第六章電氣檢測(cè)技術(shù)

1、張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 第六章電氣測(cè)量技術(shù)第六章電氣測(cè)量技術(shù) 引言引言 在測(cè)量過程中往往會(huì)發(fā)生誤差，這種誤差是難在測(cè)量過程中往往會(huì)發(fā)生誤差，這種誤差是難以避免的，所以根據(jù)測(cè)量精度，有精密測(cè)量和工程以避免的，所以根據(jù)測(cè)量精度，有精密測(cè)量和工程測(cè)量兩類電氣測(cè)量。對(duì)誤差要求不是很嚴(yán)格，所以測(cè)量兩類電氣測(cè)量。對(duì)誤差要求不是很嚴(yán)格，所以本章內(nèi)容屬于工程測(cè)量范疇。本章內(nèi)容屬于工程測(cè)量范疇。 電氣測(cè)量方法的分類和常用的測(cè)量單位見表電氣測(cè)量方法的分類和常用的測(cè)量單位見表6-16-1和表和表6-26-2。張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 第六章電氣測(cè)量技術(shù)第六章電

2、氣測(cè)量技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 第六章電氣測(cè)量技術(shù)第六章電氣測(cè)量技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 第六章電氣測(cè)量技術(shù)第六章電氣測(cè)量技術(shù)張劉春設(shè)計(jì) 電路參數(shù)是指電阻、電容和電感三種基本參數(shù)，也是描述網(wǎng)電路參數(shù)是指電阻、電容和電感三種基本參數(shù)，也是描述網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的重要參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其的精確測(cè)量，目前普遍采用絡(luò)和系統(tǒng)的重要參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其的精確測(cè)量，目前普遍采用數(shù)字化測(cè)量，對(duì)于電路參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量是通過把被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)化數(shù)字化測(cè)量，對(duì)于電路參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量是通過把被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)化成直流電壓（成直流電壓（ADCADC）或頻率（計(jì)數(shù)）后進(jìn)行測(cè)量的。）或頻率（計(jì)數(shù)）后進(jìn)行測(cè)量的。 常用的時(shí)

3、鐘基準(zhǔn)有常用的時(shí)鐘基準(zhǔn)有LCLC震蕩電路、石英、震蕩電路、石英、GPSGPS等。人們平時(shí)所等。人們平時(shí)所用的鐘表，精度高的大約每年會(huì)有用的鐘表，精度高的大約每年會(huì)有1 1分鐘的誤差，這對(duì)日常生活分鐘的誤差，這對(duì)日常生活是沒有影響的，但在要求很高的生產(chǎn)、科研中就需要更準(zhǔn)確的計(jì)是沒有影響的，但在要求很高的生產(chǎn)、科研中就需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具。目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘。時(shí)工具。目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量 根據(jù)原子物理學(xué)的基本原理，原子是按照不同電

4、子排列順序根據(jù)原子物理學(xué)的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續(xù)的。當(dāng)原子從一個(gè)收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續(xù)的。當(dāng)原子從一個(gè)“能量態(tài)能量態(tài)”躍遷至低的躍遷至低的“能量態(tài)能量態(tài)”時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波。這種時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率。同電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的一種原子的共振頻率是一定的例如銫例如銫133133的共振頻率為每秒的共振

5、頻率為每秒9 9 192 631 770192 631 770周。因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來保持高度精確周。因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來保持高度精確的時(shí)間。的時(shí)間。 原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)的。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫氫(Hydrogen)(Hydrogen)、銫、銫(Cesium)(Cesium)、銣、銣(Rus

6、sium)(Russium)等。原子鐘的精度可等。原子鐘的精度可以達(dá)到每以達(dá)到每100100萬年才誤差萬年才誤差1 1秒。秒。張劉春設(shè)計(jì)( (一一) )電阻的測(cè)量電阻的測(cè)量 電阻的測(cè)量是指將電阻值轉(zhuǎn)換成直流電壓后進(jìn)行測(cè)量。目前電阻的測(cè)量是指將電阻值轉(zhuǎn)換成直流電壓后進(jìn)行測(cè)量。目前主要采用恒流源的方法進(jìn)行測(cè)量，即將恒定的電流主要采用恒流源的方法進(jìn)行測(cè)量，即將恒定的電流IsIs通過被測(cè)電通過被測(cè)電阻阻RxRx，測(cè)得，測(cè)得RxRx上的兩端壓降上的兩端壓降UxUx，則，則Rx=Ux/IsRx=Ux/Is。根據(jù)其產(chǎn)生恒流源。根據(jù)其產(chǎn)生恒流源的方法的不同又分為電位降法、比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法。的方法的不

7、同又分為電位降法、比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)1 1、比例運(yùn)算器法、比例運(yùn)算器法圖圖6 61 1 比例運(yùn)算器法測(cè)量原理圖比例運(yùn)算器法測(cè)量原理圖 比例運(yùn)算放大器的原理如圖比例運(yùn)算放大器的原理如圖6 61 1所示。所示。圖中圖中UNUN為基準(zhǔn)源，為基準(zhǔn)源，RNRN為標(biāo)準(zhǔn)電阻，為標(biāo)準(zhǔn)電阻，RXRX為被測(cè)電阻，根據(jù)電路可知：為被測(cè)電阻，根據(jù)電路可知： 21111211,IIIUAURUIRUUIRUUIOdOiOXONN由此可得：由此可得：1NONNNddidXXUURRRAA RA RR當(dāng)當(dāng)AdAd趨于無窮大時(shí)：趨于無窮大時(shí)：

8、NOXNUURR電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)2 2、積分運(yùn)算器法、積分運(yùn)算器法 積分運(yùn)算器法的原理如圖積分運(yùn)算器法的原理如圖6 62 2所示。該方法采用積分法，因此所示。該方法采用積分法，因此適用于高阻的測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)適用于高阻的測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)0.10.1 圖圖6 62 2 積分運(yùn)算法測(cè)量原理圖積分運(yùn)算法測(cè)量原理圖 設(shè)脈沖的周期為設(shè)脈沖的周期為TcTc，N N為脈沖的個(gè)數(shù)，則開門時(shí)間為脈沖的個(gè)數(shù)，則開門時(shí)間TT內(nèi)的內(nèi)的計(jì)數(shù)值為計(jì)數(shù)值為TTNTcNTc。NxNNCxCOUUTR CUU TRNTNU CU C 電氣工程概論電氣工程概論 6.1

9、電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)（二）電容的測(cè)量（二）電容的測(cè)量 傳統(tǒng)的電容測(cè)量方法有諧振法和電橋法兩種。隨著數(shù)字化測(cè)傳統(tǒng)的電容測(cè)量方法有諧振法和電橋法兩種。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)量技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測(cè)量常采用恒流法。字化測(cè)量常采用恒流法。 用恒流法測(cè)量電容的原理圖和波形圖如圖用恒流法測(cè)量電容的原理圖和波形圖如圖6 64 4所示，當(dāng)開關(guān)所示，當(dāng)開關(guān)S S打向復(fù)位端時(shí)，計(jì)數(shù)器和電容同時(shí)清零，然后再將開關(guān)打向測(cè)打向復(fù)位端時(shí)，計(jì)數(shù)器和電容同時(shí)清零，然后再將開關(guān)打向測(cè)量端，這時(shí)恒流源量端，這時(shí)恒流源I I對(duì)電容對(duì)電

10、容C C進(jìn)行充電，經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行充電，經(jīng)過時(shí)間T T后，充電電荷后，充電電荷Q=IQ=IT T，此時(shí)電容兩端電壓，此時(shí)電容兩端電壓U=Q/CU=Q/C，顯然只要，顯然只要I I和和T T已知，測(cè)出電已知，測(cè)出電壓壓U U，便可按，便可按C= IC= IT/UT/U計(jì)算出電容值，恒流源向計(jì)算出電容值，恒流源向C C充電，同時(shí)時(shí)充電，同時(shí)時(shí)標(biāo)脈沖標(biāo)脈沖CpCp經(jīng)與門進(jìn)入計(jì)數(shù)器。當(dāng)經(jīng)與門進(jìn)入計(jì)數(shù)器。當(dāng)UcUc值大于值大于URUR時(shí)，比較器輸出零時(shí)，比較器輸出零 電平，停止計(jì)數(shù)，這時(shí)顯示的數(shù)據(jù)就是與電容值成正比的測(cè)電平，停止計(jì)數(shù)，這時(shí)顯示的數(shù)據(jù)就是與電容值成正比的測(cè)量結(jié)果。即量結(jié)果。即 T=NTCP C

11、PRXNTUC1電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 64 4 用恒流法測(cè)量電容的原理圖用恒流法測(cè)量電容的原理圖電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)（三）電感的測(cè)量（三）電感的測(cè)量 使用交流電橋法雖然能較準(zhǔn)確的測(cè)量電感，但交流電橋的平使用交流電橋法雖然能較準(zhǔn)確的測(cè)量電感，但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測(cè)量衡過程復(fù)雜，而且通過測(cè)量Q Q值確定電感的方法，誤差較大。采值確定電感的方法，誤差較大。采用時(shí)間常數(shù)的數(shù)字化測(cè)量方法測(cè)量電感較簡單實(shí)用。用時(shí)間常數(shù)的數(shù)字化測(cè)量方法測(cè)量電感較簡單實(shí)用。 一般電感含有線圈電阻一般電感

12、含有線圈電阻R R和寄生電容和寄生電容CoCo，通常，通常CoCo很小，在工很小，在工頻情況下可以忽略。所以實(shí)際電感可以視為一純電感頻情況下可以忽略。所以實(shí)際電感可以視為一純電感L L和電阻和電阻R R的串聯(lián)，其時(shí)間常數(shù)的串聯(lián)，其時(shí)間常數(shù)=L/R=L/R，測(cè)量電感的原理圖如圖，測(cè)量電感的原理圖如圖6 65 5所示所示 電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 65 5 時(shí)間常數(shù)法測(cè)量電感的基本原理圖時(shí)間常數(shù)法測(cè)量電感的基本原理圖（a a）原理圖）原理圖 （b b）電流變化曲線圖）電流變化曲線圖電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張

13、劉春設(shè)計(jì) 在在t=0t=0時(shí)合上開關(guān)，電感中的電流時(shí)合上開關(guān)，電感中的電流i i將按指數(shù)曲線上升，其最將按指數(shù)曲線上升，其最大值為大值為I I。從圖中可看出，在開始階段變化的曲線和。從圖中可看出，在開始階段變化的曲線和t=0t=0時(shí)刻的切時(shí)刻的切線基本重合。線基本重合。I I與與i i交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為T T，從圖中可知，從圖中可知 IIT 只要先測(cè)出電感線圈的直流電阻，并已知只要先測(cè)出電感線圈的直流電阻，并已知U便可計(jì)算出便可計(jì)算出I，則，則由測(cè)定的由測(cè)定的T即可求得即可求得，從而計(jì)算出，從而計(jì)算出L=R。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)二、

14、二、 頻率和相位的測(cè)量頻率和相位的測(cè)量（一）頻率的測(cè)量（一）頻率的測(cè)量 在電子測(cè)量技術(shù)中，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，而且頻率測(cè)在電子測(cè)量技術(shù)中，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，而且頻率測(cè)量的精度已經(jīng)達(dá)到了量的精度已經(jīng)達(dá)到了1010-13-13數(shù)量級(jí)，是目前物理量中能測(cè)量的最數(shù)量級(jí)，是目前物理量中能測(cè)量的最精確的參數(shù)之一。因此，在檢測(cè)技術(shù)中常常將一些非電量或其精確的參數(shù)之一。因此，在檢測(cè)技術(shù)中常常將一些非電量或其它電參量先轉(zhuǎn)換成頻率，然后加以測(cè)量，以提高測(cè)量精度。目它電參量先轉(zhuǎn)換成頻率，然后加以測(cè)量，以提高測(cè)量精度。目前測(cè)量頻率的方法有電橋法、諧振法、差頻法、電子計(jì)數(shù)法等，前測(cè)量頻率的方法有電橋法、諧振法

15、、差頻法、電子計(jì)數(shù)法等，本節(jié)主要介紹計(jì)數(shù)法的測(cè)量原理。本節(jié)主要介紹計(jì)數(shù)法的測(cè)量原理。 計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率就是按此定義設(shè)計(jì)的方案，其測(cè)量原理圖如計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率就是按此定義設(shè)計(jì)的方案，其測(cè)量原理圖如圖圖6 66 6和波形圖如圖和波形圖如圖6 67 7所示。所示。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 66 6 計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率原理圖計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率原理圖電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 67 7 計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率的各點(diǎn)波形圖計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率的各點(diǎn)波形圖電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)從圖中可以看出，它是由以下幾

16、部分組成：從圖中可以看出，它是由以下幾部分組成：（1 1）輸入通道）輸入通道 一般由通道放大電路和整形電路組成，整形后方波信號(hào)的幅一般由通道放大電路和整形電路組成，整形后方波信號(hào)的幅度應(yīng)與主閘門的邏輯輸入開門信號(hào)相匹配。度應(yīng)與主閘門的邏輯輸入開門信號(hào)相匹配。（2 2）時(shí)間基準(zhǔn)電路）時(shí)間基準(zhǔn)電路 通常采用石英晶體振蕩器經(jīng)整形和一系列的分頻電路構(gòu)成時(shí)通常采用石英晶體振蕩器經(jīng)整形和一系列的分頻電路構(gòu)成時(shí)間基準(zhǔn)。間基準(zhǔn)。（3 3）控制電路）控制電路 用來使主閘門在所選擇的基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)打開，使整形后的被測(cè)用來使主閘門在所選擇的基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)打開，使整形后的被測(cè)脈沖信號(hào)通過并送往計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而顯示器的小數(shù)點(diǎn)受時(shí)

17、間脈沖信號(hào)通過并送往計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而顯示器的小數(shù)點(diǎn)受時(shí)間基準(zhǔn)選擇電路同步控制，所以即使選用不同的時(shí)間基準(zhǔn)，顯基準(zhǔn)選擇電路同步控制，所以即使選用不同的時(shí)間基準(zhǔn)，顯示器上仍能顯示被測(cè)頻率的值。示器上仍能顯示被測(cè)頻率的值。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)（4 4）工作原理）工作原理 首先將被測(cè)頻率首先將被測(cè)頻率fx其波形經(jīng)整形放大后使它變?yōu)橐唤M系列脈其波形經(jīng)整形放大后使它變?yōu)橐唤M系列脈沖，可便于脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)器只在控制門開啟時(shí)才沖，可便于脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)器只在控制門開啟時(shí)才能對(duì)被測(cè)頻率能對(duì)被測(cè)頻率fx的脈沖計(jì)數(shù)?？刂崎T開啟時(shí)間是由石英振蕩的脈沖計(jì)數(shù)

18、。控制門開啟時(shí)間是由石英振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖經(jīng)脈沖器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖經(jīng)脈沖(周期為周期為T0)分頻器分頻以后得到的。分頻器分頻以后得到的。若分頻倍數(shù)為若分頻倍數(shù)為K倍，則控制門開啟時(shí)間為倍，則控制門開啟時(shí)間為TD=KT0，在這一段，在這一段時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，其值為時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，其值為N=TDfx 如果選如果選TD1s，則可把上式寫為，則可把上式寫為 N=fx 所計(jì)數(shù)值可由數(shù)碼管直接顯示出來。這種方法具有采樣速度快，所計(jì)數(shù)值可由數(shù)碼管直接顯示出來。這種方法具有采樣速度快，便于多路輸入，對(duì)于自動(dòng)測(cè)量、遙遠(yuǎn)測(cè)量均極為方便。便于多路輸入，對(duì)于自動(dòng)測(cè)量、遙遠(yuǎn)測(cè)量均極為方便。電氣工程概論

19、電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)（二）相位的測(cè)量（二）相位的測(cè)量 相位是交流信號(hào)的一個(gè)重要的參數(shù)，相位的數(shù)字化測(cè)量應(yīng)用相位是交流信號(hào)的一個(gè)重要的參數(shù)，相位的數(shù)字化測(cè)量應(yīng)用類似頻率計(jì)測(cè)量時(shí)間的原理。利用相位類似頻率計(jì)測(cè)量時(shí)間的原理。利用相位- -頻率轉(zhuǎn)換器測(cè)量的原理頻率轉(zhuǎn)換器測(cè)量的原理如圖如圖6 68 8所示。所示。圖圖6 68 8 相位頻率轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)原理圖相位頻率轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)原理圖(a) (a) 原理圖；原理圖；(b)(b)轉(zhuǎn)換波形圖轉(zhuǎn)換波形圖電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)由圖可知，被測(cè)相位為：由圖可知，被測(cè)相位為

20、： XOOOXxNTTTT360360式中，式中，To時(shí)標(biāo)脈沖的周期；時(shí)標(biāo)脈沖的周期； Nx在在Tx時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值；時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值； T被測(cè)信號(hào)的周期。被測(cè)信號(hào)的周期。由于由于T也是未知量，所以必須經(jīng)過兩次測(cè)量，并經(jīng)過計(jì)算得到也是未知量，所以必須經(jīng)過兩次測(cè)量，并經(jīng)過計(jì)算得到x。因?yàn)橐驗(yàn)門=NTT0。所以。所以0360TXXNN電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)從上式中可以看出，該測(cè)量方法的精確度直接受時(shí)標(biāo)頻率的影響。從上式中可以看出，該測(cè)量方法的精確度直接受時(shí)標(biāo)頻率的影響。例如，精度要求為例如，精度要求為0.10.10 0。則要求。則要求T T0 0/T0.1

21、/T0.10 0/360/3600 0,f,f0 03600f3600fx x，即，即當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率增大時(shí)，時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率相應(yīng)加大到當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率增大時(shí)，時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率相應(yīng)加大到36003600倍。倍。當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波或三角波時(shí)，必須首先經(jīng)過整形變?yōu)榉讲ㄐ女?dāng)輸入信號(hào)為正弦波或三角波時(shí)，必須首先經(jīng)過整形變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。轉(zhuǎn)換時(shí)的門限電平的漂移會(huì)給測(cè)量帶來較大的誤差。號(hào)。轉(zhuǎn)換時(shí)的門限電平的漂移會(huì)給測(cè)量帶來較大的誤差。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)三、電壓的測(cè)量三、電壓的測(cè)量從測(cè)量的角度來講，一般根據(jù)被測(cè)電壓的類型可以分為直流電從測(cè)量的角度來講，一般根據(jù)被測(cè)電壓的

22、類型可以分為直流電壓、交流電壓和脈沖電壓。對(duì)于直流電壓的測(cè)量，相對(duì)來講比壓、交流電壓和脈沖電壓。對(duì)于直流電壓的測(cè)量，相對(duì)來講比較簡單，因此，本節(jié)著重介紹交流電壓和脈沖電壓的測(cè)量。較簡單，因此，本節(jié)著重介紹交流電壓和脈沖電壓的測(cè)量。 （一）交流電壓的測(cè)量（一）交流電壓的測(cè)量交流電壓可用平均值、有效值、峰值來表征。交流電壓可用平均值、有效值、峰值來表征。1 1、交流電壓平均值的測(cè)量、交流電壓平均值的測(cè)量交流電壓平均值的表達(dá)式為交流電壓平均值的表達(dá)式為dttuTUT0)(10)(1dttuTU全波全波 半波半波 平均值在電路上的實(shí)現(xiàn)通常使用線性檢波器。為了獲得轉(zhuǎn)換精度平均值在電路上的實(shí)現(xiàn)通常使用線性

23、檢波器。為了獲得轉(zhuǎn)換精度高、線性度好、頻率范圍寬和動(dòng)態(tài)過程短的檢波效果，通常采用高、線性度好、頻率范圍寬和動(dòng)態(tài)過程短的檢波效果，通常采用運(yùn)算放大器的負(fù)反饋特性克服二極管檢波的非線性，構(gòu)成線性檢運(yùn)算放大器的負(fù)反饋特性克服二極管檢波的非線性，構(gòu)成線性檢波器，也稱平均值檢波器。波器，也稱平均值檢波器。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 69 9 半波線性檢波器半波線性檢波器(a) (a) 原理圖；原理圖；(b)(b)線性檢波特性圖線性檢波特性圖電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì) 圖圖69所示電路為反相半波檢波器，當(dāng)輸入

24、信號(hào)所示電路為反相半波檢波器，當(dāng)輸入信號(hào)Ui0時(shí)，時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓運(yùn)放的輸出電壓Ui0，二極管，二極管VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1截止，運(yùn)放處于截止，運(yùn)放處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，檢波器的輸出電壓深度負(fù)反饋狀態(tài)，檢波器的輸出電壓Uo=0。當(dāng)。當(dāng)Ui0時(shí)，時(shí)，VD2截截止，止，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，Uo=（R2/R1）Ui，即輸出電壓與輸入電壓成，即輸出電壓與輸入電壓成正比，實(shí)現(xiàn)了線性檢波。正比，實(shí)現(xiàn)了線性檢波。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)2 2、交流電壓有效值的測(cè)量、交流電壓有效值的測(cè)量 在實(shí)際應(yīng)用中，交流電壓的有效值比峰值、平均值更為常用。因在實(shí)際應(yīng)用中，交流

25、電壓的有效值比峰值、平均值更為常用。因?yàn)榉钦译妷旱挠行е挡荒苡梅逯祷蚱骄涤枰該Q算。交流電壓為非正弦電壓的有效值不能用峰值或平均值予以換算。交流電壓u(t)u(t)的有效值的有效值UrmsUrms的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：TrmsdttuTU02)(1其有效值的檢波器的電路原理圖如圖其有效值的檢波器的電路原理圖如圖6 61010所示。所示。A1A1、A2A2為差分為差分放大器，放大器，A3A3為倒相器，為倒相器，A4A4為積分器，為積分器，M M為乘法器。由圖可知為乘法器。由圖可知)(220iMUUKU式中，式中，K KM M的傳輸系數(shù)的傳輸系數(shù)電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參

26、數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 610 10 有效值檢波器的原理圖有效值檢波器的原理圖電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)TTTiiidtuTUKdtuTKKUdtuUKTa000220222200)1()(1將將U UM M分解為傅里葉級(jí)數(shù)后的直流分量為分解為傅里葉級(jí)數(shù)后的直流分量為式中：式中： 為為 有效值的平方。有效值的平方。TidtuT021iuTiTdtUUKRCdtaRCU0220000)(11由于系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，最終使得由于系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，最終使得U U0202-U-Ui2i2=0,=0,則則U U0 0=U=Ui i，即輸出，即輸

27、出U U0 0就是輸入就是輸入U(xiǎn) Ui i的有效值。的有效值。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)3 3、交流電壓的峰值的測(cè)量、交流電壓的峰值的測(cè)量對(duì)于交流電壓或一些脈沖電壓信號(hào)需要進(jìn)行峰值的測(cè)量。當(dāng)輸對(duì)于交流電壓或一些脈沖電壓信號(hào)需要進(jìn)行峰值的測(cè)量。當(dāng)輸入信號(hào)的波峰系數(shù)一定時(shí)，將信號(hào)的峰值保持一段時(shí)間，然后入信號(hào)的波峰系數(shù)一定時(shí)，將信號(hào)的峰值保持一段時(shí)間，然后進(jìn)行測(cè)量，該變換電路就稱為峰值檢波器或峰值保持器。因此進(jìn)行測(cè)量，該變換電路就稱為峰值檢波器或峰值保持器。因此波峰系數(shù)為：波峰系數(shù)為： rmspmUUK對(duì)于純交流電壓的波峰系數(shù)為對(duì)于純交流電壓的波峰系數(shù)

28、為 2mK常見的最基本的峰值檢波器是由一個(gè)二極管和一個(gè)保持電容組常見的最基本的峰值檢波器是由一個(gè)二極管和一個(gè)保持電容組成，如圖成，如圖6 61111所示。所示。慢放電：慢放電：快充電：快充電： 電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量maxRCTminddR CT張劉春設(shè)計(jì)式中，式中， 放電回路的時(shí)間常數(shù)放電回路的時(shí)間常數(shù) 充電回路的時(shí)間常數(shù)充電回路的時(shí)間常數(shù) 被測(cè)信號(hào)的最大周期被測(cè)信號(hào)的最大周期 被測(cè)信號(hào)的最小周期被測(cè)信號(hào)的最小周期 則，則，U Uo o即為即為U Ui i的峰值。的峰值。dmaxTminT圖圖6 611 11 基本峰值檢波器基本峰值檢波器電氣工程概論電

29、氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)四、磁測(cè)量四、磁測(cè)量磁測(cè)量包含的范圍很廣，大致可以分為三個(gè)方面：磁測(cè)量包含的范圍很廣，大致可以分為三個(gè)方面：（1 1）對(duì)磁場(chǎng)和磁性材料的測(cè)量；）對(duì)磁場(chǎng)和磁性材料的測(cè)量；（2 2）分析物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)，觀察物質(zhì)在磁場(chǎng)中的各種效應(yīng)；）分析物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)，觀察物質(zhì)在磁場(chǎng)中的各種效應(yīng)；（3 3）在邊緣學(xué)科領(lǐng)域中，利用磁場(chǎng)與其他物理量的關(guān)系，）在邊緣學(xué)科領(lǐng)域中，利用磁場(chǎng)與其他物理量的關(guān)系，通過測(cè)量磁性來測(cè)出其它量。通過測(cè)量磁性來測(cè)出其它量。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì) 以下主要介紹測(cè)量磁場(chǎng)的沖擊法和霍爾效應(yīng)法

30、。以下主要介紹測(cè)量磁場(chǎng)的沖擊法和霍爾效應(yīng)法。（一）沖擊法（一）沖擊法 圖圖6 614 14 沖擊法測(cè)量原理沖擊法測(cè)量原理 (a)(a)沖擊原理圖；沖擊原理圖；(b)(b)等效電路等效電路沖擊法的測(cè)量原理如圖沖擊法的測(cè)量原理如圖6 61414所示。所示。 電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)線圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為線圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為此電動(dòng)勢(shì)將在測(cè)量回路中引起脈沖電流此電動(dòng)勢(shì)將在測(cè)量回路中引起脈沖電流i(t)i(t)，設(shè)測(cè)量回路的總，設(shè)測(cè)量回路的總電阻為電阻為R R，總自感為，總自感為L L，其等效回路如圖，其等效回路如圖6-14(b) 6-14(b) 所示，則有

31、所示，則有(6-4)(6-4)為了找出磁通變化與通過沖擊電流計(jì)電量之間的關(guān)系，我們將為了找出磁通變化與通過沖擊電流計(jì)電量之間的關(guān)系，我們將式式(6-4)(6-4)兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得式中式中t t0 0為磁通變化的持續(xù)時(shí)間。為磁通變化的持續(xù)時(shí)間。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)由于磁通開始變化前和變化結(jié)束后，電路中電流都為零，即由于磁通開始變化前和變化結(jié)束后，電路中電流都為零，即i(ti(t0 0) ) i(0)i(0)0 0故得到故得到(6-5)(6-5)式中式中Q Q為通過沖擊電流計(jì)的總電量。為通過沖擊電流計(jì)的總電量。

32、電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)（二）霍爾效應(yīng)法（二）霍爾效應(yīng)法將一塊金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片放在磁場(chǎng)中，如圖將一塊金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片放在磁場(chǎng)中，如圖6 61515所示，所示，沿垂直于磁場(chǎng)的方向上通以電流沿垂直于磁場(chǎng)的方向上通以電流I I，這些運(yùn)動(dòng)著的電子，在，這些運(yùn)動(dòng)著的電子，在磁場(chǎng)中將受到絡(luò)侖磁力的作用，而使電子偏向薄片的磁場(chǎng)中將受到絡(luò)侖磁力的作用，而使電子偏向薄片的x x面，面，從而在從而在x x，y y兩個(gè)面形成一個(gè)電壓兩個(gè)面形成一個(gè)電壓U UH H, ,這個(gè)效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，電壓電壓U UH H稱為霍爾電壓。稱為霍爾電壓。

33、電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 615 15 霍爾效應(yīng)法霍爾效應(yīng)法電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量張劉春設(shè)計(jì))(clibfdRUHHx,yx,y兩側(cè)面間的霍爾電壓為兩側(cè)面間的霍爾電壓為 式中：式中：RH霍爾系數(shù)，它與材料的性質(zhì)有關(guān)；霍爾系數(shù)，它與材料的性質(zhì)有關(guān)； d半導(dǎo)體薄片的厚度；半導(dǎo)體薄片的厚度； b半導(dǎo)體薄片的寬度；半導(dǎo)體薄片的寬度；霍爾片的形狀系數(shù)；)(clf l半導(dǎo)體薄片的長度；半導(dǎo)體薄片的長度； 霍爾元件中的電場(chǎng)強(qiáng)度霍爾元件中的電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系，有的關(guān)系，有 其中，其中，則可求出

34、霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，有則可求出霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，有即測(cè)出了霍爾電壓，就可以求出空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度即測(cè)出了霍爾電壓，就可以求出空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。電氣工程概論電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測(cè)量電磁參數(shù)的測(cè)量HER jBiijsdbHHiUEbRBdHHdBUiR張劉春設(shè)計(jì)作業(yè)P290T6-2、T6-5、T6-6張劉春設(shè)計(jì) 電氣工程概論電氣工程概論 第六章電氣測(cè)量技術(shù)第六章電氣測(cè)量技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)引言引言 傳感器是一種能夠感受到規(guī)定的被測(cè)量并按照傳感器是一種能夠感受到規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律再轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，即一定規(guī)律再轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，即是一種以一

35、定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)是一種以一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。非應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。非電量測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)就是如何將非電量轉(zhuǎn)換成電量電量測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)就是如何將非電量轉(zhuǎn)換成電量的技術(shù)的技術(shù)傳感技術(shù)。傳感技術(shù)。 從應(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)所轉(zhuǎn)換的物理類型可從應(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)所轉(zhuǎn)換的物理類型可分為：電參量、磁電式、壓電式、光電式、熱電式分為：電參量、磁電式、壓電式、光電式、熱電式等。等。電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)（一）電阻式傳感器（一）電阻式傳感器電阻式傳感器是指將有關(guān)非電量（如位移

36、、壓力、流量等）電阻式傳感器是指將有關(guān)非電量（如位移、壓力、流量等）變換成與電阻阻值有關(guān)的電量傳感器。它包括線性電位器傳變換成與電阻阻值有關(guān)的電量傳感器。它包括線性電位器傳感器、非線性電位器傳感器、電阻應(yīng)變傳感器、壓力傳感器感器、非線性電位器傳感器、電阻應(yīng)變傳感器、壓力傳感器和金屬電阻傳感器，本文介紹一種電阻應(yīng)變傳感器。和金屬電阻傳感器，本文介紹一種電阻應(yīng)變傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是利用元件的電阻隨著機(jī)械形變的大小而電阻應(yīng)變式傳感器是利用元件的電阻隨著機(jī)械形變的大小而變化，其電阻應(yīng)變片是用直徑為變化，其電阻應(yīng)變片是用直徑為0.025mm0.025mm的具有高電阻率的的具有高電阻率的金屬電阻絲制

37、成，如圖金屬電阻絲制成，如圖6 61616所示。圖中，所示。圖中，l l為應(yīng)變片的標(biāo)距為應(yīng)變片的標(biāo)距或稱為工作基長，或稱為工作基長，b b稱為應(yīng)變片的工作寬度。應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換稱為應(yīng)變片的工作寬度。應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換原理是金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬絲的電原理是金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬絲的電阻值隨其變形而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。阻值隨其變形而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 616 16 電阻應(yīng)變片的形狀電阻應(yīng)變片的形狀 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)張劉春設(shè)計(jì)（二）電容式傳感器

38、（二）電容式傳感器 電容式傳感器利用電容器的原理，將非電量（如壓力、溫度電容式傳感器利用電容器的原理，將非電量（如壓力、溫度等）轉(zhuǎn)化為電容量，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化和測(cè)量。等）轉(zhuǎn)化為電容量，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化和測(cè)量。平板電容器和圓筒形電容器如圖平板電容器和圓筒形電容器如圖6 61717所示。所示。 圖圖6 617 17 兩種常用電容器兩種常用電容器 a) a) 圓筒形電容器圓筒形電容器 b)b)平板電容器平板電容器 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)平板電容器的電容為平板電容器的電容為式中式中C C為電容量為電容量(F)(F)；d d為兩平行極板的距離

39、為兩平行極板的距離(m)(m)；r r為極板間為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；0 0為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)；為極板間介質(zhì)為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；的介電常數(shù)；A A為極板相互遮蓋面積。為極板相互遮蓋面積。圓筒形電容器的電容為圓筒形電容器的電容為式中式中C C為電容量為電容量(F)(F)；l l為圓筒的長度為圓筒的長度(m)(m)；R R為外圓的半徑為外圓的半徑(m)(m) ；r r為內(nèi)圓的半徑為內(nèi)圓的半徑(m)(m) 。由此可見，電容式傳感器的基本工作原理是通過改變電容器的由此可見，電容式傳感器的基本工作原理是通過改變電容器的參數(shù)參數(shù)r r 、d d、A A（或（或l l

40、）中的任何一個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)電容量）中的任何一個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)電容量C C的改的改變。根據(jù)改變的量的不同可以分為變間隙型、變面積型和變介變。根據(jù)改變的量的不同可以分為變間隙型、變面積型和變介電常數(shù)型。電常數(shù)型。電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)（三）氣敏傳感器（三）氣敏傳感器氣敏傳感器利用了氣體的某些物理化學(xué)性質(zhì)，將被測(cè)氣體的某氣敏傳感器利用了氣體的某些物理化學(xué)性質(zhì)，將被測(cè)氣體的某些特定成分轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電信號(hào)。氣敏傳感器具有測(cè)量范些特定成分轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電信號(hào)。氣敏傳感器具有測(cè)量范圍寬，精度高，靈敏度高，工作可靠，體積小，成本低等一系圍寬，精度高，靈敏度高，工作可靠

41、，體積小，成本低等一系列特點(diǎn)，它廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、環(huán)保、醫(yī)療等各列特點(diǎn)，它廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、環(huán)保、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域中。半導(dǎo)體式氣敏元件發(fā)展最為迅速，下面介紹半導(dǎo)體個(gè)領(lǐng)域中。半導(dǎo)體式氣敏元件發(fā)展最為迅速，下面介紹半導(dǎo)體式氣敏傳感器。氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)見圖式氣敏傳感器。氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)見圖6 618a18a。電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 618 18 氣敏電阻結(jié)構(gòu)及原理圖氣敏電阻結(jié)構(gòu)及原理圖(a)(a)結(jié)構(gòu)圖；結(jié)構(gòu)圖；(b)(b)工作原理圖工作原理圖1 1加熱電極加熱電極 2 2氣敏材料氣敏材料 3 3信號(hào)引出電極信號(hào)引出電極電氣工程概

42、論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)其工作原理見圖其工作原理見圖6 618b18b，通電后，元件被加熱，阻值迅速下，通電后，元件被加熱，阻值迅速下降，一般經(jīng)降，一般經(jīng)2 21010分鐘后，阻值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一狀態(tài)稱分鐘后，阻值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為初始穩(wěn)定狀態(tài)。到達(dá)初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間的長短與環(huán)境條件為初始穩(wěn)定狀態(tài)。到達(dá)初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間的長短與環(huán)境條件有關(guān)。必須指出，使用元件時(shí)必須預(yù)熱，待元件達(dá)到初始穩(wěn)有關(guān)。必須指出，使用元件時(shí)必須預(yù)熱，待元件達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，才能開始測(cè)量。定狀態(tài)時(shí)，才能開始測(cè)量。張劉春設(shè)計(jì) 當(dāng)加熱的

43、氣敏電阻表面接觸并吸附被測(cè)氣體時(shí)，被吸附的氣體分子首先在表面擴(kuò)散而失去動(dòng)能，此間部分氣體分子被蒸發(fā)，剩余的氣體分子被離解而固定在吸附位置上。若氣敏元件材料的功率函數(shù)比被吸附氣體分子的電子的親和力小，則被吸附的氣體分子就從元件表面奪取電子，以陰離子形式被吸附。具有陰離子吸附性質(zhì)的氣體稱為氧化性氣體（如O2等）。氣敏元件吸附的氧化性氣體會(huì)使載流子的數(shù)目減少，從而表現(xiàn)為元件的阻值增加，如圖6-18(b)中虛線所示。若氣敏元件的材料的功率函數(shù)大于被吸附氣體的離子化動(dòng)能，被吸附氣體的電子被元件俘獲，而以陽離子形式被吸附。具有陽離子吸附特性的氣體稱為還原性氣體（如H2、CO等）。還原性氣體被吸附時(shí)，會(huì)以載

44、流子的數(shù)目增加，表現(xiàn)出元件的阻值減小的特性，如同6-18(b)實(shí)線所示。電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)（四）超聲波式傳感器（四）超聲波式傳感器超聲波傳感器包含了超聲波發(fā)生器和超聲波接受裝置。超聲波傳感器包含了超聲波發(fā)生器和超聲波接受裝置。 超聲波發(fā)生器是利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)，在電極上施超聲波發(fā)生器是利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)，在電極上施加頻率高于加頻率高于20kHz20kHz的交流電，壓電晶體就會(huì)產(chǎn)生超聲機(jī)械振動(dòng)，的交流電，壓電晶體就會(huì)產(chǎn)生超聲機(jī)械振動(dòng)，從而發(fā)出超聲波，如圖從而發(fā)出超聲波，如圖6-206-20（a a）。）。 圖圖6 620 20 超聲波

45、發(fā)生器和接受器原理圖超聲波發(fā)生器和接受器原理圖 (a)(a)超聲波發(fā)生器原理圖；超聲波發(fā)生器原理圖；(b)(b)超聲波接受器原理圖超聲波接受器原理圖電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)超聲波接收器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)原理工作的，其原超聲波接收器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)原理工作的，其原理圖如圖理圖如圖6 620b20b所示。在壓電晶體的電軸或機(jī)械軸的兩端面所示。在壓電晶體的電軸或機(jī)械軸的兩端面施加某一頻率的超聲波，則在壓電晶體的電軸的兩個(gè)端面出施加某一頻率的超聲波，則在壓電晶體的電軸的兩個(gè)端面出現(xiàn)頻率與外加超聲波頻率相同的交變電荷，交變電荷的幅值現(xiàn)頻率與外加超聲波

46、頻率相同的交變電荷，交變電荷的幅值與所施加的超聲波強(qiáng)度成正比。通過測(cè)量電路將交變的電荷與所施加的超聲波強(qiáng)度成正比。通過測(cè)量電路將交變的電荷轉(zhuǎn)化為電壓或電流輸出。轉(zhuǎn)化為電壓或電流輸出。 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)（五）紅外式傳感器（五）紅外式傳感器紅外式傳感器通過檢測(cè)紅外線特征的變化，并轉(zhuǎn)換成各種便紅外式傳感器通過檢測(cè)紅外線特征的變化，并轉(zhuǎn)換成各種便于測(cè)量的物理量，可以測(cè)量各種非電量。目前，將紅外線轉(zhuǎn)于測(cè)量的物理量，可以測(cè)量各種非電量。目前，將紅外線轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的紅外敏感元件可分為兩類：紅外熱探測(cè)器和換

47、成便于測(cè)量的紅外敏感元件可分為兩類：紅外熱探測(cè)器和紅外光電探測(cè)器。這些紅外式傳感器廣泛地應(yīng)用于熱工量、紅外光電探測(cè)器。這些紅外式傳感器廣泛地應(yīng)用于熱工量、機(jī)械量、成分量及開關(guān)量的檢測(cè)。機(jī)械量、成分量及開關(guān)量的檢測(cè)。張劉春設(shè)計(jì)光電紅外探測(cè)器根據(jù)采用的敏感元件的不同，可以分為光電導(dǎo)光電紅外探測(cè)器根據(jù)采用的敏感元件的不同，可以分為光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器和光生伏特型紅外探測(cè)器。光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器型紅外探測(cè)器和光生伏特型紅外探測(cè)器。光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器的原理圖如圖的原理圖如圖6 62121所示，其工作原理是將被測(cè)目標(biāo)輻射的紅所示，其工作原理是將被測(cè)目標(biāo)輻射的紅外光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦和調(diào)制器調(diào)制成脈沖光投射在根據(jù)光

48、電效外光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦和調(diào)制器調(diào)制成脈沖光投射在根據(jù)光電效應(yīng)制成的紅外光敏電阻上，紅外光敏電阻的交變信號(hào)經(jīng)測(cè)量電應(yīng)制成的紅外光敏電阻上，紅外光敏電阻的交變信號(hào)經(jīng)測(cè)量電路、前置放大和選頻放大，最后調(diào)制成直流信號(hào)放大輸出。路、前置放大和選頻放大，最后調(diào)制成直流信號(hào)放大輸出。 熱紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋晶體的熱釋電效應(yīng)制成的。其工作原熱紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋晶體的熱釋電效應(yīng)制成的。其工作原理為：熱釋電晶體在調(diào)制角頻率理為：熱釋電晶體在調(diào)制角頻率的紅外光作用下，由于熱釋的紅外光作用下，由于熱釋電效應(yīng)，晶體的兩端面產(chǎn)生角頻率為電效應(yīng)，晶體的兩端面產(chǎn)生角頻率為的面束縛電荷的面束縛電荷q qs s, ,則當(dāng)則當(dāng)足

49、夠高時(shí)，晶體內(nèi)部和外部的自由電荷來不及中和面束縛電荷足夠高時(shí)，晶體內(nèi)部和外部的自由電荷來不及中和面束縛電荷q qs s，兩端面有電荷的累積，見圖，兩端面有電荷的累積，見圖6 622a22a。 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 621 21 光導(dǎo)型紅外探測(cè)器光導(dǎo)型紅外探測(cè)器 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)（六）光電式傳感器（六）光電式傳感器當(dāng)光照射在某些物質(zhì)上，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而釋放當(dāng)光照射在某些物質(zhì)上，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而釋放電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、光導(dǎo)

50、效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。利用這種光電效應(yīng)制造的轉(zhuǎn)換元件稱為光電式傳感器。利用這種光電效應(yīng)制造的轉(zhuǎn)換元件稱為光電式傳感器。目前對(duì)于光電元件信號(hào)的檢測(cè)方法有以下幾種：目前對(duì)于光電元件信號(hào)的檢測(cè)方法有以下幾種：1 1）透射式）透射式 2 2）反射式）反射式 3 3）輻射式）輻射式 4 4）遮擋式）遮擋式 5 5）開關(guān)式）開關(guān)式 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 623 23 光電元件的信號(hào)監(jiān)測(cè)方法光電元件的信號(hào)監(jiān)測(cè)方法a a）透射式）透射式 b)b)反射式反射式 c c）輻射式）輻射式 d)d)遮擋式遮擋式電氣工程

51、概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)（七）變送器（七）變送器變送器將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。變送器種類繁變送器將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。變送器種類繁多，但按其應(yīng)用場(chǎng)合可以分為電量變送器和非電量變送器兩多，但按其應(yīng)用場(chǎng)合可以分為電量變送器和非電量變送器兩大類，常用的電量變送器有電壓、電流、功率等，而常用的大類，常用的電量變送器有電壓、電流、功率等，而常用的非電量變送器有溫度、壓力、流量等。下面介紹幾種常用的非電量變送器有溫度、壓力、流量等。下面介紹幾種常用的變送器。變送器。 1 1、交流電流、電壓變送器、交流電流、電壓變送器將被測(cè)交流電流或交流電壓變換為與其成

52、線性比例的直流將被測(cè)交流電流或交流電壓變換為與其成線性比例的直流電流或直流電壓。其原理框圖如圖電流或直流電壓。其原理框圖如圖6 62424所示。所示。 電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)圖圖6 624 24 交流電流、電壓變送器原理框圖交流電流、電壓變送器原理框圖電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)被測(cè)交流信號(hào)經(jīng)輸出互感器耦合送入整流濾波電路，轉(zhuǎn)換成被測(cè)交流信號(hào)經(jīng)輸出互感器耦合送入整流濾波電路，轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)電流，經(jīng)有源濾波輸出一個(gè)非常穩(wěn)定的直流。補(bǔ)償單向脈動(dòng)電流，經(jīng)有源濾波輸出一個(gè)非常穩(wěn)定的直流。補(bǔ)償電路用于小信號(hào)時(shí)互感器鐵心磁化曲線

53、的非線性影響和改善電路用于小信號(hào)時(shí)互感器鐵心磁化曲線的非線性影響和改善整機(jī)的溫度特性。電流、電壓變送器還有有效值變送器、峰整機(jī)的溫度特性。電流、電壓變送器還有有效值變送器、峰值變送器，超低頻電流、電壓變送器等。值變送器，超低頻電流、電壓變送器等。2 2、 溫度變送器溫度變送器電氣工程概論電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)3 3、壓力變送器、壓力變送器張劉春設(shè)計(jì)電氣工程概論電氣工程概論 第六章電氣測(cè)量技術(shù)第六章電氣測(cè)量技術(shù)張劉春設(shè)計(jì)一、穩(wěn)態(tài)高電壓的測(cè)量一、穩(wěn)態(tài)高電壓的測(cè)量 穩(wěn)態(tài)高電壓，主要是指工頻交流高電壓和直流高電壓，穩(wěn)態(tài)高電壓，主要是指工頻交流高電壓和直流高電壓，測(cè)量高電壓的難度在于

54、測(cè)量時(shí)往往有泄漏的影響、電暈的影測(cè)量高電壓的難度在于測(cè)量時(shí)往往有泄漏的影響、電暈的影響，在交流電壓下還有雜散參數(shù)的影響。電壓高達(dá)數(shù)兆伏時(shí)，響，在交流電壓下還有雜散參數(shù)的影響。電壓高達(dá)數(shù)兆伏時(shí)，難度更大。難度更大。 在高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量交流高電壓的方法很多，目前常用在高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量交流高電壓的方法很多，目前常用的有下列幾種：的有下列幾種：1 1）利用氣體放電測(cè)量交流高電壓；）利用氣體放電測(cè)量交流高電壓；2 2）利用）利用靜電力測(cè)量交流高電壓；靜電力測(cè)量交流高電壓；3 3）采用電容分壓器系統(tǒng)來測(cè)量交流）采用電容分壓器系統(tǒng)來測(cè)量交流高電壓。以上前兩種均可用來直接測(cè)量穩(wěn)態(tài)高電壓，即交流高電壓。以上前兩

55、種均可用來直接測(cè)量穩(wěn)態(tài)高電壓，即交流高電壓和直流高電壓。高電壓和直流高電壓。 各種測(cè)量儀表的量程是有限度的，常常通過分壓器來擴(kuò)各種測(cè)量儀表的量程是有限度的，常常通過分壓器來擴(kuò)大儀表的量程，即讓被測(cè)電壓的大部分電壓降降落在分壓器大儀表的量程，即讓被測(cè)電壓的大部分電壓降降落在分壓器的高壓臂上，測(cè)量儀表測(cè)得的僅是低壓臂上的電壓降，再乘的高壓臂上，測(cè)量儀表測(cè)得的僅是低壓臂上的電壓降，再乘上分壓比即可得被測(cè)電壓。上分壓比即可得被測(cè)電壓。電氣工程概論電氣工程概論 6.3 高壓實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)量高壓實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)( (一一) ) 球隙測(cè)量法球隙測(cè)量法球隙法主要用于交流電壓、標(biāo)準(zhǔn)全波沖擊電壓球隙法主

56、要用于交流電壓、標(biāo)準(zhǔn)全波沖擊電壓( (包括雷電波和操包括雷電波和操作波作波) )和直流電壓的測(cè)量。因球隙放電是與電壓峰值相關(guān)的，所和直流電壓的測(cè)量。因球隙放電是與電壓峰值相關(guān)的，所以測(cè)量的是電壓的峰值。當(dāng)銅球距離與銅球直徑之比大于以測(cè)量的是電壓的峰值。當(dāng)銅球距離與銅球直徑之比大于0.50.5時(shí)，時(shí)，其放電電壓數(shù)值的準(zhǔn)確性較差。其放電電壓數(shù)值的準(zhǔn)確性較差。圖圖6 625 25 球隙測(cè)量法的接線圖球隙測(cè)量法的接線圖C C0 0試品；試品；G G球隙球隙電氣工程概論電氣工程概論 6.3 高壓實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)量高壓實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)量張劉春設(shè)計(jì)測(cè)量球隙作為一種高電壓測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量球隙作為一種高電壓測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：1 1）可以測(cè)量穩(wěn)）可以測(cè)量穩(wěn)態(tài)高電壓和沖擊電壓的幅值，幾乎是直接測(cè)量超高電壓的唯一態(tài)高電壓和沖擊電壓的幅值，幾乎是直接測(cè)量超高電壓的唯一設(shè)備；設(shè)備；2 2）結(jié)構(gòu)簡單）結(jié)構(gòu)簡單! !容易自制或購買容易自制或購買! !不易損壞；不易損壞；3 3）有一定的）有一定的準(zhǔn)確度，一般