电工量计及检测技术+第六章

1、第六章 检测技术,1. 检测电路中常用元器件基础,1.1 电阻（R）电容(C)电感(L)及其在检测电路中的应用,电 阻,（1）类 型, 按阻值 固定电阻、 可变电阻, 按材料, 按用途 高压电阻、无感电阻、功率电阻、光敏电阻,碳膜电阻: 价格便宜, 精度低（5% 20% ）, 适用温度低（40）,金属膜电阻: 价格适中, 精度一般（5% 10% ） 适用温度较高（70）,金属氧化膜电阻: 价格适中, 精度一般（5% 10% ） 适用温度高( 200 ),线绕电阻: 价格较高，精度高(0.005%), 温度特性好。但频率特性差。, 按安装 贴片电阻,电 阻,（2）主要参数,标称阻值，额定功率，分

2、布参数，精度，温度系数等.,（3）等效电路,（4）应 用,Z = （R0+ZL）/ZC ZL= jL ， ZC =1/jC,（5）注意事项, 分压； 取样； 限流； 均压、均流； 泄放； 吸收, 应根据具体应用场合，选择合适的电阻，注意分布参数的影响. “热噪声”对微弱信号检测的影响. 电阻上实际消耗的平均功率，应小于其额定功率的确1/2.,电 容,（1）类 型, 按使用材料, 按用途,高压电容 脉冲电容 储能电容,瓷片、云母、玻璃膜、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、涤纶、聚碳酸脂、漆膜、纸介、混合纸介、铝、钽、铌、钛, 按结构,电解电容 非电解电容 可变电容, 按安装,电 容,（2）主要参数,（3）等

3、效电路,（4）应 用,（5）注意事项,电容量，额定电压，工作温度，分布参数，精度等.,ESR极板、引线及它们之间的接触电阻, 储能； 滤波； 隔直； 耦合；吸收； 定时, 连接时注意极性； 使用时不能超过额定电压； 电解电容一般不能用于快充快放，只能在额定纹波下使用； 温度、频率对电容特性的影响.,例：555定时器,充电时间：T1=0.693(R2+R3)C1 放电时间: T2=0.693R3C1 定时周期: T=T1+T2=0.693(R2+2R3)C1,例：CD4060（14位二进制串行计数/分频器和振荡器）,电 感,（2）主要参数,（3）等效电路,（4）应 用,（5）注意事项,（1）类

4、型,空芯电感、铁芯电感 、可调电感 、固定电感、滤波电感、调谐电感.,电感量，直流电阻，额定电流，分布参数等.,RT 磁芯损耗引起的等效并联电阻, 滤波； 限流； 储能； 调谐等., 防止饱和. L与C往往共同存在，易在电路中形成振荡. 注意电感瞬变的危险.,振荡,过冲,Vi,Vo,C1,C2,R1,R2,高频电压的测量,示波器,二极管,（1）类型,功率二极管、检波二极管、整流二极管、稳压二极管 开关二极管、阻尼二极管、发光二极管、光电二极管 恒流二极管、热敏二极管、光敏二极管、磁敏二极管,1.2 二极管(D)三极管(T)及其在检测电路中的应用,（2）主要参数,C bPN结的结电容,额定电压、

5、额定电流, 截止频率,RS PN结的体电阻, 结压降, 正向直流电阻 RD, 反向击穿电压 VBR, 最高反向工作电压 VRM, 最大反向电流 IBR, 最大整流电流 IM,（3）应 用,二极管,（4）注意事项, 整流； 隔离； 箝位、限幅； 构成门电路； 其它, 额定参数 频率特性,（1）类型,三极管,普通三极管、大功率三极管GTR、场效应管FET、 绝缘栅双极晶体管IGBT,（2）主要参数,（3）应 用,三极管,（4）注意事项,驱动条件,额定电压、额定电流,允许功耗、工作温度,放大倍数,饱和管压降, 电流放大（功率放大）, 各种开关, 选择参数必须留有一定的余量 驱动条件 散热和保护,（1

6、）类型, 通用型: LM741、LM358 高精度型：725、TLE2141, 高速型：TL082 低功耗型：TLC2252、TLV2211,单电源型：LM358 双电源型：LM741、OP07, 高压型、功率型 ,1.3 运算放大器及其在检测电路中的应用,（2）主要参数, 电源指标（单、双，范围，静态功耗）, 转换速率（V/s）、频带宽度, 电压增益、CMRR, 工作环境, 输入失调电流、输入失调电压,（3）理想运算放大器基本特性,开环电压增益A0无穷大,“虚短”,输入阻抗无穷大：“虚断”, 输出阻抗为零 输出电压与输出端连接的电阻阻值大小无关,（4）基本概念,电压增益,“开环电压增益 A0

7、 ”（差模开环电压增益）,“共模电压增益 AC ”,差模输入电压,共模输入电压,运放输出电压,（4）基本概念, 共模抑制比,输入失调电压, 输入失调电流、输入偏置电流、输入失调电压,输入失调电流,输入偏置电流,IOS=IB1-IB2,IOS=(IB1+IB2)/2,Vin (Vo=0),（5）应用,信号放大、信号比较,各种运算（加法器、减法器、乘法器、除法器),微分电路、积分电路,各种信号变换电路、检测电路,波形（信号）发生器,（6）注意事项, 输入信号范围不应超出电源电压,采取适当的保护措施, 根据不同应用场合，选择合适的运放, 通常只能作为信号放大或变换，不能用于功率驱动,要求对信号放大倍

8、数较大时，通常采用多级放大的方案, 稳压源、稳流源, 清楚理想运算放大器与实际运算放大器特性的区别,基本应用1 反相电压放大器, Z i= R1, Z0 =R f 输入阻抗较低， 输出阻抗不为零, A = R f / R1 闭环放大倍数较低,电阻元件的选择: R1: 1 k几十k R f: 1 k1000 k R2=R1 / R f, R1、R f的上限主要受运放输入失调电流的限制； R1的下限受输入信号源的限制（闭环放大倍数有限）； R f为运放的负载，受其允许负载的限制.,T 形反馈网络比例电路,可同时获得高输入阻抗和高闭环增益,R1=R2=R3=100k， R4=1.02k AC = -

9、100,闭环增益:,基本应用2电压跟随器,特 点: 是一种单位增益的同相放大器； Zi很大，Z0很小(对信号源影响小，输出受负载影响小).,用 途: 常作为缓冲隔离器（级）串接在输入信号与负载（电路）之间， 以消除电路间的相互影响，提高驱动能力.,基本应用3积分器,用 途: 检出运放的直流输出成分，补偿前置放大器的直流失调电压， 使其直流输出成分为0。,特 点: 对没有直流成分的AC信号进行无限积分时结果为0； 直流成分被积分器放大.,光电耦合器 是发光器件和光敏器件的结合体.,实现以“光”为媒介的电信号传输: “电光电”,（1）结 构,1.4 光电耦合器及其在检测电路中的应用, 光敏二极管型

10、 光敏三极管型 光敏达林顿型（光敏三极管 + NPN三极管） 光敏可控硅型,（2）类 型,（3）特点, 输出与输入之间电绝缘, 体积小、寿命长，无触点、耐冲击, 容易与逻辑电路连接, 响应速度快, 单向信号传输，抗干扰能力强,（4）主要参数, 工作速度(nss):, 隔离电压,利用其通断特性和可控阻抗变换特性，在各电路中可实现：,a. 开关电路 b. 逻辑电路 c. 组成隔离耦合电路 d. 稳压电路 e. 自动控制电路,（5）应用,4N25,P521,（5）应用,（5）应用,（5）应用,电 压 窃 电 方 式 判 断,（6）注意事项, 隔离电压, 工作速度, 使用方法,光耦的“线性”与“非线性

11、”,光电二极管、光电三极管,a,b,c,d,e,f,g,DP,COM共阳极,（3）降额使用元器件；,1.5 元器件的选用原则,（1）满足性能要求；,（2）满足可靠性要求；,常用元器件的降额系数,注: 电阻为功率降额，电容为电压降额，晶体管和集成电路为功率、电流、 电压降额，继电器为电流降额.,（4）选用经实践检验证明性能优良的定型元件；,（5）在满足性能要求的前提下，尽量减少元件品种、型号；,（6）尽量选用符合国家标准或部颁标准的器件；,（7）在满足性能和可靠性要求的条件下，尽量选用廉价的元器件。,2. 典型电路及实例分析,2.6 差动电压放大器,2.4 迟滞比较器,2.5 窗口比较器,2.2

12、 电路端子,2.3 电桥（应变电桥）,2.1 传感器的“前置放大器”,(1)电压输入型传感器的“前置放大器”,为了提高传感器输入到前置放大器的效率，必须使ZIN比ZS大很多.,VS=VSZIN/(ZS+ZIN) ZSZIN时，VSVS,电压输出型传感器与前置放大器的连接,2.1 传感器的“前置放大器”,适宜作电压输入型前置放大器的电路同相放大器,输入阻抗ZiR1；增益A= R2 /R1 为了提高输入阻抗，需要增大R1，但R1大，其产生的噪声也大，这不利于提高S/N。,（a）反相放大器,（b）同相放大器,输入阻抗Zi =Zin(1+R1A/(R1+R2) 增益A=（R1+R2）/R1 Zin为运

13、放输入阻抗，A为运放增益,(1)电压输入型传感器的“前置放大器”, 前置放大器的内部噪声小，也不受外部噪声的影响； 前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多； 前置放大器的增益频率特性能够覆盖必要的频带； 具有稳定的、必要的增益，而受温度等因素影响较小； 具有良好的增益线性，失真小； 前置放大器的输出阻抗要小，且不易受负载的影响，以 能够获得必要的输出电压。,对电压输入型前置放大器基本性能要求,IS=ISZS/(ZS+ZIN)；ZSZIN时，ISIS,电流输出型传感器与前置放大器的连接,(2)电流输入型传感器的“前置放大器”,适宜作电流输入型前置放大器的电路电流输入放大器,-,+,R2,

14、RC,R1,V0,IS,(a) 利用输入电阻RC将电流 变换为电压后放大,V0=ISRC(R1+R2)/R1 ZINRC,+,-,RC,V0,IS,(b) 基于负反馈的电流 输入放大器,V0=-ISRC；ZINRC/(1+A),(2)电流输入型传感器的“前置放大器”,图6.30 测量01A的CT用电流输入放大器,R1=6.8k,R2=100,R3=10k,R4=1M,RW1=1k C1=1 OP1=TL082, D1=D2=UF007,+,-,+,-,R2,C1,R1,D1,D2,OP1,输出：10V/A,1.39mA,R3,R4,RW1,OP1,(c)电流互感器CT法（隔离）,(2)电流输入

15、型传感器的“前置放大器”,对电流输入型前置放大器的基本要求和注意事项 使用OP放大器的偏置电流要比检测的最小信号电流小得 多。因此宜选用低噪声的FET输入OP放大器。 由于输入电流全部流过反馈电阻RC，所以输入电流的最大 值不能超过OP放大器的最大输出电流。 由于反馈电阻RC的值往往很大，负反馈会因放大器的输入电 容、输入电缆的电容以及传感器的输出电容等而变得不稳。 输入阻抗随反馈量而变化。 反馈量随信号源电阻的大小而变化。 实际安装时必须注意不要产生漏电流。,t,Vin,Vref,V0,振荡,+,-,Vref,Vin,V0,比较器输出转换期间的振荡,2.4 迟滞比较器和窗口比较器,常用比较器

16、的振荡问题,比较器输出转换期间的振荡,AC220V,+,T1,R1,R2,Rt,R4,R5,J,T2,温度控制电路,VCC,+,-,迟滞比较器（）及其输出波形,2.4 迟滞比较器和窗口比较器,设计公式：,时：,（高电平）,V/F,电源变换,电源变换I/V,E/O,高压侧,O/E,低压侧,前置放大,F/V,微处理器,测量仪表,继电保护,图 有源型光电式电流互感器,高压母线,驱动器,Rogowski线圈,电源CT,实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）,（1）电流源/电压源的一般方法,( a ),( b ),实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流

17、互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）,（2）电流源/电压源的改进方法,实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）,（3）电流源/电压源的改进方法,电源的工作过程分析,DW支路和GT1-2间形成的负反馈作用，使Uin在U1U2间波动,Uin,IL,I,Ig,Ig3Ig2Ig1,实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）, 当UinU1时,T2/(T1+T2）= 1 (IL+Ig)/(I+Ig),由式(a)和(b)得:,Uin,IL,I,Ig, 当UinU2时,C （U2 - U1）=(IL +

18、 Ig) T2 (a),Q=C U ； Q=I t,I T1=C （U2 - U1）+ IL T1 (b),实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）, T2期间GT1-2导通，它以较大的导纳切入CT次级参与分流； T1期间GT1-2截止，它的等效导纳近似于零，不参与分流,T2/(T1+T2）= 1 (IL+Ig)/(I+Ig) 的物理意义,T2/(T1+T2）相当于CT次级电流为I时的GT1-2等效导纳（平均）值或分流能力，它受控于CT的次级电流I,取GT1-2导通时的等效导纳或分流能力为1,则 T2/(T1+T2）的物理意义在于:,Uin,I,

19、Ig,IL,实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）,实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）,固态继电器输出的电压波形,（4）电流源/电压源的改进方法,实例分析迟滞比较器的应用 一种光电式电流互感器的供电电源 （基于PWM的电流源/电压源）,电源 CT,分 流 器,整流滤波器,取样电路,稳压器,滤 波 器,隔离驱动 电 路,继电器J1,控制 CT,基准电压 电 路,迟 滞 比较器,继电器J1 线 圈,高压 母线,OECT 高压侧 电 路,驱动器,电流/电压 转 换 器,（2）,基准电压 电 路,迟

20、 滞 比较器,J1-1,J1-2,（1）,DC/DC,V+,V-,电源CT 变比 控制单元,电源变换 与 稳压单元,c,b,a,图 有源型光电电流互感器的供电电源,一种光电式电流互感器的供电电源（发明 ZL03111514.4）,一种适应母线电流动态范围宽的光电式电流互感器供电电源. 中国电机工程学报, 2006, 26(19) :160-164,2.4 迟滞比较器和窗口比较器,仪表放大器,2.5 差动电压放大器,电路特点：前级是由两个同相放大器（A1、A2）组成， 后级是由A3组成的标准差动放大电路; 可有效抑制运放的输入失调和共模干扰信号.,基本公式:,U4=U1，U5=U2 ,V4=V1

21、，V5=V2 ,IR1=IR3=IR2 ,基本公式:,条件: R4 / R6=R5 / R7,条件: R1= R2, R4 = R5=R6=R7,实例分析差动放大器的应用 霍尔效应传感器的基础放大电路,标准差动放大器,仪器放大器,(1) 设计思想, 脉冲电源输出电压占空比的调节方法(原理),脉宽调制集成电路TL494、SG3524,占空比的调节方法脉宽调制IC的“补偿端”电压（用电位器）, VC与 D 的关系, 差动电压放大器的输入电压与输出电压间的关系,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）,(2) 现有的占空比测量方法, 示波器测

22、量占空比可行，但不方便., 以单片机为核心测量占空比 可行，但较复杂,须软件支持., 标定曲线测量占空比可行，但由于非线性而不方便.,(3) 基于差动电压放大器的占空比测量电路,R2/R1 = R4/R3, 差动电压放大器输入电压与输出电压间的关系,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）, VC与 D 的关系,D与VC之间的关系,( a ),（0VC VC0）,（VC01 VC VC02 ）,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）, 电路设计,R2 / R1=D0 / VC

23、0 ; V-=VC ; V+=VC 0,V01 =D,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）,在 D 随着 VC 增加而减小情况下的占空比测量电路,R1,R2,R4,R3,VCC,OP,VREF1,VC,数字电压表,VCC,VCC,R6,R5,V01,+,VREF1=VCCR5 /（R5+R6）=VC 0,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）,R8 / R7=D02 /（VC 02-VC 01） ; V-=VC 01 ; V+=VC,V02 =D,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）,在D随着VC增加而增大情况下的占空比测量电路,R7,R8,R10,R9,VCC,OP,VREF2,VC,数字电压表,VCC,VCC,R12,R11,V02,+,VREF2=VCCR11 /（R11+R12）=VC 01,实例分析差动放大器的应用 一种脉冲电源输出电压占空比的数字显示装置 （ZL03213266.2 ）,3本章要求,（3）理解在测量装置中器件的性能参数可能对测量