第8章信號(hào)測(cè)量與調(diào)理

1、此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)現(xiàn)剽竊，必究法律責(zé)任！此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)現(xiàn)剽竊，必究法律責(zé)任！此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)現(xiàn)剽竊，必究法律責(zé)任！此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)現(xiàn)剽竊，必究法律責(zé)任！海南風(fēng)光8.1 概述概述 第第8章章 信號(hào)的測(cè)量與調(diào)理信號(hào)的測(cè)量與調(diào)理8.2 電量的檢測(cè)電量的檢測(cè) 8.5 濾波器濾波器 8.3 非電量的檢測(cè)非電量的檢測(cè) 8.4 信號(hào)測(cè)量電路信號(hào)測(cè)量電路 8.1 8.1 概述概述 在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要測(cè)量很多物理量：在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要測(cè)量很多物理量： 電量信號(hào)電量信號(hào)：電壓

2、、電流、功率、頻率：電壓、電流、功率、頻率 非電量信號(hào)非電量信號(hào)：壓力、溫度、流量、物位：壓力、溫度、流量、物位 本章將重點(diǎn)介紹高電壓、大電流、功率和本章將重點(diǎn)介紹高電壓、大電流、功率和頻率等電量的測(cè)量方法和溫度、壓力、物位頻率等電量的測(cè)量方法和溫度、壓力、物位等非電量的電氣式測(cè)量方法。等非電量的電氣式測(cè)量方法。測(cè)量?jī)x表或測(cè)量系統(tǒng)組成框圖測(cè)量?jī)x表或測(cè)量系統(tǒng)組成框圖1 1傳感器傳感器 直接感受被測(cè)物理量，并把其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)物理量有一定函直接感受被測(cè)物理量，并把其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)物理量有一定函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或其它物理量數(shù)關(guān)系的電壓、電流或其它物理量(如電阻、電容、電感如電阻、電容、電感)。 傳感器

3、的種類很多，電量傳感器有電壓互感器、電流互感器傳感器的種類很多，電量傳感器有電壓互感器、電流互感器等，非電量傳感器有熱電式等，非電量傳感器有熱電式(如熱電偶等如熱電偶等)、電容式、電容式(如電容式差如電容式差壓傳感器等壓傳感器等)、電感式、光電式等、電感式、光電式等2 2變送器變送器將傳感器的輸出信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。將傳感器的輸出信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。(1)信號(hào)變換信號(hào)變換：將傳感器輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變成電壓或電流。：將傳感器輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變成電壓或電流。(2)放大放大：把微弱的電壓或電流信號(hào)進(jìn)行放大，在某些場(chǎng)：把微弱的電壓或電流信號(hào)進(jìn)行放大，在某些場(chǎng)合還需要進(jìn)行信號(hào)的隔離。合還需要

4、進(jìn)行信號(hào)的隔離。(3)濾波濾波：濾除干擾信號(hào)。：濾除干擾信號(hào)。(4)線性化線性化：被測(cè)物理量與電信號(hào)之間往往呈現(xiàn)非線性關(guān)：被測(cè)物理量與電信號(hào)之間往往呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通過線性化電路，使電信號(hào)與物理量之間變成近似線系，通過線性化電路，使電信號(hào)與物理量之間變成近似線性關(guān)系。性關(guān)系。(5)標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化：為了方便地實(shí)現(xiàn)儀表的互換性、信號(hào)的遠(yuǎn)距：為了方便地實(shí)現(xiàn)儀表的互換性、信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送和提高信號(hào)的抗干擾能力，一般把電信號(hào)最終轉(zhuǎn)換離傳送和提高信號(hào)的抗干擾能力，一般把電信號(hào)最終轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的成標(biāo)準(zhǔn)的420 mA的直流電流信號(hào)的直流電流信號(hào) 被測(cè)物理量為量程的下限：被測(cè)物理量為量程的下限：I=4 mA，上限：

5、，上限： I=20mA在量程范圍內(nèi)，被測(cè)物理量與電流則呈線性關(guān)系。在量程范圍內(nèi)，被測(cè)物理量與電流則呈線性關(guān)系。 如某壓力變送器，量程為如某壓力變送器，量程為01.6 MPa，當(dāng)變送器輸，當(dāng)變送器輸出出4 mA電流時(shí)，壓力為電流時(shí)，壓力為0 MPa，輸出，輸出20 mA時(shí)壓力為時(shí)壓力為1.6 MPa，當(dāng)輸出電流為，當(dāng)輸出電流為10 mA時(shí)，壓力為時(shí)，壓力為 P=(10-4)/(20-4)*1.6=0.6 Mpa 420 mA的電流信號(hào)傳送輸出具有以下優(yōu)點(diǎn)：的電流信號(hào)傳送輸出具有以下優(yōu)點(diǎn)： 輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，適用于遠(yuǎn)距離傳輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。使用輸。使用250(0.1級(jí)

6、級(jí))的的IU變換電阻，可將變換電阻，可將420 mA的電流信號(hào)變換為的電流信號(hào)變換為15 V的直流電壓信號(hào)。的直流電壓信號(hào)。 可以同時(shí)串接幾個(gè)指示測(cè)量?jī)x表，而不會(huì)影響可以同時(shí)串接幾個(gè)指示測(cè)量?jī)x表，而不會(huì)影響測(cè)量精度。測(cè)量精度。 能夠?qū)崿F(xiàn)傳送線的斷線自檢。能夠?qū)崿F(xiàn)傳送線的斷線自檢。 I=4+kP ( mA) 通常變送器的電源線和輸出信號(hào)線共用兩根線，通常變送器的電源線和輸出信號(hào)線共用兩根線，稱為稱為二線制變送器二線制變送器。在實(shí)際應(yīng)用中，往往把傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，往往把傳感器和變送器做在一起，稱為和變送器做在一起，稱為一體化二線制儀表一體化二線制儀表。 二線制溫度變送器如下圖二線制溫度變送器如

7、下圖3顯示儀表和微機(jī)采集系統(tǒng)顯示儀表和微機(jī)采集系統(tǒng) 變送器的輸出信號(hào)可以送給顯示儀表進(jìn)行就地顯變送器的輸出信號(hào)可以送給顯示儀表進(jìn)行就地顯示或遠(yuǎn)程顯示，或送給微機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理、示或遠(yuǎn)程顯示，或送給微機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理、控制、屏幕顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等操作，有時(shí)也同時(shí)控制、屏幕顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等操作，有時(shí)也同時(shí)送給顯示儀表和微機(jī)采集系統(tǒng)。顯示儀表有指針式、送給顯示儀表和微機(jī)采集系統(tǒng)。顯示儀表有指針式、光柱式、數(shù)字式等。光柱式、數(shù)字式等。8.2 8.2 電量的檢測(cè)電量的檢測(cè)8.2.1 電壓與電流的檢測(cè)電壓與電流的檢測(cè) 小電壓檢測(cè)：小電壓檢測(cè)： 串聯(lián)電阻分壓的方法串聯(lián)電阻分壓的方法 小電流檢測(cè)

8、：并聯(lián)電阻分流的方法小電流檢測(cè)：并聯(lián)電阻分流的方法 高電壓高電壓(幾百伏以上幾百伏以上)檢測(cè)：檢測(cè)：電壓互感器電壓互感器 大電流大電流(幾十安培以上幾十安培以上)檢測(cè)：檢測(cè)：電流互感器電流互感器 (1)一個(gè)互感器可同時(shí)接入幾種儀表。例如電流表和功率一個(gè)互感器可同時(shí)接入幾種儀表。例如電流表和功率表的電流線圈或電壓表和功率表的電壓線圈等。表的電流線圈或電壓表和功率表的電壓線圈等。 (2)降低了功率損耗。降低了功率損耗。 (3)保障工作人員的安全。保障工作人員的安全。 (4)儀表制造標(biāo)準(zhǔn)化。將工程測(cè)量中儀表量限統(tǒng)一設(shè)計(jì)為儀表制造標(biāo)準(zhǔn)化。將工程測(cè)量中儀表量限統(tǒng)一設(shè)計(jì)為5 A或或100 V。 1互感器的

9、結(jié)構(gòu)和原理互感器的結(jié)構(gòu)和原理 互感器實(shí)際上是一個(gè)鐵心變壓器，鐵心上繞有兩個(gè)或多個(gè)繞互感器實(shí)際上是一個(gè)鐵心變壓器，鐵心上繞有兩個(gè)或多個(gè)繞組組(特殊情況只有一個(gè)特殊情況只有一個(gè))，接待測(cè)電壓或電流的繞組稱為，接待測(cè)電壓或電流的繞組稱為初級(jí)繞組初級(jí)繞組，接測(cè)量?jī)x表的繞組稱為接測(cè)量?jī)x表的繞組稱為次級(jí)繞組次級(jí)繞組。 電壓互感器一般相當(dāng)于一個(gè)降壓變壓器，其初級(jí)繞組額定電電壓互感器一般相當(dāng)于一個(gè)降壓變壓器，其初級(jí)繞組額定電壓通常采用不同的電壓等級(jí)，而次級(jí)線圈額定電壓都定為壓通常采用不同的電壓等級(jí)，而次級(jí)線圈額定電壓都定為100V， 電流互感器相當(dāng)于一個(gè)電流變換器，其額定次級(jí)電流一般為電流互感器相當(dāng)于一個(gè)電流

10、變換器，其額定次級(jí)電流一般為5 A或或1 A。其初級(jí)繞組匝數(shù)較少，甚至可能是幾匝或一匝，所以。其初級(jí)繞組匝數(shù)較少，甚至可能是幾匝或一匝，所以初級(jí)線圈使用一根直線表示。初級(jí)線圈使用一根直線表示。測(cè)壓原理：測(cè)壓原理： 互感器的額定初級(jí)電壓互感器的額定初級(jí)電壓U1(或電流或電流I1)與額定次級(jí)電與額定次級(jí)電壓壓U2(或電流或電流I2)之比，叫互感器的之比，叫互感器的額定變壓比額定變壓比K Ku u(或或額額定變流比定變流比K Ki i)2121NNUUKu1221NNIIKi2211UNNU 2121INNI （a）測(cè)單相電壓；）測(cè)單相電壓； （b）用單相互感器測(cè)三相相電壓；）用單相互感器測(cè)三相相電

11、壓；（c）用單相互感器測(cè)三相線電壓；）用單相互感器測(cè)三相線電壓； （c）用三相互感器）用三相互感器測(cè)三相相電壓；測(cè)三相相電壓；電壓互感器接線方式：電壓互感器接線方式：v（a）測(cè)單相電流；）測(cè)單相電流； （b）測(cè)三相電流；）測(cè)三相電流；（c）測(cè)三相三線制的三相電流；）測(cè)三相三線制的三相電流； 電流互感器接線方式：電流互感器接線方式：使用注意事項(xiàng)：使用注意事項(xiàng)： （1）電壓互感器的次級(jí)線圈不許短路，否則次）電壓互感器的次級(jí)線圈不許短路，否則次級(jí)會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流，故其初級(jí)和次級(jí)都要接級(jí)會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流，故其初級(jí)和次級(jí)都要接短路保護(hù)熔斷器短路保護(hù)熔斷器(保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)絲)。電流互感器的次級(jí)線圈。電

12、流互感器的次級(jí)線圈不許開路，也不能裝熔斷器。否則當(dāng)次級(jí)突然開路不許開路，也不能裝熔斷器。否則當(dāng)次級(jí)突然開路時(shí)，會(huì)在線圈中感應(yīng)出很高的電壓，損壞電流互感時(shí)，會(huì)在線圈中感應(yīng)出很高的電壓，損壞電流互感器的絕緣，并危及操作人員的安全。器的絕緣，并危及操作人員的安全。 （2）互感器的次級(jí)線圈、鐵心及外殼都要可靠）互感器的次級(jí)線圈、鐵心及外殼都要可靠接地，以確保人身和設(shè)備安全。接地，以確保人身和設(shè)備安全。 （3）除特殊設(shè)計(jì)的可逆互感器外，一般互感器）除特殊設(shè)計(jì)的可逆互感器外，一般互感器不許反方向使用不許反方向使用(即不能將初級(jí)與次級(jí)互換即不能將初級(jí)與次級(jí)互換)。8.2.2 三相交流電路功率的檢測(cè)三相交流電

13、路功率的檢測(cè) 1. 功率測(cè)量原理功率測(cè)量原理cos3llIU P=3UPIPcos= 2. 智能電量變送器智能電量變送器 智能電量變送器將電壓、電流、功率變送器的智能電量變送器將電壓、電流、功率變送器的接線及功能集于一體，采用高性能微處理器，綜合接線及功能集于一體，采用高性能微處理器，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、自動(dòng)控制運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、集成技術(shù)、貼片安裝工技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、集成技術(shù)、貼片安裝工藝等一系列先進(jìn)技術(shù)和工藝，通過對(duì)三相電壓和三藝等一系列先進(jìn)技術(shù)和工藝，通過對(duì)三相電壓和三相電流進(jìn)行高速采樣、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)計(jì)算，可以相

14、電流進(jìn)行高速采樣、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)計(jì)算，可以得到各種交、直流電量參數(shù)。智能電量變送器尤其得到各種交、直流電量參數(shù)。智能電量變送器尤其適用于電壓、電流波形畸變的電量檢測(cè)。適用于電壓、電流波形畸變的電量檢測(cè)。8.2.3 頻率的檢測(cè)頻率的檢測(cè) 1. 數(shù)字頻率計(jì)原理數(shù)字頻率計(jì)原理TNfX通常把通常把T選為選為1 ms，10 ms，0.1 s，l s，10 s等。等。當(dāng)當(dāng)T1 s時(shí)，若計(jì)數(shù)時(shí)，若計(jì)數(shù)N100000，則，則fx=100000 Hz，顯示，顯示100.000 kHz；若；若T= =0.1 s，則計(jì)數(shù)值必減少為，則計(jì)數(shù)值必減少為N 10000，則，則顯示顯示100.00 kHz。 TfNNNx1

15、1計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù)控制 2. 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)周期原理數(shù)字頻率計(jì)測(cè)周期原理 當(dāng)用測(cè)頻法測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，測(cè)量的相對(duì)誤差會(huì)當(dāng)用測(cè)頻法測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，測(cè)量的相對(duì)誤差會(huì)明顯上升。為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，減少測(cè)量明顯上升。為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，減少測(cè)量誤差的影響，可改測(cè)周期誤差的影響，可改測(cè)周期Tx，然后計(jì)算，然后計(jì)算fx1Tx。與。與測(cè)頻相反，改為在圖中的測(cè)頻相反，改為在圖中的C端加標(biāo)準(zhǔn)的高頻信號(hào)端加標(biāo)準(zhǔn)的高頻信號(hào)f0，其周期其周期T01f0，在，在D端加周期為端加周期為Tx待測(cè)信號(hào)待測(cè)信號(hào)fx，即，即把被測(cè)信號(hào)與時(shí)基信號(hào)換位，則可構(gòu)成測(cè)試周期把被測(cè)信號(hào)與時(shí)基信號(hào)換位，則可構(gòu)成測(cè)試周期Tx的的電路，

16、門控信號(hào)由電路，門控信號(hào)由T變?yōu)樽優(yōu)門x。這樣在每一。這樣在每一Tx內(nèi)，計(jì)數(shù)內(nèi)，計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)為器計(jì)得的脈沖數(shù)為TxT0，若，若Tx10ms，T0ls，則，則從計(jì)數(shù)顯示器計(jì)得脈沖數(shù)為從計(jì)數(shù)顯示器計(jì)得脈沖數(shù)為l0000個(gè)，如以個(gè)，如以ms為單位，為單位，則從計(jì)數(shù)器顯示器上可讀得則從計(jì)數(shù)器顯示器上可讀得100000ms。顯然，。顯然，Tx愈大愈大(即被測(cè)頻率愈低即被測(cè)頻率愈低)，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)越多，測(cè)量誤，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)越多，測(cè)量誤差越小。差越小。8.3 8.3 非電量的檢測(cè)非電量的檢測(cè)傳感器傳感器非電量非電量電參數(shù)電參數(shù)8.3.1 溫度的檢測(cè)溫度的檢測(cè)接觸式測(cè)量：接觸式測(cè)量：熱電阻、熱電

17、偶和半導(dǎo)體傳感器等。熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體傳感器等。非接觸式測(cè)量：非接觸式測(cè)量：以輻射式測(cè)溫為主，有光學(xué)高溫計(jì)以輻射式測(cè)溫為主，有光學(xué)高溫計(jì)和輻射高溫計(jì)等。和輻射高溫計(jì)等。1 1熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器 (1) 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組合成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不等合成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不等(TT0)時(shí)，回時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為，該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)熱電動(dòng)勢(shì)。把上述兩種不同導(dǎo)把上述兩種不同導(dǎo)體

18、的組合稱為體的組合稱為熱電偶熱電偶。自由端或冷端工作端或熱端 熱電偶可分為：鉑銠熱電偶可分為：鉑銠1010鉑、鉑銠鉑、鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6 、鎳鉻鎳鉻鎳硅、鎳鉻鎳硅、鎳鉻銅鎳等型號(hào)銅鎳等型號(hào) 分度表：分度表：熱電勢(shì)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的表格熱電勢(shì)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的表格 它是在冷端溫度為它是在冷端溫度為00的條件下得到的。不同熱的條件下得到的。不同熱電偶具有不同的分度表，根據(jù)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)電偶具有不同的分度表，根據(jù)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)和分度表即可得知其溫度值。熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系和分度表即可得知其溫度值。熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系為非線性。為非線性。 (2) (2) 中間導(dǎo)體定則中間導(dǎo)體定則 在熱電偶回路

19、中，可以接入連接導(dǎo)線、測(cè)試在熱電偶回路中，可以接入連接導(dǎo)線、測(cè)試儀表儀表( (如毫伏表、變送器如毫伏表、變送器) )等，只要保證這些中間等，只要保證這些中間導(dǎo)體各自兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)導(dǎo)體各自兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)沒有影響。沒有影響。(3) (3) 熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償 因?yàn)榉侄缺矶际侵咐涠藴囟纫驗(yàn)榉侄缺矶际侵咐涠藴囟?0時(shí)的熱電勢(shì)，因此要時(shí)的熱電勢(shì)，因此要求熱電偶工作時(shí)，冷端溫度必須保持在求熱電偶工作時(shí)，冷端溫度必須保持在00，或進(jìn)行冷，或進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，否則將要產(chǎn)生誤差。端溫度補(bǔ)償，否則將要產(chǎn)生誤差。 0 0恒溫法恒溫法 把熱電偶冷端放在環(huán)境

20、溫度為把熱電偶冷端放在環(huán)境溫度為00的容器里，此時(shí)熱的容器里，此時(shí)熱電偶的輸出準(zhǔn)確地和分度表值一致。但這種理想方法只電偶的輸出準(zhǔn)確地和分度表值一致。但這種理想方法只適用于實(shí)驗(yàn)室中使用，工業(yè)中使用極為不便。適用于實(shí)驗(yàn)室中使用，工業(yè)中使用極為不便。 電路補(bǔ)償電路補(bǔ)償 一般的熱電偶溫度變送器都采用電路進(jìn)行冷端溫度一般的熱電偶溫度變送器都采用電路進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，使得熱電偶的輸出相當(dāng)于冷端始終處保持在補(bǔ)償，使得熱電偶的輸出相當(dāng)于冷端始終處保持在00。 計(jì)算修正法計(jì)算修正法 將多支熱電偶的冷端集中在一起，用其它方式將多支熱電偶的冷端集中在一起，用其它方式( (如熱如熱電阻電阻) )測(cè)知其冷端溫度，再由每

21、支熱電偶的熱電勢(shì)通過測(cè)知其冷端溫度，再由每支熱電偶的熱電勢(shì)通過查表和計(jì)算得出其熱端溫度。查表和計(jì)算得出其熱端溫度。 例如，用鎳鉻例如，用鎳鉻鎳硅熱電偶測(cè)某介質(zhì)的溫度，測(cè)得鎳硅熱電偶測(cè)某介質(zhì)的溫度，測(cè)得熱電勢(shì)為熱電勢(shì)為33.29 mV33.29 mV，冷端溫度，冷端溫度3030。由分度表查得。由分度表查得3030時(shí)的熱電勢(shì)為時(shí)的熱電勢(shì)為1.20 mV1.20 mV，故冷端溫度為，故冷端溫度為00時(shí)的熱電勢(shì)應(yīng)時(shí)的熱電勢(shì)應(yīng)為為33.29+1.2033.29+1.2034.49 mV34.49 mV。再據(jù)此電勢(shì)查分度表得溫度。再據(jù)此電勢(shì)查分度表得溫度為為829.6829.6，此值即為真實(shí)溫度值。，此值

22、即為真實(shí)溫度值。 補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用 熱電偶的熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線又稱又稱延伸導(dǎo)線延伸導(dǎo)線，它是一種廉價(jià)，它是一種廉價(jià)導(dǎo)線，在一定的溫度范圍內(nèi)，其熱電特性與其相應(yīng)的導(dǎo)線，在一定的溫度范圍內(nèi)，其熱電特性與其相應(yīng)的熱電偶熱電特性十分相近。它的用途是把熱電偶的冷熱電偶熱電特性十分相近。它的用途是把熱電偶的冷端延伸出去，遠(yuǎn)離熱端，并與冷端補(bǔ)償器、變送器、端延伸出去，遠(yuǎn)離熱端，并與冷端補(bǔ)償器、變送器、顯示儀表等連接起來構(gòu)成測(cè)溫回路，同時(shí)不會(huì)由于引顯示儀表等連接起來構(gòu)成測(cè)溫回路，同時(shí)不會(huì)由于引入該導(dǎo)線使工作熱電偶帶來附加誤差。入該導(dǎo)線使工作熱電偶帶來附加誤差。 2 2熱電阻溫度傳感器熱電阻溫

23、度傳感器 熱電阻溫度計(jì)是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值與熱電阻溫度計(jì)是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。實(shí)驗(yàn)證明，溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。實(shí)驗(yàn)證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度上升大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度上升11時(shí)，其電阻值均增大時(shí)，其電阻值均增大0.4% 0.4% 0.6%0.6%；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升11時(shí)，其電阻值時(shí)，其電阻值則下降則下降3% 3% 6%6%。 工業(yè)上常用的熱電阻為鉑電阻和銅電阻。工業(yè)上常用的熱電阻為鉑電阻和銅電阻。 (1) (1) 鉑電阻鉑電阻 鉑電阻由純鉑電阻絲繞制而成，其使用溫度范圍鉑電阻由純鉑電阻絲繞制而成，

24、其使用溫度范圍為為-200-200 850850。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：精度高、性能穩(wěn)定。：精度高、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性。電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性。 一般工業(yè)上常用的鉑電阻，我國(guó)規(guī)定的分度號(hào)為一般工業(yè)上常用的鉑電阻，我國(guó)規(guī)定的分度號(hào)為Pt10Pt10和和Pt100Pt100。即。即00時(shí)：時(shí)：R R0 0=10=10和和R R0 0=100=100。 (2) (2) 銅電阻銅電阻 銅電阻一般用于銅電阻一般用于-50 -50 150150范圍的溫度測(cè)量。范圍的溫度測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電阻值與溫度之間基本為線性關(guān)系，電阻溫：電阻值與溫度之間基本為線性關(guān)系，電阻溫度系數(shù)大

25、，且材料易提純，價(jià)格便宜；度系數(shù)大，且材料易提純，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：電阻：電阻率低，易氧化，所以在溫度不高、測(cè)溫元件體積無率低，易氧化，所以在溫度不高、測(cè)溫元件體積無特殊限制時(shí)，可以使用銅電阻溫度計(jì)。特殊限制時(shí)，可以使用銅電阻溫度計(jì)。我國(guó)工業(yè)用銅熱電阻的分度號(hào)分為我國(guó)工業(yè)用銅熱電阻的分度號(hào)分為Cu50Cu50和和Cu100Cu100兩種，兩種，其其R R0 0=50=50和和100100。 (3) (3) 熱電阻測(cè)溫線路熱電阻測(cè)溫線路 熱電阻溫度計(jì)主要由熱電阻傳感器、電阻測(cè)量橋熱電阻溫度計(jì)主要由熱電阻傳感器、電阻測(cè)量橋路、顯示儀表及連接導(dǎo)線所組成。為了消除導(dǎo)線電阻路、顯示儀表及連接導(dǎo)線所組成

26、。為了消除導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響，一般為三線制接法。對(duì)溫度測(cè)量的影響，一般為三線制接法。(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3rrrrtRRRRRRRRRRRRRR232312231)(若使若使R2=R3，Rt=R1，說明此種接法導(dǎo)線電阻說明此種接法導(dǎo)線電阻R Rr r對(duì)熱電阻對(duì)熱電阻的測(cè)量無影響。再以測(cè)量放大器、線性化電路和的測(cè)量無影響。再以測(cè)量放大器、線性化電路和U U/ /I I轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路代替微安表換電路代替微安表G G，就可以輸出與溫度成線性關(guān)系的，就可以輸出與溫度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的4 4 20 mA20 mA電流信號(hào)了。電流信號(hào)了。8.2.2 8.2.2 壓力的檢測(cè)壓力的檢測(cè)

27、 在工程技術(shù)中，為了不同測(cè)試目的，常使用以下在工程技術(shù)中，為了不同測(cè)試目的，常使用以下壓力名詞術(shù)語：壓力名詞術(shù)語：絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力：從完全真空的零壓力起所測(cè)得的壓力。：從完全真空的零壓力起所測(cè)得的壓力。表壓力表壓力：以大氣壓作為零壓力起所測(cè)得的壓力。：以大氣壓作為零壓力起所測(cè)得的壓力。差壓差壓：兩個(gè)壓力之間的差值。：兩個(gè)壓力之間的差值。下面只介紹常用的電容式和應(yīng)變片式壓力傳感器。下面只介紹常用的電容式和應(yīng)變片式壓力傳感器。 1 1電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 (1) (1) 測(cè)量原理測(cè)量原理電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，電容量

28、的改變可以采用變間隙式和變面積式變化，電容量的改變可以采用變間隙式和變面積式兩種方法，一般采用變間隙式方法。兩種方法，一般采用變間隙式方法。)(LHHLHLPPKCCCCCHPHCLPL硅油硅油(2) (2) 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路2121112121211TTTTUUTTTUTTTUUUBAofUUURCT1111lnfUUURCT1122ln12121UCCCCUo-+- 2 2應(yīng)變片式壓力傳感器應(yīng)變片式壓力傳感器 (1) (1) 測(cè)量原理測(cè)量原理 應(yīng)變片分金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。應(yīng)變片分金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。 金屬電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的原理是基于其應(yīng)變效應(yīng)，金屬電阻

29、應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的原理是基于其應(yīng)變效應(yīng)，即金屬材料在外界作用下即金屬材料在外界作用下( (如壓力等如壓力等) )產(chǎn)生產(chǎn)生機(jī)械變形機(jī)械變形時(shí)，時(shí)，其阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化。其阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)，即單晶，即單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。所以半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器又稱為壓發(fā)生變化。所以半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器又稱為壓阻式壓力傳感器或硅傳感器，它在小量程時(shí)有很高的阻式壓力傳感器或硅傳感器，它在小量程時(shí)有很高的精度，靈敏度高，但溫度系數(shù)大，應(yīng)變與電阻的關(guān)系精

30、度，靈敏度高，但溫度系數(shù)大，應(yīng)變與電阻的關(guān)系曲線呈非線性。曲線呈非線性。 (2) (2) 測(cè)量電路測(cè)量電路 應(yīng)變片式傳感器的測(cè)量電路有直流電橋、交流應(yīng)變片式傳感器的測(cè)量電路有直流電橋、交流電橋和電阻電橋和電阻頻率頻率( (R R/ /F F) )轉(zhuǎn)換電路等，以下介紹直轉(zhuǎn)換電路等，以下介紹直流電橋中的差動(dòng)電橋和四臂電橋。流電橋中的差動(dòng)電橋和四臂電橋。ERRRRRRRRRUo)(434221122ERRUo1121 ERRUo11 8.3.38.3.3轉(zhuǎn)速的檢測(cè)轉(zhuǎn)速的檢測(cè) 測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有很多，使用得比較多的是光電測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有很多，使用得比較多的是光電式和霍爾式等。式和霍爾式等。 利用光電元件

31、產(chǎn)生正比于轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，可以利用光電元件產(chǎn)生正比于轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。光電式測(cè)速傳感器常用透射式與反實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。光電式測(cè)速傳感器常用透射式與反射式兩種類型。透射式光電測(cè)速傳感器的原理圖射式兩種類型。透射式光電測(cè)速傳感器的原理圖 8.3.48.3.4物位的檢測(cè)物位的檢測(cè) 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常需要對(duì)一些設(shè)備和容器內(nèi)的在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常需要對(duì)一些設(shè)備和容器內(nèi)的物位進(jìn)行測(cè)量和控制，例如：氣體物位進(jìn)行測(cè)量和控制，例如：氣體液體間的液位高度，液體間的液位高度，氣體氣體固體顆?；蚍勰⒁后w固體顆?；蚍勰?、液體固體間的料位高度；液固體間的料位高度；液體體液體間的界面液體間的界面( (如

32、油水界面如油水界面) )高度的測(cè)量等，我們高度的測(cè)量等，我們統(tǒng)稱為物位的測(cè)量。統(tǒng)稱為物位的測(cè)量。 1 1差壓式液位儀表差壓式液位儀表 密閉容器內(nèi)的液位可由液位起點(diǎn)與液面上部氣體的壓密閉容器內(nèi)的液位可由液位起點(diǎn)與液面上部氣體的壓力差測(cè)得，稱為力差測(cè)得，稱為差壓式液位儀表差壓式液位儀表。敞口容器內(nèi)的液位既。敞口容器內(nèi)的液位既可采取這種減壓法，又可采取壓力法來測(cè)量?？刹扇∵@種減壓法，又可采取壓力法來測(cè)量。PH2tChh=H -h2 2超聲波物位測(cè)量超聲波物位測(cè)量 超聲波反射式液位計(jì)主要由發(fā)射、接收和計(jì)超聲波反射式液位計(jì)主要由發(fā)射、接收和計(jì)數(shù)數(shù)/ /顯示電路組成顯示電路組成 t0t1啟動(dòng)CP停止CPt

33、=t1-t28.3.5 8.3.5 其他量的檢測(cè)其他量的檢測(cè) 1 1位移的檢測(cè)位移的檢測(cè)e=k x2 2扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量8.4 信號(hào)測(cè)量電路信號(hào)測(cè)量電路 在自動(dòng)控制和非電量測(cè)量等系統(tǒng)中，常用各種傳感在自動(dòng)控制和非電量測(cè)量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量器將非電量(如溫度、壓力、應(yīng)變、流量等）的變化變?nèi)鐪囟取毫?、?yīng)變、流量等）的變化變換為電壓信號(hào)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信換為電壓信號(hào)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號(hào)的變化量常常很?。ㄒ话阒挥袔缀练綆资练?，號(hào)的變化量常常很小（一般只有幾毫伏到幾十毫伏），所以要將電信號(hào)加以放大，有時(shí)還要將電壓變換為電所以要將電信號(hào)加以放大，有

34、時(shí)還要將電壓變換為電流信號(hào)。流信號(hào)。 8.4.1 8.4.1 測(cè)量放大器測(cè)量放大器 對(duì)放大電路要求：具有很高的共模抑制比及很高對(duì)放大電路要求：具有很高的共模抑制比及很高的輸入電阻和電壓放大倍數(shù)，以免對(duì)傳感器產(chǎn)生影響的輸入電阻和電壓放大倍數(shù)，以免對(duì)傳感器產(chǎn)生影響 若若R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為，則電壓放大倍數(shù)為)21 (1246RRRRuuAiouf8.4.28.4.2程控測(cè)量放大器程控測(cè)量放大器PGAPGA 1 1程控測(cè)量放大器的作用程控測(cè)量放大器的作用 傳感器1u1 傳感器2u2 傳感器nun程控測(cè)量放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)于不同的輸入信號(hào)可以提供不同的放大倍數(shù)對(duì)于不同的

35、輸入信號(hào)可以提供不同的放大倍數(shù)2 2程控測(cè)量放大器電路程控測(cè)量放大器電路3 3集成程控測(cè)量放大器電路集成程控測(cè)量放大器電路LH0084LH0084正常工作：正常工作：R2=R3R4=R5R6=R7S1S1S2S2S3S3S4S4手動(dòng)連接也手動(dòng)連接也可改變?cè)鲆婵筛淖冊(cè)鲆鍾18.4.3 8.4.3 電壓電壓- -電流變換電路電流變換電路 變送器一般要將處理過的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的變送器一般要將處理過的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的4 420 mA20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，稱為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，稱為U UI I變換。變換。U UI I變換可變換可以用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，也可以用專用集成電路實(shí)現(xiàn)。以用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，也可

36、以用專用集成電路實(shí)現(xiàn)。 傳感器與放大電路+IQI1E+-IoRLRFR2R1USI=IQ+I1=4+US/R1(1+RF/R2) 8.5 有源濾波器有源濾波器濾波電路的種類濾波電路的種類:按信號(hào)性質(zhì)按信號(hào)性質(zhì): 模擬濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能按電路功能: 低通濾波器低通濾波器高通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器按所用元件按所用元件: 無源濾波器和無源濾波器和有源濾波器有源濾波器8.5.1 概述概述按階數(shù)按階數(shù): 一階一階,二階二階 高階高階 )j (Ui )j (Uo 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：ioioioUU)j (U)j (U)j (T ioUU)j (T 幅頻特性幅頻特性io)( 相頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性傳遞函數(shù)、幅頻特性濾波器分類濾波器分類(按頻率特性進(jìn)行分類按頻率特性進(jìn)行分類)： ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻RCR一階一階RC低通濾波器低通濾波器(無源無源)iU oU RC10 j1Rj1UUioRCj11 0j11 CC0j11)j (T 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)20)(11)j (T 幅頻特性幅頻特性20)(11)j (T ioUU0 10.707 0截止頻率截止頻率此電路的缺點(diǎn)：此電路的缺點(diǎn)：1、帶負(fù)