模擬式檢測儀表設(shè)計(jì)及實(shí)例

1、第1 2章模擬式檢測儀表設(shè)計(jì)及實(shí)例模擬式檢測儀表基本組成12.1 “表頭”的原理與刻度12.1.1 “表頭”的原理一、“表頭”的結(jié)構(gòu)一一動圈式磁電系測量機(jī)構(gòu)（最常見） 組成結(jié)構(gòu)如圖12-1-1所示：永久磁鐵 彈性支承 動圈及指針、動圈所受力矩:1、電磁力矩 Me bF bNLBioi， o是穿過動圈的磁鏈。0 NbLB、彈性力矩M kk , k是彈性支承的彈性系數(shù)；B是動圈的轉(zhuǎn)角。pl3 、阻尼力矩Md D , D是阻尼系數(shù)dt三、動圈的運(yùn)動方程：1、動態(tài)方程:M e驅(qū)使動圈轉(zhuǎn)動，而MdMk則阻止動圈轉(zhuǎn)動，因此根據(jù)轉(zhuǎn)動定律有:dt式中J動圈和與其固定連接的動圈框架及筆尖或指針構(gòu)成的慣性體的轉(zhuǎn)動

2、慣量。dt2該慣性體的轉(zhuǎn)動角加速度。將M e、Md、M k代入上式得動圈的動態(tài)方程:d2dJD k 0idt2dt2、靜態(tài)方程：若信號電流為直流I，在達(dá)到穩(wěn)定之后，上式左邊前兩項(xiàng)均為零，于是有:-IS°lk這就是動圈的靜態(tài)方程。式中S）稱為動圈式磁電系測量機(jī)構(gòu)的靜態(tài)靈敏度,S。max“表頭”的靈敏度 S。與動圈的滿偏電流Ig的倒數(shù)一一“Q /V”數(shù)成正比。四、直流電流表和直流電壓表圖12-1-21、直流電流表一一由動圈（內(nèi)阻為 r）并聯(lián)分流電阻 R構(gòu)成，電流表量程Im為1 m 1 g （1）R直流電流Ix與指針偏角成線性正比關(guān)系：maxIxS0 I gIxSoR IR r2、直流電壓

3、表一一由動圈串聯(lián)分壓電阻R構(gòu)成，電壓表的量程 um為Um Ig(r R)UmmxUxS0IgUxUmRS0rUx池12.1.2 “表頭”的刻度刻度（標(biāo)定）：給儀表輸入標(biāo)準(zhǔn)的被測量x,在表頭指針的偏轉(zhuǎn)處刻上被測量的數(shù)字一、線性刻度-一適用于線性檢測儀表直流電壓U X與指針偏角 成線性正比關(guān)系:X。SixSS Sx KS1SoSxKUi xSx Ux UiK3Ux1、刻度方程:2、量程上限值為xmaxUmKSxIg(R r)KSx3、儀表的標(biāo)定:1)兩點(diǎn)標(biāo)定(單極性 X) : (0, 0) , ( max,Xmax)xmax2)三點(diǎn)標(biāo)定(雙極性X) : (0, 0),( max , X max )

4、,(、非線性刻度一一適用于非線性檢測儀表1、非線性的產(chǎn)生：由于傳感器存在非線性，而測量電路中又沒有加入非線性校正電路，使測量電路輸出電壓 Ux與被測量x呈非線性函數(shù)關(guān)系:Ux f(x)2、刻度方程非線性刻度:SoR rf (x)3、儀表標(biāo)定:1)多點(diǎn)標(biāo)定。(xi, i), i 1,2, n,標(biāo)定點(diǎn)n越多，刻度越精密。2)直線擬合。若f(x)的非線性不太嚴(yán)重，可按最佳的擬合直線刻度。12.2調(diào)零、調(diào)滿度與量程切換零點(diǎn)和靈敏度漂移產(chǎn)生的誤差： 檢測儀表標(biāo)定時(shí)的輸入一一輸出關(guān)系S x式中，S儀表的標(biāo)稱靈敏度溫度變化、電源波動等原因使檢測儀表實(shí)際的輸入一一輸出關(guān)系變?yōu)閛 S x式中，0 儀表的零位(x

5、=0)輸出或零點(diǎn)漂移;s'儀表的實(shí)際靈敏度。S' =S+A S式中， S儀表的靈敏度漂移。在這種情況下，被測量在儀表度盤上的讀數(shù)X與被測量的實(shí)際值 x就有差距o S xx x x S12.2.2常見的調(diào)零電路一、傳感器調(diào)零電路例1、差動自感傳感器零位電壓補(bǔ)償電路一一圖例2、霍爾傳感器零位電壓補(bǔ)償電路一一圖二、電橋調(diào)零電路如圖 8-2-2、圖 10-2-2、圖 10-3-11 等三、放大器輸入偏移調(diào)零電路0 (S S) x12-2-15-5-10SU x U a xSx式中，Ua為前級測量電路的零位輸出。圖12-2-2 (a)中，須調(diào)整圖12-2-2 (b)中，須調(diào)整圖12-2-

6、2 (c)中，須調(diào)整12.2.3常見的調(diào)滿度電路Ub,使 Ub=UaUb和庫，使 Ua/R1=-Ub/R2Ub 使 Ub=U。檢測儀表的總靈敏度S°SxK一、調(diào)電源供電電壓（或供電電流）二、調(diào)放大器的增益三、調(diào)表頭量程電阻例題 12-2-1解：通常選 R仁R2=Ro, U0 5E（Rt一1）R3 RPi先調(diào)零：調(diào) RP1使R3+RP1=RO,即卩t=0C時(shí)，Uo=O。 再調(diào)滿度：調(diào) RP2,使t=100 C時(shí)，U0=100mV,即電源電壓為100mV20W 1(mV)常見的量程切換電路1/2滿度接近滿度的區(qū)域，即為提高模擬儀表的讀數(shù)精度，通常應(yīng)使表頭指針偏轉(zhuǎn)在maxmax2當(dāng)表頭指針

7、超出滿度時(shí)，就要切換到大一檔的量程；當(dāng)表頭指針較小時(shí)，就要切換到小一檔的量程。量程切換實(shí)質(zhì)上就是以換擋方式改變儀表的靈敏度。例題 12-2-2圖 12-2-4解：電路輸出電壓為U0 Uref巴RN電子歐姆表量程為Rxmax （Um/Uref）RN5Rn12.3模擬非線性校正非線性產(chǎn)生的原因：大多是由于傳感器的非線性。非線性產(chǎn)生的危害：非線性刻度容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差非線性校正的目的：就是使“表頭”能采用線性刻度。非線性校正的數(shù)學(xué)原理圖12-3-1一、數(shù)學(xué)原理非線性校正就是在非線性環(huán)節(jié)后，串接一個(gè)線性化器，只要該線性化器的特性曲線與非線性環(huán)節(jié)的特性曲線成反函數(shù)關(guān)系，就能達(dá)到線性校正的目的一一使整個(gè)儀表

8、的輸入-輸出特性變成線性關(guān)系。設(shè)U1f1（X）U2KU 1若U。Sf 1(U2)則U0 xSK、反函數(shù)電路，圖123-2UiU ff 1(Ui)0U ff(U。) Uiu。RR結(jié)論：將一個(gè)輸出輸入特性與被校正的非線性環(huán)節(jié)相同的非線性環(huán)節(jié)接入運(yùn)放的反饋 環(huán)路，再將此運(yùn)放與被校正的非線性環(huán)節(jié)串接起來，即可實(shí)現(xiàn)非線性校正。12.3.2 非線性校正實(shí)現(xiàn)方法 一、采用與已知傳感器特性函數(shù)相反的運(yùn)算電路 有些傳感器電路的輸出與輸入呈現(xiàn)明確的函數(shù)關(guān)系，可以采用與該函數(shù)關(guān)系相反的運(yùn) 算電路作為測量電路，以實(shí)現(xiàn)非線性校正。例如：電量與非電量呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系的傳感器接對數(shù)電路 電量與非電量呈現(xiàn)平方關(guān)系的傳感器接開方電

9、路 電量與非電量呈現(xiàn)開方關(guān)系的傳感器接平方電路 電量與非電量成反比的傳感器接反比電路。三、采用多項(xiàng)式運(yùn)算電路從標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取3個(gè)插值點(diǎn)(Xk，UQ(k 1,2,3)，求解如下3個(gè)方程：a0 a1U k a2U k2 xk(k 1,2,3)求得三個(gè)系數(shù)ao,a!,a2,用乘法、加法電路組合成的多項(xiàng)式運(yùn)算電路或AD538等集成運(yùn)算電路來實(shí)現(xiàn)二次多項(xiàng)式。U 0 S(a0 a1U a2U 2) S X三、采用折線近似的函數(shù)放大器電路設(shè)被測非電量x與傳感器及其接口電路輸出電壓U之間的函數(shù)關(guān)系為 U f (x)，在傳感器接口電路后串接一個(gè)能實(shí)現(xiàn)U0 Sf 1(U)的函數(shù)放大器電路，就可以實(shí)現(xiàn)非線性校正

10、，使U0 S x。函數(shù)放大器電路一般采用由二極管開關(guān)和電阻組成非線性網(wǎng)絡(luò)取代反相 放大器的輸入電阻Rr 或反饋電阻 Rf ，使反相放大器的輸出輸入關(guān)系呈多段折線逼近U 0 Sf 1(U) 曲線。12.4 環(huán)境及溫度誤差校正環(huán)境及溫度因素對測量的影響 一、環(huán)境因素對測量的影響 理想情況： 只有被測量 x 才是決定測量結(jié)果 y 的唯一因素， 即系統(tǒng)的輸入輸出特性 為一元函數(shù)y f(x)實(shí)際情況：除了被測量x夕卜，還有許多其它影響參量。 如溫度T、氣壓P、電源電壓E, 等等，系統(tǒng)的輸入輸出特性為多元函數(shù)y f(x,T,P,E, )廠f因 dydxx故環(huán)境誤差記為fdT JTf dP -PEdE ，令

11、dy丄dxxdy dy丄dTf dPfdETPE系統(tǒng)輸出對環(huán)境（干擾）參量的靈敏度為：St-fff，Sp-,SeJETP設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)輸出對被測量x的靈敏度Sx最冋，x系統(tǒng)輸出對環(huán)境（干擾）參量的靈敏度應(yīng)限制在相對最低的水平。二、溫度因素對測量的影響在影響測量結(jié)果的環(huán)境因素中，最常見的也是影響最大的環(huán)境因素是溫度。線性檢測系統(tǒng)表達(dá)式y(tǒng) f(x,T) a°(T)ai(T)x1、線性檢測系統(tǒng)對溫度 T的有害靈敏度對溫度T的有害靈敏度可表示為2、S f (x,T) 竊T"dao(T)dTdT非線性檢測系統(tǒng)對溫度T的有害靈敏度非線性檢測系統(tǒng)表達(dá)式y(tǒng) f(x,T) a

12、6;(T)ai(T )xan(T)xn對溫度T的有害靈敏度為dao(T)$ dTdTdTdan (T) nxdT3、dao(T)/dT 0, dai(T)/dT 0。減小系統(tǒng)對溫度的有害靈敏度的原則1）減小檢測系統(tǒng)輸出零點(diǎn)對溫度的有害靈敏度，最好使2）減小檢測系統(tǒng)靈敏度對溫度的敏感性，最好使環(huán)境及溫度誤差的硬件校正法一、平衡法兩個(gè)原理和特性完全相同的傳感器置于同一環(huán)境中:一個(gè)既接受輸入信號也接受環(huán)境影響dy1dxdTdPxTP一個(gè)不接受輸入信號只接受環(huán)境影響dy2dTf dPTP二者輸出相減dy- dy2 dx，保留輸入x的作用，消除環(huán)境因素的影響。實(shí)例：圖12-4-1補(bǔ)償塊圖5-5-1 4補(bǔ)

13、償電橋圖10-1-7補(bǔ)償片圖11-3-1（b） 參考室二、差動法兩個(gè)原理和特性完全相同的轉(zhuǎn)換元件，置于同一環(huán)境中，一個(gè)接受輸入量的正向變化dx,一個(gè)接受輸入量的反向變化 (-dx)二者輸出相減dy1 dy22 dx，輸入靈敏度增加一倍，而環(huán)境影響卻被消除。x實(shí)例：圖10-1-13 圖4 1 1 5(c)(d)三、抵消法將正溫度系數(shù)的傳感器或電路與負(fù)溫度系數(shù)的傳感器或電路串聯(lián)起來，使溫度變化產(chǎn)生的影響相互抵消。丄1丄0T T四、參比法通過比例運(yùn)算消除影響輸出結(jié)果的環(huán)境(干擾)變量。實(shí)例：圖8-4-2 應(yīng)用聲速校正具圖12-4-3三點(diǎn)取壓測液位圖12-4-4 ADC與電橋共用同一電源12.5模擬式

14、儀表實(shí)例川型儀表簡介一、DDZ儀表概述1、儀表類型按信號傳輸方式劃分：電動儀表一一以電量為傳輸信號的儀表氣動儀表一一使用壓縮空氣來傳遞信號的儀表 按組成系統(tǒng)的方式劃分：基地式儀表、單元組合式儀表組件組裝式儀表2、電動單元組合(DDZ儀表DDZ I 型、DDZ H 型、DDZ 川型。二、DDZ-川型系列儀表特點(diǎn)1、采用線性集成電路2、 采用國際標(biāo)準(zhǔn)信號制圖12-5-2現(xiàn)場傳輸信號為420mA直流電流控制室聯(lián)絡(luò)信號為15V直流電壓3、 集中統(tǒng)一供電統(tǒng)一由電源箱供給各單元24V直流電源4、整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)三、電壓一電流變換器圖12-5-31、0Umax的單極性輸入電壓變換成 420

15、mA的直流輸出lout 4mA16mAU max2、一 Umax+ Umax的雙極性輸入電壓變換成420 mA的直流輸出1 out12mA16mA2U max12.5.2 MF107型萬用電表剖析 結(jié)構(gòu)組成：表頭磁電系微安表，測量電路-轉(zhuǎn)換開關(guān)-一、直流電流測量電路圖 12- 5 - 4作指示用，電阻、電流和電壓的測量電路切換測量電路，實(shí)現(xiàn)量程和測量種類的切換任務(wù)圖 12-5-5R決定用階梯分流器組成多量程電流表。電流表量程由所切換的分流電阻lg(r R) 500mVR二、直流電壓的測量電路圖 12-5-6是在直流電流測量電路的基礎(chǔ)上串聯(lián)電阻Rx而成。直流電壓量程由所切換的串聯(lián)電阻rRRx 決定Um Igr ImRx Im( Rx) Im(R。氏)式中Ror三、交流電流測量電路圖直流電流表頭接上整流器而成。 為rRR12-5-7在半波整流的情況下，使表頭滿偏的交流電流的有效值Ig0.452.22Ig交流電流有效值的測量公式為1 MIgI M2.221 gLxI四、交流電壓的