 4.4.红外线热释电处理芯片红外线热释电处理芯片BISS0001BISS0001 引引 脚脚 名称名称I/O功能说明功能说明 1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时， 允许重复触发；反之，不可重复触发 2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输 出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。

42、在输出 延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电 平状态。 3RR1-输出延迟时间Tx的调节端 4RC1-输出延迟时间Tx的调节端 5RC2-触发封锁时间Ti的调节端 6RR2-触发封锁时间Ti的调节端 7VSS-工作电源负端 8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时 可使定时器复位 9VCI触发禁止端。当VcVR时允 许触发(VR0.2VDD) 10IB-运算放大器偏置电流设置端 11VDD-工作电源正端 122OUTO第二级运算放大器的输出端 132IN-I第二级运算放大器的反相输入端 141IN+I第一级运算放大器的同相输入端 151IN-I第一级运算放大器的反

43、相输入端 161OUTO第一级运算放大器的输出端 BISS0001BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接配以热释电红外传感器和少量外接 元器件构成被动式的热释电红外开关。它能元器件构成被动式的热释电红外开关。它能 自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、 自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装 置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及 家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全 区域的自动灯光、照明和报警系统区域的自动灯光、照明和报警系统

44、电工电子学电工电子学下页下页上页上页 32 7.3.3 热释电红外线传感器热释电红外线传感器 图中图中R R6 6可以调节可以调节放大器增放大器增 益的大小益的大小，可以提高电路增益，可以提高电路增益 改善电路性能。改善电路性能。 5.5.红外线热释电处理芯片红外线热释电处理芯片BISS001BISS001应用电路应用电路 图中图中, ,R R3 3为为光敏电阻光敏电阻, ,检测环境照度。当作为照明控制时检测环境照度。当作为照明控制时, ,若环境较明亮若环境较明亮, ,R R3 3 的电阻值会降低的电阻值会降低, ,使使9 9脚的输入保持为低电平脚的输入保持为低电平, ,从而封锁触发信号从而封

45、锁触发信号V Vs s。 SWSW1 1是工作是工作方式选择开关方式选择开关, ,当当SWSW1 1与与1 1( (上上) )端连通时端连通时, ,芯片处于芯片处于可重复触发可重复触发工工 作方式；当作方式；当SWSW1 1与与2 2( (下下) )端连通时端连通时, ,芯片则处于芯片则处于不可重复触发不可重复触发工作方式。工作方式。 输出延迟时间输出延迟时间T Tx x由外部的由外部的R R9 9 和和C C7 7的大小调整，触发封锁时的大小调整，触发封锁时 间间T Ti i由外部的由外部的R R10 10和 和C C6 6的大小调的大小调 整，整，R R9 9/R/R10 10可以用 可以

46、用470470欧姆，欧姆， C C6 6/C/C7 7可以选可以选0.10.1F F。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 33 7.3.4 气体传感器气体传感器 1.1.主要用途：主要用途：检测气体类别、浓度、成份，常用检测气体类别、浓度、成份，常用 于环境监测、安全预警系统中。于环境监测、安全预警系统中。 2.2.分类：分类：按气敏材料及特性分为：半导体式、固按气敏材料及特性分为：半导体式、固 体电解式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。体电解式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。 3.3.半导体气敏传感器：半导体气敏传感器：是利用气体在半导体表面的是利用气体在半导体表面的氧化氧化和和还

47、原还原反应，反应， 导致敏感元件导致敏感元件阻值变化阻值变化而制成。而制成。 半导体气敏电阻在常温下吸附气体，电导率变化不大，所以，气敏半导体气敏电阻在常温下吸附气体，电导率变化不大，所以，气敏 元件使用时元件使用时要加热要加热。加热方式有加热方式有直热式直热式和和旁热式旁热式两种两种。 有：有：氧化锡氧化锡(SnO(SnO2 2) )、氧化锌、氧化锌(ZnO(ZnO2 2) ) 、三氧化铁、三氧化铁(Fe(Fe2 2O O3 3) )等。等。 它们对可燃气体（甲烷、液化石油气、煤气等）、有毒气体（一氧化它们对可燃气体（甲烷、液化石油气、煤气等）、有毒气体（一氧化 碳、硫化氢、氨气等）、环境气

48、体（氧气、二氧化碳、水蒸汽等）、酒碳、硫化氢、氨气等）、环境气体（氧气、二氧化碳、水蒸汽等）、酒 精、烟气均有气敏效应。精、烟气均有气敏效应。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 34 7.3.4 气体传感器气体传感器 4.4.旁热式气敏器件结构及工作原理：旁热式气敏器件结构及工作原理：如图如图 1(2)1(2)端和端和3(4)3(4)端为测量电极；端为测量电极； 5 5、6 6端为加热丝；端为加热丝； 当气体浓度增加时，气敏元件当气体浓度增加时，气敏元件 阻值减小，根据阻值的不同，可阻值减小，根据阻值的不同，可 得到气体浓度的高低。得到气体浓度的高低。 l旁热式消耗功率小，性能稳定，安全可

49、靠，应用广泛。旁热式消耗功率小，性能稳定，安全可靠，应用广泛。 l气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐 类催化剂，可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。类催化剂，可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。 特点：特点： 工作原理：工作原理： 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 35 7.3.4 气体传感器气体传感器 5.5.旁热式气敏器件应用：旁热式气敏器件应用： 家用可燃气体报警器电路家用可燃气体报警器电路 220V220V R R BZBZ 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

50、6 6 氖管氖管 蜂鸣器蜂鸣器 气体传感器气体传感器 MQ2MQ2广谱型气敏元件广谱型气敏元件,MQ3,MQ3型型( (酒精酒精),MQ4),MQ4型型( (天然气天然气),MQ5),MQ5型型( (煤气煤气),MQ),MQ 6 6型型( (液化气液化气),MQ7),MQ7型型 ( (一氧化碳一氧化碳),MQ8),MQ8型型( ( 氢氢 气气 ),MQ135),MQ135型型( (甲醛甲醛)3,MQ)3,MQ 214214型型( (烟雾两个引脚烟雾两个引脚),MQA137),MQA137氨气氨气,MQA138,MQA138甲醛甲醛,MGA811,MGA811二氧化碳固体电解质二氧化碳固体电解质

51、 式式,MC110(,MC110(用于煤气报警器用于煤气报警器),MC112(),MC112(适用于固定式甲烷适用于固定式甲烷),MC113),MC113用便携式瓦斯检测用便携式瓦斯检测 议议,ME202,ME202检测氧气检测氧气,ME3CO ,ME3CO 检测一氧化碳检测一氧化碳 ,ME3CO ,ME3CO 检测一氧化碳检测一氧化碳 工作原理：工作原理：随着可燃气体浓随着可燃气体浓 度增加，气敏元件阻值减小，度增加，气敏元件阻值减小， 当阻值减小到一定值时，蜂鸣当阻值减小到一定值时，蜂鸣 器工作发出报警信号。器工作发出报警信号。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 36 7.3.5 霍尔

52、传感器霍尔传感器 1.1.霍尔效应：霍尔效应： 在在半导体薄片半导体薄片两端通以电流两端通以电流I I，并在薄片的垂直方向，并在薄片的垂直方向 施加磁感应强度为施加磁感应强度为B B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场 的方向上，将产生电位差，此现象称为的方向上，将产生电位差，此现象称为霍尔效应霍尔效应。 I I d d B B E E + +- - KIB E d 式中：式中：I I为通过的电流，为通过的电流，B B为磁感应强度，为磁感应强度，d d为薄片厚度，为薄片厚度，K K为霍尔系数。为霍尔系数。 霍尔效应霍尔效应是美国物理学家霍尔是美国物理学家霍尔(A.H

53、.Hall,1855-1938)(A.H.Hall,1855-1938)于于18791879年在研年在研 究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导体等也有这种效应，究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导体等也有这种效应， 半导体的霍尔效应比金属强的多半导体的霍尔效应比金属强的多。 此电位差称为此电位差称为霍尔电势霍尔电势，大小为：，大小为： 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 37 7.3.5 霍尔传感器霍尔传感器 2.2.霍尔元件及器件：霍尔元件及器件： 霍尔元件是由半导体材料霍尔元件是由半导体材料锑化铟锑化铟或或硅的薄片硅的薄片制成。制成。 将霍尔元件、放大电路、温度补偿电路及

54、稳压电路集成将霍尔元件、放大电路、温度补偿电路及稳压电路集成 在一个芯片上，构成了霍尔器件。在一个芯片上，构成了霍尔器件。 它是一种集成电路，又是一种磁敏感传感器，如图。它是一种集成电路，又是一种磁敏感传感器，如图。 霍尔传感器的种类：霍尔传感器的种类：电流、电压、功率、位置、转速、转角、力、电流、电压、功率、位置、转速、转角、力、 力矩等传感器。用于测量各种模拟量，也有很多开关量传感器。力矩等传感器。用于测量各种模拟量，也有很多开关量传感器。 霍尔器件常用于：霍尔器件常用于：无刷直流电机、电动车助力传感器、汽车里程表、无刷直流电机、电动车助力传感器、汽车里程表、 转速表、点火器、热水器、电动

55、滑板车、电动缝纫机、电脑绣花机、空转速表、点火器、热水器、电动滑板车、电动缝纫机、电脑绣花机、空 调风机、空调轴流风扇、全自动麻将机、安全报警装置、测量设备、仪调风机、空调轴流风扇、全自动麻将机、安全报警装置、测量设备、仪 器仪表。器仪表。 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 38 7.3.5 霍尔传感器霍尔传感器 l适当选取电路参数，可直接读出电流的大小。适当选取电路参数，可直接读出电流的大小。 l主电路与测量显示电路相隔离，使用方便。主电路与测量显示电路相隔离，使用方便。 l既可测量直流，也可测量交流。既可测量直流，也可测量交流。 特点：特点： 3.3.霍尔器件应用：霍尔器件应用：电流测

56、量原理电流测量原理 V V 1 1 2 2 3 3 4 4 i ix x I I 通电导线通电导线 导线电流导线电流 产生的磁通产生的磁通 平行于导线的平行于导线的 霍尔片霍尔片 通过霍尔片的恒定电流通过霍尔片的恒定电流 由霍尔效应产生的由霍尔效应产生的 与与i ix x成比例的霍尔电势成比例的霍尔电势E E 被测电流被测电流 KIB E d 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 39 7.3.5 霍尔传感器霍尔传感器 A44EA44E 1 1 2 2 3 3 R R U UCC CC 计数器计数器 或或 频率计频率计 光电耦合器光电耦合器 3.3.霍尔器件应用：霍尔器件应用：测量转速原理测量

57、转速原理 旋转体旋转体 磁条磁条 集成霍尔集成霍尔 开关元件开关元件 +12V+12V 2k2k 1 2 31 2 3 集成霍尔开关集成霍尔开关 S S 引脚引脚1 1为电源端为电源端 引脚引脚2 2为地端为地端 引脚引脚3 3为输出端为输出端 A44EA44E 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 40 主要内容主要内容 7.4.1 7.4.1 有源滤波电路有源滤波电路 7.4.2 7.4.2 测量放大电路测量放大电路 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 41 7.4.1 有源滤波电路有源滤波电路 滤波电路：滤波电路： 允许某一频率范围内的信号顺利通过，抑制此频率允许某一频率范围内的信号顺

58、利通过，抑制此频率 范围以外的其它频率信号的电路，称为范围以外的其它频率信号的电路，称为滤波电路滤波电路。 （1 1）按）按通过通过或或抑制抑制的信号频率范围分为：的信号频率范围分为：低通低通、高通高通、 带宽带宽、带阻带阻滤波电路。滤波电路。 有源滤波电路特点：有源滤波电路特点：具有放大作用，通过运放使输入与负载具有放大作用，通过运放使输入与负载 隔离，带负载能力强。隔离，带负载能力强。 滤波电路的分类：滤波电路的分类： （2 2）按滤波元件性质分：）按滤波元件性质分：无源滤波电路无源滤波电路和和有源滤波电路有源滤波电路。 无源滤波电路由无源元件无源滤波电路由无源元件R R、L L、C C构

59、成；构成； 有源滤波电路由含有有源滤波电路由含有晶体管晶体管或或集成运放集成运放等有源元件构成。等有源元件构成。 |A|A| |A|A| |A|A| |A|A| f f f f f f f f 低通低通 高通高通 带宽带宽 带阻带阻 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 42 7.4.1 有源滤波电路有源滤波电路 一一. .低通有源滤波电路：低通有源滤波电路： 1.1.电路结构：电路结构：RCRC构成一阶滤波环节构成一阶滤波环节 - - + + A A0 0 + + u ui i u uo o R Rf f R R1 1 R R C C 2.2.输出与输入关系输出与输入关系 11 1 (1)(

60、1) 1 1 1 ii ff oi f c j RR UU C UUA RRjRC Rjj C 1 1 f f R A R 1 c RC 式中：式中： 3.3.电路的频率特性：电路的频率特性： 0U iU 即即 和和 之比称为电路的频率特性，为之比称为电路的频率特性，为 2 1 ()/arctan() 1 1() o f f c i c c A U HjA Uj 幅频特性：幅频特性： 相频特性：相频特性： 2 |()| 1() c Af H j ()arctan() c 为放大倍数为放大倍数 为特征为特征( (截止截止) )角频率角频率 电工电子学电工电子学下页下页上页上页 43 7.4.1