第六章电气检测技术ppt课件

1、第六章 电气丈量技术电气工程概论.电气工程概论 第六章电气丈量技术 引言 在丈量过程中往往会发生误差，这种误差是难以防止的，所以根据丈量精度，有精细丈量和工程丈量两类电气丈量。对误差要求不是很严厉，所以本章内容属于工程丈量范畴。 电气丈量方法的分类和常用的丈量单位见表6-1和表6-2。.电气工程概论 第六章电气丈量技术.电气工程概论 第六章电气丈量技术.第一节 电磁参数的丈量电气工程概论 第六章电气丈量技术. 电路参数是指电阻、电容和电感三种根本参数，也是描画网络和系统的重要参数。为了实现对其的准确丈量，目前普遍采用数字化丈量，对于电路参数的数字化丈量是经过把被测参数转化成直流电压ADC或频率

2、计数后进展丈量的。 常用的时钟基准有LC震荡电路、石英、GPS等。人们平常所用的钟表，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，但在要求很高的消费、科研中就需求更准确的计时工具。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 电磁参数的丈量.电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量 根据原子物理学的根本原理，原子是按照不同电子陈列顺序的能量差，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。这里电磁能量是不延续的。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延续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率

3、是一定的例如铯133的共振频率为每秒9 192 631 770周。因此铯原子便用作一种节拍器来坚持高度准确的时间。 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细的仪器进展控制，原子钟的计时就可以非常准确。如今用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以到达每100万年才误差1秒。.(一)电阻的丈量 电阻的丈量是指将电阻值转换成直流电压后进展丈量。目前主要采用恒流源的方法进展丈量，即将恒定的电流Is经过被测电阻Rx，测得Rx上的两端压降Ux，那么Rx=Ux/Is。根据其产生恒流源的方

4、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 电磁参数的丈量.1、比例运算器法图61 比例运算器法丈量原理图 比例运算放大器的原理如图61所示。图中UN为基准源，RN为规范电阻，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 电磁参数的丈量.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，因此适用于高阻的丈量，丈量精度可达0.1 图62 积分运算法丈量原理图 设脉冲的周期为Tc，N为脉冲的个数，那么开门时间T内的计数值为TNTc。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.二电容的丈量 传统的电容丈量方法有谐振法和

5、电桥法两种。随着数字化丈量技术的开展，在丈量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化丈量常采用恒流法。 用恒流法丈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，然后再将开关打向丈量端，这时恒流源I对电容C进展充电，经过时间T后，充电电荷Q=IT，此时电容两端电压U=Q/C，显然只需I和T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，停顿计数，这时显示的数据就是与电容值成正比的丈量结果。即 T=NTCP 电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.图64 用恒流法丈量电容的原理

6、图电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.三电感的丈量 运用交流电桥法虽然能较准确的丈量电感，但交流电桥的平衡过程复杂，而且经过丈量Q值确定电感的方法，误差较大。采用时间常数的数字化丈量方法丈量电感较简单适用。 普通电感含有线圈电阻R和寄生电容Co，通常Co很小，在工频情况下可以忽略。所以实践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，丈量电感的原理图如图65所示 电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.图65 时间常数法丈量电感的根本原理图a原理图 b电流变化曲线图电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量. 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

7、，在开场阶段变化的曲线和t=0时辰的切线根本重合。I与i交点的横坐标为T，从图中可知 只需先测出电感线圈的直流电阻，并知U便可计算出I，那么由测定的T即可求得，从而计算出L=R。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.二、 频率和相位的丈量一频率的丈量 在电子丈量技术中，频率是一个最根本的参数，而且频率丈量的精度曾经到达了10-13数量级，是目前物理量中能丈量的最准确的参数之一。因此，在检测技术中经常将一些非电量或其它电参量先转换成频率，然后加以丈量，以提高丈量精度。目前丈量频率的方法有电桥法、谐振法、差频法、电子计数法等，本节主要引见计数法的丈量原理。 计数法丈量频率就是按此定义设计的方案，其

8、丈量原理图如图66和波形图如图67所示。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.图66 计数法丈量频率原理图电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.图67 计数法丈量频率的各点波形图电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.从图中可以看出，它是由以下几部分组成：1输入通道 普通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翻开，使整形后的被测脉冲信号经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

9、示器上仍能显示被测频率的值。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.4任务原理 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干对被测频率fx的脉冲计数。控制门开启时间是由石英振荡器产生的规范脉冲经脉冲(周期为T0)分频器分频以后得到的。假设分频倍数为K倍，那么控制门开启时间为TD=KT0，在这一段时间内脉冲计数器进展计数，其值为N=TDfx 假设选TD1s，那么可把上式写为 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，对于自动丈量、遥远丈量均极为方便。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.二相位的丈

10、量 相位是交流信号的一个重要的参数，相位的数字化丈量运用类似频率计丈量时间的原理。利用相位-频率转换器丈量的原理如图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 电磁参数的丈量.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，所以必需经过两次丈量，并经过计算得到x。由于T=NTT0。所以电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.从上式中可以看出，该丈量方法的准确度直接受时标频率的影响。例如，精度要求为0.10。那么要求T0/T0.10/3600,f03600fx，即当被测信号频

11、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，必需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丈量带来较大的误差。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.三、电压的丈量从丈量的角度来讲，普通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。对于直流电压的丈量，相对来讲比较简单，因此，本节着重引见交流电压和脉冲电压的丈量。 一交流电压的丈量交流电压可用平均值、有效值、峰值来表征。1、交流电压平均值的丈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运用线性检波器。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

12、器的负反响特性抑制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 电磁参数的丈量.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 电磁参数的丈量. 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，运放处于深度负反响形状，检波器的输出电压Uo=0。当Ui.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 那么，Uo即为Ui的峰值。图611 根本峰值检波器电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.四、磁丈量磁丈量包含的范围很广，大致可以分为三个方面：

13、1对磁场和磁性资料的丈量；2分析物质的磁构造，察看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，经过丈量磁性来测出其它量。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量. 以下主要引见丈量磁场的冲击法和霍尔效应法。一冲击法 图614 冲击法丈量原理 (a)冲击原理图；(b)等效电路冲击法的丈量原理如图614所示。 电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.线圈中感应的电动势为此电动势将在丈量回路中引起脉冲电流i(t)，设丈量回路的总电阻为R，总自感为L，其等效回路如图6-14(b) 所示，那么有(6-4)为了找出磁通变化与经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

14、间进展积分，得式中t0为磁通变化的继续时间。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.由于磁通开场变化前和变化终了后，电路中电流都为零，即i(t0) i(0)0故得到(6-5)式中Q为经过冲击电流计的总电量。电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.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，在磁场中将遭到络仑磁力的作用，而使电子偏向薄片的x面，从而在x，y两个面构成一个电压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 电磁参数的丈量.图615 霍尔效应法电气工程概论 6.1 电磁参数的丈量.x,y两侧

15、面间的霍尔电压为 式中：RH霍尔系数，它与资料的性质有关； 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，那么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 电磁参数的丈量.作业P290T6-2、T6-5、T6-6.第二节 传感器技术 电气工程概论 第六章电气丈量技术.引言 传感器是一种可以感遭到规定的被丈量并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或安装，即是一种以一定的精度把被丈量转换为与之有确定对应关系的，便于运用的某种物理量的丈量安装。非电量丈量的关键技术就

16、是如何将非电量转换成电量的技术传感技术。 从运用的角度出发，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，本文引见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任务基长，b称为应变片的任务宽度。应变片的转换原理是金

17、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动的一种物理景象。 电气工程概论 6.2 传感器技术.图616 电阻应变片的外形 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丈量。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为两平行极板的间隔(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

18、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，电容式传感器的根本任务原理是经过改动电容器的参数r 、d、A或l中的任何一个，从而实现电容量C的改动。根据改动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丈量的电信号。气敏传感器具有丈量范围宽，精度高，灵敏度高，任务可靠，体积小，本钱低等一系列特点，它广泛的运用于工业、农业、国防、环保、医疗等各个领域中。半导体式气敏元件开展最为迅速，下面引见半导体式气

19、敏传感器。气敏传感器的构造见图618a。电气工程概论 6.2 传感器技术.图618 气敏电阻构造及原理图(a)构造图；(b)任务原理图1加热电极 2气敏资料 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 传感器技术其任务原理见图618b，通电后，元件被加热，阻值迅速下降，普通经210分钟后，阻值到达稳定形状，这一形状称为初始稳定形状。到达初始稳定形状时间的长短与环境条件有关。必需指出，运用元件时必需预热，待元件到达初始稳定形状时，才干开场丈量。. 当加热的气敏电阻外表接触并吸附被测气体时，被吸附的气体分子首先在外表分散而失去动能，此间部分气体分子被蒸发，剩余的气体分子被

20、离解而固定在吸附位置上。假设气敏元件资料的功率函数比被吸附气体分子的电子的亲和力小，那么被吸附的气体分子就从元件外表夺取电子，以阴离子方式被吸附。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领会使载流子的数目减少，从而表现为元件的阻值添加，如图6-18(b)中虚线所示。假设气敏元件的资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，而以阳离子方式被吸附。具有阳离子吸附特性的气体称为复原性气体如H2、CO等。复原性气体被吸附时，会以载流子的数目添加，表现出元件的阻值减小的特性，好像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

21、感器超声波传感器包含了超声波发生器和超声波接受安装。 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6-20a。 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.超声波接纳器是利用压电晶体的压电效应原理任务的，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，那么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一样的交变电荷，交变电荷的幅值与所施加的超声波强度成正比。经过丈量电路将交变的电荷转化为电压或电

22、流输出。 电气工程概论 6.2 传感器技术.电气工程概论 6.2 传感器技术五红外式传感器红外式传感器经过检测红外线特征的变化，并转换成各种便于丈量的物理量，可以丈量各种非电量。目前，将红外线转换成便于丈量的红外敏感元件可分为两类：红外热探测器和红外光电探测器。这些红外式传感器广泛地运用于热工量、机械量、成分量及开关量的检测。.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，其任务原理是将被测目的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丈量电

23、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。其任务原理为：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,那么当足够高时，晶体内部和外部的自在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景象，称为光电效应。光电效应普通分为外光电效应、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。

24、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一致的规范信号。变送器种类繁多，但按其运用场所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。下面引见几种常用的变送器。 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

25、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 高压实验安装及其丈量电气工程概论 第六章电气丈量技术.一、稳态高电压的丈量 稳态高电压，主要是指工频交流高电压和直流高电压，丈量高电压的难度在于丈量时往往有走漏的影响、电晕的影响，在交流电压下还有杂散

26、参数的影响。电压高达数兆伏时，难度更大。 在高压实验室中丈量交流高电压的方法很多，目前常用的有以下几种：1利用气体放电丈量交流高电压；2利用静电力丈量交流高电压；3采用电容分压器系统来丈量交流高电压。以上前两种均可用来直接丈量稳态高电压，即交流高电压和直流高电压。 各种丈量仪表的量程是有限制的，经常经过分压器来扩展仪表的量程，即让被测电压的大部分电压降降落在分压器的高压臂上，丈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 高压实验安装及其丈量.(一) 球隙丈量法球隙法主要用于交流电压、规范全波冲击电压(包括雷电波和操作波)和直流电压的丈量。因球隙放电是与电压峰值相关的，所以丈量的是电压的峰值。当铜球间隔与铜球直径之比大于0.5时，其放电电压数值的准确性较差。图625 球隙丈量法的接线图C0试品；G球隙电气工程概论 6.3 高压实验安装及其丈量.丈量球隙作为一种高电压丈量方法的优点是：1可以丈量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接丈量超高电压的独一设备；2构造简单!容易自制或购买!不易损坏；3有一定的准确度，普通以为丈量交流及冲击电压时的不确定度可在3%以内。但此丈量方法也有许多缺陷： 1丈量