電器智能化原理及應(yīng)用第3章課件

第3章

現(xiàn)場參量及其檢測

第3章

現(xiàn)場參量及其檢測

1本章概述現(xiàn)場參量的輸入和數(shù)據(jù)采集是智能電器監(jiān)控器設(shè)計中一個十分重要的環(huán)節(jié)。

完成功能

為監(jiān)控器工作提供信息，實現(xiàn)

①運行現(xiàn)場中各種參量的測量和分析。

②開關(guān)電器的操作控制；③開關(guān)電器自身和被監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的控制和保護。本章概述2

本章討論的主要內(nèi)容1.與智能電器相關(guān)的各種模擬量（電量、非電量）和開關(guān)量的檢測及其輸入通道設(shè)計。

2.常用傳感器、信號調(diào)理電路、信號變換器及其與處理器的接口技術(shù)和常用芯片。

3.分析輸入通道各環(huán)節(jié)對測量精度的影響。本章討論的主要內(nèi)容3

3.1現(xiàn)場參量類型及數(shù)字化測量方法

概述

實現(xiàn)現(xiàn)場參量數(shù)字化處理的要素

被測參量的信號轉(zhuǎn)換、調(diào)理和采集。

監(jiān)控器的輸入通道

現(xiàn)場參量變換為中央處理與控制模塊可采集和處理的信號所需要的專用電路通道。

3.1現(xiàn)場參量類型及數(shù)字化測量方法4智能電器監(jiān)控器輸入通道基本結(jié)構(gòu)智能電器監(jiān)控器輸入通道基本結(jié)構(gòu)5現(xiàn)場參量分類

1）模擬型現(xiàn)場參量

隨時間連續(xù)變化的信號。模擬型參量分為電量和非電量兩種。

（1）電量信號

原始信號就是電量的物理信號?，F(xiàn)場參量分類6

（2）非電量信號

原始信號不是電量形式的物理信號。

2）開關(guān)型現(xiàn)場參量

這種參量本身只存在兩種狀態(tài)。

監(jiān)控器處理現(xiàn)場參量的問題及解決方法監(jiān)控器中央處理與控制模塊只能處理數(shù)字量信息。對輸入的現(xiàn)場參量信號需進行預(yù)處理。（2）非電量信號7

1）預(yù)處理需解決的問題

（1）現(xiàn)場參量與監(jiān)控器接口存在的問題

①現(xiàn)場被測參量在物理屬性或量值的大小上與監(jiān)控器輸入模塊的輸入端不兼容。②現(xiàn)場的干擾影響中央處理與控制模塊的處理結(jié)果，導(dǎo)致測量和保護的精度降低。1）預(yù)處理需解決的問題8

2）常用對策

設(shè)置信號調(diào)理與隔離電路環(huán)節(jié)。

（1）模擬量信號調(diào)理

功能要求被測信號的屬性變換

幅值調(diào)整

極性變換

波形調(diào)整（濾波）2）常用對策9

（2）開關(guān)量的調(diào)理把信號的有、無狀態(tài)，變?yōu)閷?yīng)的、可被中央處理器處理的邏輯（0、1）信號。

（3）隔離

實現(xiàn)調(diào)理和變換后的現(xiàn)場參量信號與中央處理與控制模塊之間的電氣隔離。（2）開關(guān)量的調(diào)理10

3.2電量信號檢測方法概述

1.智能電器運行時的主要被測電參量供電電壓和線路電流功率（有功、無功、視在功率）與電度（有功、無功)功率因數(shù)可直接采樣處理的只有電壓和電流。3.2電量信號檢測方法11其他參數(shù)需要通過特定算法，根據(jù)采樣得到的電壓和電流信號的由中央處理和控制模塊計算得到。

電量信號的采集需要通過相應(yīng)的傳感器。

2.電量傳感器及其功能

主要功能

①被測電量的幅值變換。②現(xiàn)場與監(jiān)控器間的電氣隔離其他參數(shù)需要通過特定算法，根據(jù)采樣得到的電壓和電流信12電壓、電流傳感器分類

按照工作原理，主要可分為3類。

①以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的鐵心電磁式互感器。

②按霍爾效應(yīng)原理工作的傳感器。

③基于磁光效應(yīng)和光電效應(yīng)的互感器。

電壓、電流傳感器分類133.2.1基于電磁感應(yīng)定律的電壓、電流互感器

1.電壓互感器常見的電壓互感器有電磁式和電容式。

（1）電磁式電壓互感器

工作特點正常運行時，二次側(cè)負載基本不變，且電流很小，接近于空載狀態(tài)，類似空載變壓器。3.2.1基于電磁感應(yīng)定律的電壓、電流互感器14

電壓變比互感器一次與二次繞組的匝數(shù)之比。這類電壓互感器工作時二次側(cè)不允許短路。

（2）電容式電壓互感器電容式電壓互感器簡稱RYH（英語簡稱CPT或CVT），廣泛應(yīng)用于110kV及以上超高壓電力系統(tǒng)。

電壓變比15

結(jié)構(gòu)組成及工作原理結(jié)構(gòu)組成及工作原理16

使用特點①絕緣可靠性高，耐壓高，故障少。

②價格低，且線路電壓等級愈高，應(yīng)用經(jīng)濟效果愈明顯。③有兼作載波通信或線路高頻保護的濾波器（耦合電容）。

④穩(wěn)態(tài)電壓傳輸特性與電磁式電壓互感器基本相同，能滿足正常的技術(shù)要求。

⑤動態(tài)響應(yīng)特性不如電磁式電壓互感器。使用特點17

2.電流互感器

功能將供電線路大電流變換為小電流；用于對線路和供、用電設(shè)備的測量與保護的常用電器設(shè)備。

分類鐵心式空心式2.電流互感器18

（1）鐵心電流互感器

工作方式

一次繞組與被測電路（一次回路）串聯(lián)；二次繞組與測量儀表和保護繼電器的電流線圈串聯(lián)，接近于短路狀態(tài)。

一次側(cè)電流取決于被測電路（一次回路）的負載，與二次側(cè)的負載無關(guān)。（1）鐵心電流互感器19

主要參數(shù)

變比二次與一次繞組匝數(shù)之比。

額定電流比

額定工作狀態(tài)下一、二次電流之比。

使用特點

電力系統(tǒng)使用的電流互感器，二次繞組任何情況下不允許開路或帶高阻值負載。一、二次間有相位移。主要參數(shù)20鐵心電流互感器/使用特點電力系統(tǒng)用鐵心電流互感器不能直接與智能電器監(jiān)控器接口，需使用專用二次電流互感器。

專用互感器使用方法

一次繞組與通用互感器的二次繞組串聯(lián)，二次繞組輸出毫安數(shù)量級電流?？山痈咦柚档碾娮?，把二次電流變換成電壓。鐵心電流互感器/使用特點21

鐵心電流互感器存在的問題

①體積、重量與價格隨電流等級升高而增加。

②高壓輸電線路使用的互感器中必須充油，防爆困難，安全系數(shù)低。

③通用鐵心互感器必須有一定的負載能力，以滿足傳統(tǒng)繼電保護設(shè)備要求。

④難以滿足大范圍內(nèi)進行監(jiān)測的要求。

鐵心電流互感器存在的問題22（2）空心電流互感器（Rogowski線圈）

實現(xiàn)電流測量的工作原理

（2）空心電流互感器（Rogowski線圈）23

輸出與被測電流間的關(guān)系被測電流i(t)產(chǎn)生的磁通密度為B的磁場在線圈兩端感應(yīng)的電勢其中，μ0=4π×10-7(H/m)，為真空磁導(dǎo)率，A為骨架截面積。

輸出與被測電流間的關(guān)系24輸出與被測電流間的關(guān)系

由等效電路可得i2(t)為流過線圈的電流，Rh=R0+RL。由于Rogowski線圈的繞線框架為非鐵磁材料，通常有ωL<<Rh和RL<<R0，可得

輸出與被測電流間的關(guān)系25輸出與被測電流間的關(guān)系r為線圈的平均半徑。令

可得采樣電組R0上輸出的電壓為

輸出電壓正比于被測電流的微分。實際應(yīng)用中需要在線圈回路中加入積分環(huán)節(jié)，使uo與被測電流i相位一致。輸出與被測電流間的關(guān)系26常用積分環(huán)節(jié)

RC積分電路測量回路由Rogowski線圈繞組、取樣電阻和RC積分電路三部分組成。增加積分環(huán)節(jié)后的測量回路等效電路常用積分環(huán)節(jié)27

特點可使測量回路輸出電壓與被測電流有基本一致的相位和較好的線性關(guān)系。電容器的損耗和泄漏、元件參數(shù)隨溫度變化等因素，會造成積分誤差，影響測量精度。特點28

電壓頻率變換器（VFC）實現(xiàn)積分

基本原理把被測模擬量的電壓信號轉(zhuǎn)換成與中央處理與控制模塊邏輯電平一致的輸出脈沖列；保證脈沖列的頻率與輸入模擬電壓呈精確的線性關(guān)系。VFC的輸出頻率的變化實際上反映了被測模擬量值的變化。電壓頻率變換器（VFC）實現(xiàn)積分29

使用方法

設(shè)置一個計數(shù)器。以VFC輸出脈沖列作為計數(shù)器時鐘信號，并設(shè)定一個合理的計數(shù)周期（采樣周期）。在設(shè)定的計數(shù)周期內(nèi)對脈沖計數(shù)。計數(shù)器的輸出就是采樣周期中被測模擬量的平均數(shù)字量，對應(yīng)于輸入模擬量在采樣周期內(nèi)的積分平均值。使用方法30電壓頻率變換器（VFC）實現(xiàn)積分/使用方法

VFC和計數(shù)器相當(dāng)于加在空心電流互感器輸出與監(jiān)控器中央處理與控制模塊間的硬件數(shù)字積分環(huán)節(jié)。

使用特點計數(shù)器的計數(shù)輸出（數(shù)字量）可直接與監(jiān)控器處理器件接口。測量精度與VFC外部參數(shù)和選定的計計數(shù)器計數(shù)周期有關(guān)。電壓頻率變換器（VFC）實現(xiàn)積分/使用方法31

數(shù)字積分法包括數(shù)字積分算法和硬件數(shù)字積分器兩種。

*

數(shù)字積分算法由處理器件執(zhí)行相應(yīng)算法程序，對被測量采樣結(jié)果進行數(shù)字積分運算得到。

特點增加監(jiān)控器中處理器件的負擔(dān)，提高監(jiān)控器硬件和軟件的開發(fā)成本。數(shù)字積分法32

*

硬件數(shù)字積分器使用數(shù)字積分IC芯片，得到與被測電流相位一致，大小成比例的輸出數(shù)字量。

特點監(jiān)控器處理器件可直接接收并處理。電路簡單，可以通過光纖實現(xiàn)高、低壓間安全可靠的數(shù)字傳輸。

已用于Rogowski線圈測量的數(shù)字積分IC有ADE7759。

*硬件數(shù)字積分器33

空心電流互感使用特點（1）測量范圍寬、線性度和精度高。（2）無磁飽和和鐵磁諧振現(xiàn)象，運行穩(wěn)定性好，可靠性高。（3）頻率響應(yīng)范圍寬，一般可設(shè)計到0Hz到1MHz。（4）二次側(cè)輸出電流正比于被測電流的微分，超前被測電流90o?？招碾娏骰ジ惺褂锰攸c34空心電流互感使用特點5）重量輕、成本較低、性能價格比高，更符合環(huán)保要求。6）可實現(xiàn)互感器數(shù)字化輸出，簡化監(jiān)控器輸入模塊的設(shè)計。

空心電流互感使用特點353.2.2霍爾電流、電壓傳感器利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)電流/電壓變換和一次電路與二次電路間電氣隔離的傳感器。核心元件是霍爾元件?；魻栐且环N具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。3.2.2霍爾電流、電壓傳感器361．霍爾效應(yīng)的基本原理

EH=KHICB，為霍爾元件的靈敏度，它與材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，RH為霍爾電阻。1．霍爾效應(yīng)的基本原理372.霍爾電流傳感器分類按照工作時磁場中的磁通狀態(tài)，霍爾電流/電壓傳感器分為基本型和零磁通型。1）基本型電流傳感器

組成

2.霍爾電流傳感器分類38基本型電流傳感器/組成

放大器A通常包括差分放大、可調(diào)零的相放大與頻率補償?shù)日{(diào)理環(huán)節(jié)。

工作分析當(dāng)被測導(dǎo)線中流過電流，鐵芯中將產(chǎn)生垂直于霍爾元件表面的磁場。傳感器制作完畢后，被測電流產(chǎn)生磁場，磁感應(yīng)強度基本型電流傳感器/組成39基本型電流傳感器/工作分析I1被測電流；N1被測導(dǎo)體的匝數(shù)。KG

常數(shù)，與N1、導(dǎo)磁體平均磁路長度和氣隙長度、導(dǎo)磁體的相對導(dǎo)磁率和空氣導(dǎo)磁率有關(guān)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在被測導(dǎo)線中流過電流I1時，產(chǎn)生的霍爾電勢為基本型電流傳感器/工作分析40基本型電流傳感器/工作分析經(jīng)放大后的輸出電壓為

K放大電路各環(huán)節(jié)電壓傳輸率KU、霍爾元件靈敏度KH和常數(shù)KG的乘積。對選定的傳感器，K為常數(shù)。

輸出電壓U2正比于被測電流?；拘碗娏鱾鞲衅?工作分析41

2）零磁通霍爾電流傳感器

結(jié)構(gòu)特點

2）零磁通霍爾電流傳感器42

工作原理補償繞組中的補償電流產(chǎn)生與被測電流IP產(chǎn)生的磁通ΦP方向相反的磁通ΦS；當(dāng)ΦS與ΦP大小相等時，霍爾元件將在零磁通的條件下工作。被測電流IP增加，磁通ΦP﹥磁通ΦS，磁場中出現(xiàn)與ΦP方向相同的磁通，IS增加，測量結(jié)果Uo增加；IP減小，IS減小，測量結(jié)果Uo也減小。工作原理43零磁通霍爾電流傳感器/工作原理傳感器穩(wěn)定工作時，補償電流與被測電流產(chǎn)生的磁場磁化強度總是大小相等，方向相反，使鐵心中的磁通為0。

被測電流與輸出電壓的關(guān)系

NPIP=NSIS

IP=IS(NS/NP)=（UO/RS）×（NS/NP）通常霍爾電流傳感器NP=1，

IP=（UO/RS）×NS零磁通霍爾電流傳感器/工作原理44

結(jié)論

零磁通霍爾電流傳感器是一個將霍爾元件的輸出電勢當(dāng)作被調(diào)量，放大器和補償繞組為反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

零磁通霍爾電流傳感器也稱為閉環(huán)電流傳感器。結(jié)論45

3）霍爾電流傳感器的特點1）工作頻率范圍寬，可從DC到幾百KHz。2）抗干擾能力強。3）構(gòu)造簡單、堅固、耐沖擊、體積小。4）沒有因充油等因素而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險。5）工作電壓較低，被測電流較小。3）霍爾電流傳感器的特點46

3.

霍爾電壓傳感器基礎(chǔ)

工作原理

電壓本身不能直接產(chǎn)生磁場，需要把被測電壓變換成電流，產(chǎn)生霍爾元件工作所需的磁場。本質(zhì)上就是霍爾電流傳感器。霍爾電壓傳感器也分為基本型和零磁通型。3.霍爾電壓傳感器基礎(chǔ)47

霍爾電壓傳感器結(jié)構(gòu)基本型電流傳感器環(huán)形鐵心上繞制一個Np約5000匝的勵磁繞組；繞組中串聯(lián)一個大阻值電阻Rp，接至被測電壓，組成基本型電壓傳感器。零磁通型電流傳感器鐵心上增加串聯(lián)Rp的勵磁繞組，構(gòu)成零磁通型電壓傳感器。被測電流

U

p=Uo(Rp/Rs)(Ns/Np)霍爾電壓傳感器結(jié)構(gòu)48

4.關(guān)于霍爾集成電路

不同特性的霍爾元件及相應(yīng)的電子電路集成的半導(dǎo)體芯片。配合適當(dāng)?shù)蔫F心、線圈和電源，組成滿足要求的霍爾集成傳感器。

分類根據(jù)所用霍爾集成電路的特性，霍爾集成傳感器分為線性型和開關(guān)型。4.關(guān)于霍爾集成電路49

1）線性型霍爾集成電路

特點輸出電壓與外加磁場強度（即被測電流）呈線性關(guān)系。

分類按照霍爾集成電路輸出環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，可分為單端輸出與雙端輸出（差動輸出）。代表芯片分別為UGN-3501T和UGN-3501M。

1）線性型霍爾集成電路50

2）開關(guān)型霍爾集成電路

應(yīng)用脈沖電源、電力電子變換器等的測量。

分類

單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)。

結(jié)構(gòu)

電流源、霍爾元件、帶溫度補償?shù)牟顒臃糯笃?、施密特觸發(fā)器等電路的集成模塊。2）開關(guān)型霍爾集成電路51使用條件只需提供工作電源電壓。特點

①使用方便、精度較高。

②內(nèi)部溫度補償，霍爾元件引起的溫度效應(yīng)小。

③內(nèi)部施密特觸發(fā)器，輸出脈沖電壓前后沿過渡時間短，僅幾十毫微秒。

典型器件UGN3020使用條件52

2.1.3光學(xué)電流電壓互感器

1.光學(xué)電流互感器OCT

基本原理

根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，偏振光通過置于磁場中的半導(dǎo)體磁光材料，其偏振面在磁場作用下偏轉(zhuǎn)。若磁場為被測電流產(chǎn)生，測量偏轉(zhuǎn)角可確定被測電流的大小。2.1.3光學(xué)電流電壓互感器53

結(jié)構(gòu)

光源發(fā)出單色光起偏器產(chǎn)生偏振光法拉第傳感頭偏振光磁光調(diào)制

檢偏器檢測傳感頭輸出的偏轉(zhuǎn)角檢測電路偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成可測電量結(jié)構(gòu)54工作過程光源發(fā)出的單色光經(jīng)過光纖傳送到起偏器，產(chǎn)生偏振光。起偏器輸出的偏振光經(jīng)法拉第傳感頭被磁光調(diào)制；進入檢偏器解調(diào)得到偏轉(zhuǎn)角。檢測電路檢測出偏振光的偏轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)換成與被測電流成比例的可測電量。

工作過程55

測量原理

傳感器輸出的偏轉(zhuǎn)角θ與被測電流I產(chǎn)生的磁化強度H、磁場作用下的光纖長度L、光纖的Verdet常數(shù)V成比例

θ=V?H?L=V?I?N?LN產(chǎn)生磁場的線圈的匝數(shù)H被測電流產(chǎn)生的磁場的磁化強度

被測電流

I=θ/(V?N?L)測量原理56

常用OCT傳感頭原理圖

圖中的光纖既傳輸偏振光也完成磁光變換。常用OCT傳感頭原理圖57

使用特點①受“線性雙折射現(xiàn)象”的影響，OCT中等效的Verdet常數(shù)是一個隨機變量（與光纖的形變、內(nèi)部應(yīng)力、光源光波長、環(huán)境溫度、振動等有關(guān)），輸出補償很困難。

②器件結(jié)構(gòu)簡單，被測電路（一次）與檢測設(shè)備間用光纖連接，具有極好的電氣隔離。使用特點58

2.光學(xué)電壓互感器用光電子技術(shù)和電光調(diào)制原理實現(xiàn)電壓測量。

基本原理具有電光效應(yīng)的透明晶體在電場的作用下，表現(xiàn)出以下特性

①輸入光的折射率隨外加電場改變線性地改變。2.光學(xué)電壓互感器59光學(xué)電壓互感器/基本原理②在電場作用下，由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，并引起雙折射，射出兩束相位差的線偏振光。

③當(dāng)晶體的電光性能和幾何尺寸確定后，與電場強度方向一致的被測電壓正比于該相位差。

存在問題當(dāng)前技術(shù)不能精確測量兩束光間的相位。光學(xué)電壓互感器/基本原理60

解決方法加入干涉裝置，將晶體輸出的兩束光間的相位變成幅值隨電壓變化的干涉光強。檢測光強可間接檢測相位差。解決方法61

測量方法

干涉光強與相位差的關(guān)系非線性。經(jīng)過特殊補償，晶體輸出的折射光間相位差很小時，可認為被測電壓與傳感器輸出的干涉光強近似線性。通過測量干涉光強就可求得被測電壓值。

測量方法62

3.3非電量信號檢測方法

智能電器需要在線監(jiān)測的非電量溫度、濕度、壓力、速度、加速度、絕緣強度等。智能電器監(jiān)控器不能直接檢測非電信號，必須用相應(yīng)的傳感器變成電壓或電流信號。3.3非電量信號檢測方法63

3.3.1溫度檢測傳感器及在智能電器中的應(yīng)用

常用溫度傳感器按測量方法接觸式和非接觸式按所用材料熱敏電阻、熱電偶、紅外

1．熱敏電阻溫度傳感器利用熱敏元件材料的電阻值隨環(huán)境溫度變化而改變的特性制成。3.3.1溫度檢測傳感器及在智能電器中的應(yīng)用64

1）熱敏電阻分類

根據(jù)所用材料分類

（1）熱電阻利用金屬導(dǎo)體銅、鎳、鉑制成的測溫電阻。

（2）熱敏電阻

金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料或碳化硅材料，經(jīng)過成形、燒結(jié)等工藝制成的測溫元件。

1）熱敏電阻分類65

根據(jù)溫度系數(shù)分類

正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻PTC。

負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻NTC。

區(qū)別NTC熱敏電阻的測溫范圍比PTC寬。

智能電器中多使用NTC測量溫度。根據(jù)溫度系數(shù)分類66

鉑熱電阻和NTC、PTC熱敏電阻特性

鉑熱電阻和NTC、PTC熱敏電阻特性67

2）NTC熱敏電阻特性的數(shù)學(xué)表達式

工作時的阻值R與被測溫度T的關(guān)系T0環(huán)境溫度/K；

R0環(huán)境溫度NTC熱敏電阻的阻值/Ω；B元件常數(shù)，一般在3000~5000/K。工作時電阻與被測溫度間關(guān)系為非線性。2）NTC熱敏電阻特性的數(shù)學(xué)表達式68

3）應(yīng)用特點電阻溫度系數(shù)絕對值大，靈敏度高。

測量線路簡單。

壽命長，價格低，體積小，重量輕，熱慣性比較小。電阻值大，適于遠距離測量。

非線性大，在測量電路上需要補償。3）應(yīng)用特點69熱敏電阻溫度傳感器/應(yīng)用特點

穩(wěn)定性和特性一致性差，互換時需進行挑選。

不適于高精度溫度測量。多用于檢測電器設(shè)備的環(huán)境溫度，不適于測量母線等處的溫度。熱敏電阻溫度傳感器/應(yīng)用特點704）測量電路一種簡單的線性化測量電路

適于溫度測量范圍不大的應(yīng)用。4）測量電路71熱敏電阻RT和電阻R、RA、RB組成一個電橋。

室溫下，調(diào)整RB使電橋平衡，輸出電壓UO為0。工作時，RT的值隨工作溫度變化，差動放大器輸出電壓UO不為0。根據(jù)電路中橋臂電阻與UO的關(guān)系求得工作溫度下UO與RT的表達式。由RT與T的關(guān)系可得UO與被測溫度間的關(guān)系。熱敏電阻RT和電阻R、RA、RB組成一個電橋。72

電路測量結(jié)果電路測量結(jié)果73為使輸出電壓與被測溫度間有滿意的線性關(guān)系，橋臂電阻R的最佳值應(yīng)為一般熱敏電阻參數(shù)中只提供25℃時的標(biāo)稱電阻值RM（有5％～10％誤差），RL、RH在確定TL、TH后，用實測的方法取得。為使輸出電壓與被測溫度間有滿意的線性關(guān)系，橋臂74

2．熱電偶

1）原理與結(jié)構(gòu)

熱電效應(yīng)同一金屬材料上不同空間位置的兩點間溫度不同時，兩點間會出現(xiàn)電位差。這一現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng)。不同金屬材料在相同的溫差下熱電勢不同。

熱電偶結(jié)構(gòu)

2．熱電偶75

兩根不同材料的金屬絲A和B絞在一起，一端直接相連，就構(gòu)成了熱電偶。金屬絲A和B稱為熱電極。

熱電勢極性為正的熱電極是熱電偶的正極，熱電勢極性為負的熱電極是負極。

兩根不同材料的金屬絲A和B絞在一起，一端直接76

工作原理兩根熱電極熱電效應(yīng)不同，當(dāng)被測物體溫度變化時，它們的冷端之間出現(xiàn)的電位差就是熱電勢。在熱電極材料選定后，熱電勢的大小取決于熱端和冷端間的溫度差。

熱電偶直接測量的是物體表面的溫升。用熱電偶測量溫度，冷端必須被置于0℃環(huán)境或采用補償措施。

工作原理77

2）電器溫度測量中常用的熱電偶及性能熱電偶通常用于電器產(chǎn)品執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗，被檢測部位的短時最高溫度一般不超過300oC。智能電器中，對設(shè)備工作溫度的在線監(jiān)測一般不使用熱電偶。電器產(chǎn)品試驗中使用較多的是銅-康銅熱電偶。2）電器溫度測量中常用的熱電偶及性能78

銅-康銅熱電偶的基本特性是一種非標(biāo)準(zhǔn)分度的熱電偶，多用于實驗和科研，測量-200~+200℃低溫范圍內(nèi)的溫度。

特點低溫測量中，工作端溫度低于自由端時，輸出熱電勢的正負極會改變。在測量0℃以上溫度時，銅為正極，康銅為負極；測量0℃以下溫度時，極性相反。銅-康銅熱電偶的基本特性79

性能康銅電極材料的熱電特性重復(fù)性差，不同熱電偶的熱電勢很難一致。熱電勢與溫度的關(guān)系近似為

Et自由端溫度為0℃時的熱電勢。a、b常數(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計在不同溫度下比較求得。性能80

3）實用的熱電偶溫度測量方法

熱電偶測溫可單點測量一個被測物，也可以測量兩個不同被測對象間的溫差。

單點溫度測量的基本電路C、D為補償導(dǎo)線，M為測量儀表。3）實用的熱電偶溫度測量方法81實用的熱電偶溫度測量方法

實際使用中，補償導(dǎo)線一直連接到測量儀表接線端子。冷端溫度為儀表接線端子處的環(huán)境溫度。采用智能儀表測量時，熱電勢應(yīng)通過信號調(diào)理后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，通過儀表采用的處理器件采樣、處理，得到被測溫度。實用的熱電偶溫度測量方法82兩點間溫差測量電路

若連接到測量儀表的導(dǎo)線用普通銅導(dǎo)線，必須保證兩熱電偶的冷端溫度相等。兩點間溫差測量電路83

實際使用注意事項①熱電偶測溫本質(zhì)上測量的是對象與環(huán)境溫度間的溫度差，測量溫度必須采用補償導(dǎo)線。②熱電偶輸出的熱電勢非常小，采用智能儀表測量，儀表必須包含輸入電壓放大器。③電壓放大器的設(shè)計應(yīng)考慮到穩(wěn)定性。實際使用注意事項84

3．紅外溫度傳感器

紅外測溫技術(shù)的優(yōu)點

①非接觸、被動式的測溫技術(shù)?？稍诓煌ｋ姷臓顟B(tài)下，對電氣設(shè)備進行實時、在線的非接觸式溫度檢測。

②被動地接收物體發(fā)出的紅外線，不需要外加紅外光源，測溫線路設(shè)計簡單。

3．紅外溫度傳感器85

1）紅外測溫的原理任何一個物體只要其溫度高于絕對零度，就會以電磁波的形式向外輻射能量。能量的大小主要決定于物體的溫度。根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，物體紅外輻射的能量與它自身的熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為

1）紅外測溫的原理86紅外測溫的原理

E溫度T時單位面積和單位時間內(nèi)物體的紅外輻射總能量；σStefan-Boltzmann常數(shù)；

比輻射率。即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)之比值，黑體的=1；

T物體的絕對溫度。

物體紅外輻射的能量與自身熱力學(xué)溫度的4次方和物體比輻射率成正比。紅外測溫的原理87

金屬物體使用紅外測溫的問題①金屬物質(zhì)的比輻射率相對較低，由于不同加工和氧化，表面狀態(tài)會變化，比輻射率難以確定。②拋光后的金屬表面是良好的反射體，傳感器接收其輻射能量時，受到表面反射的影響，不能真正反映金屬本身的溫度。

用紅外測溫技術(shù)測量金屬物體溫度，其表面必須涂黑，或使表面生成氧化物。金屬物體使用紅外測溫的問題88

2）紅外溫度傳感器一種非接觸式溫度傳感器，用紅外光作為介質(zhì)來傳遞溫度。

核心部件具有熱電效應(yīng)的材料制作的紅外探測器。

功能

把被測物體輻射的紅外光轉(zhuǎn)換成電量輸出。經(jīng)采樣、處理，間接測量被測物體的溫度。2）紅外溫度傳感器89

分類紅外測溫探測器可以分為熱和光子兩大類。

（1）熱探測器

熱電堆探測器

熱敏電阻探測器

氣體探測器

熱釋電探測器。分類90（2）光子探測器

光電子發(fā)射器(PE器件)

光電導(dǎo)探測器(PC器件)

光生伏特器(PV器件)

光電磁探測器(PEM器件)

智能電器中多用熱電堆探測器。（2）光子探測器91

3）熱電堆探測器結(jié)構(gòu)一個熱端與紅外接收器相連的熱電偶。

紅外接收器接收被測物體輻射的紅外光，改變其溫度。

熱電偶將溫度差轉(zhuǎn)換為電勢信號輸出。3）熱電堆探測器92

工作原理

影響輸出電勢EOUT的關(guān)鍵因素是被測物體的溫度Tob和傳感器本身的溫度Tsen。它們之間的關(guān)系為

ε

被測物體材料的比輻射率；K設(shè)備常數(shù)。通過測量同一物體在不同溫度下的電壓輸出得到。工作原理93

使用要求：

①被測物體在紅外溫度傳感器視角內(nèi)，使其輸出電勢與被測物體的遠近無關(guān)。

②使用鉍和銻材料的熱電偶，輸出熱電勢較高?？墒褂枚鄠€熱偶串聯(lián)，提高測量的靈敏度。③熱電堆探測器測溫，只能測得熱電偶冷端（儀表端）和熱端（紅外接收器）間溫差，測量溫度必須進行溫度補償。使用要求：94熱電堆傳感器模塊

結(jié)構(gòu)

自帶熱敏電阻溫度補償?shù)募t外傳感器與放大電路集成。

特點

使用簡便，噪聲干擾小。測量原理被測物體溫度為Tob，對應(yīng)的傳感器輸出電壓為熱電堆傳感器模塊95熱電堆傳感器模塊/測量原理

K設(shè)備常數(shù)。測量不同溫度下傳感器的輸出電壓求取。

被測物體材料的輻射比率。

智能電器中的使用方法監(jiān)控器對輸出電壓Uout進行調(diào)理、采樣和數(shù)值計算，得到被測對象的溫度熱電堆傳感器模塊/測量原理96

3.3.2濕度檢測傳感器及應(yīng)用開關(guān)設(shè)備檢測濕度的必要性當(dāng)環(huán)境濕度超過規(guī)定指標(biāo)，在環(huán)境溫度降低時，會出現(xiàn)凝露。對結(jié)構(gòu)緊湊，高工作電壓的設(shè)備，凝露會導(dǎo)致不同相間設(shè)備爬電、放電甚至短路。智能電器監(jiān)控器通常要求檢測環(huán)境濕度。3.3.2濕度檢測傳感器及應(yīng)用97

濕度及其檢測方法

濕度空氣中水蒸氣的含量。

表示方法絕對濕度、相對濕度、露點溫度。實際應(yīng)用基本為相對濕度。

智能電器中環(huán)境濕度的檢測

濕度傳感器把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)監(jiān)控器調(diào)理、采樣、處理、顯示結(jié)果。濕度及其檢測方法98

分類與特性

（1）Licl濕敏元件

基本原理

潮解性鹽類受潮時電阻值發(fā)生改變。

工作特點

①是離子導(dǎo)電型元件。供電電源應(yīng)采用交流，以免極化。分類與特性99Licl濕敏元件/工作特點

②傳感器滯后誤差小，一般為±5％RH以下。

③不影響和破壞被測環(huán)境。

④在高濕和結(jié)露環(huán)境中，元件因電解質(zhì)潮解、流失而損壞，怕污染。Licl濕敏元件/工作特點100（2）高分子濕度傳感器利用高分子材料的吸濕性和澎潤性制成。

類型電容式、電阻式

（1）

電容式濕敏元件

結(jié)構(gòu)

上、下兩個電極，以覆蓋濕敏聚合物膜的基底作為底電極。

原理

濕敏聚合物膜受潮，介電常數(shù)增大，元件電容量增加。（2）高分子濕度傳感器101

性能

①輸出電容量與相對濕度成正比。

②元件吸濕和脫濕快，滯后誤差小，響應(yīng)速度快。

③易于實現(xiàn)小型化和輕量化。

④電源頻率影響靈敏度和線性度。頻率高線性好；頻率低線性度降低但靈敏度高。

⑤含有機溶劑或溫度80℃以上環(huán)境中不宜使用。

性能102

（2）

電阻式濕敏元件據(jù)電極間電阻隨空氣濕度改變的原理制成。

性能

①具備電容式測濕元件的優(yōu)點。②測量范圍寬，可達0~100％RH。

③用調(diào)配適當(dāng)?shù)母袧衲げ牧?，?0~90％RH的范圍內(nèi)電阻值高（3.6~6.6）kΩ，電路設(shè)計方便，測量靈敏度較高。（2）電阻式濕敏元件103

（3）金屬氧化物濕敏元件

原理

金屬氧化物有較強的吸、脫水性能，利用它們的燒結(jié)膜或涂布薄膜制成。

特點可以用加熱法清洗，具有較好的特性，已得到較為廣泛的應(yīng)用。

（3）金屬氧化物濕敏元件104

（４）濕度傳感器模塊

結(jié)構(gòu)由選定類型的濕度傳感器、非線性補償電路和運算放大器集成。

輸出信號類型施加電源電壓后，直接輸出電壓或電流。

長線傳輸信號時，建議選用電流輸出的傳感器。（４）濕度傳感器模塊105

3.3.3電器操動機構(gòu)機械特性測量

開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測的主要內(nèi)容主要部分的溫升。一次開關(guān)元件機械特性，包括觸頭壓力、動觸頭位移、運動速度、加速度測量和分析。

關(guān)鍵問題直接測量各類開關(guān)電器觸頭比較困難。3.3.3電器操動機構(gòu)機械特性測量106

選用的解決方案選擇操作機構(gòu)中一個最能反映觸頭特性的機械運動部件；采用相應(yīng)的傳感器監(jiān)測其位移、壓力、速度和加速度等參量，變換成與監(jiān)控器輸入端兼容的電量。

選用的解決方案107

1.位移傳感器工作原理

分類：

直線位移和角位移兩種

功能：

檢測斷路器觸頭行程斷路器動觸頭行程與主軸轉(zhuǎn)動角度有相應(yīng)關(guān)系，測量主軸的角位移曲線，可間接得到動觸頭的位移。智能電器中一般用角位移傳感器傳感器。1.位移傳感器工作原理108

角位移傳感器類型及特點電阻式成本低，安裝方便。光電式、精度高，但后處理電路比較復(fù)雜。磁敏型重復(fù)性好，體積小，但是測量角度范圍稍小。智能電器多用電阻式角位移傳感器角位移傳感器類型及特點109電阻式角位移傳感器工作原理旋轉(zhuǎn)式的電位器軸芯轉(zhuǎn)動時，電阻隨角大小改變。在電位器兩個固定端施加電壓，活動端抽頭輸出的電壓將隨電阻改變線性變化。將轉(zhuǎn)軸與斷路器主軸連接，主軸轉(zhuǎn)動帶動電位器軸心轉(zhuǎn)動電刷臂轉(zhuǎn)動，輸出電壓相應(yīng)改變。電阻式角位移傳感器工作原理110電阻型角位移傳感器電阻膜有碳膜和導(dǎo)電塑料膜兩種。碳膜電阻精度低，不能用于高精度測量。精密導(dǎo)電塑料膜同時具有金屬和一般塑料的優(yōu)點，電阻精度高，韌性好。角位移傳感器基本采用精密導(dǎo)電塑料作電阻膜。2.壓力測量傳感器及其工作原理最常用的是壓阻式壓力傳感器。電阻型角位移傳感器電阻膜有碳膜和導(dǎo)電塑料膜兩種111

工作原理當(dāng)單晶硅受到壓力作用時，其電阻發(fā)生變化。向傳感器輸入電流，電阻上的電壓將隨壓力變化。

結(jié)構(gòu)單晶硅膜片上聯(lián)接成惠斯頓電橋的四個等值電阻應(yīng)變元件。

工作原理112

使用方法可由電壓源或電流源供電。

使用方法113

電路工作原理在未受壓時，4個橋臂電阻阻值相等且均為R，電橋輸出電壓為0。壓力作用下，2個橋臂電阻阻值增加ΔR，另外2個橋臂電阻阻值減小ΔR，電橋有電壓輸出。在電壓源供電條件下，傳感器輸出電壓

電路工作原理114壓力測量傳感器及其工作原理/電路工作原理ΔRT橋臂電阻阻值隨環(huán)境溫度的變化

。

輸出電壓有非線性溫度誤差。在恒溫環(huán)境下工作時，ΔRT=0，若要電橋的輸出電壓與ΔR/R和電源電壓U成正比，環(huán)境溫度應(yīng)保持不變。壓力測量傳感器及其工作原理/電路工作原理115

使用性能1）環(huán)境溫度不變時，輸出電壓正比于ΔR／R和電源電壓U，但存在非線性溫度誤差。2）易于微小型化、集成化，測量靈敏度高，范圍寬，精度高，頻率響應(yīng)高。3）工作可靠，壽命較長。使用性能116

實用壓力傳感器傳感器元件與溫度補償電路集成一體。采用激光技術(shù)進行電阻修整，溫度穩(wěn)定性高（溫度系數(shù)小于0.3％量程）。

零壓力下輸出電壓極小

（﹤±1mV）。輸出為電壓（通常為直流5V）或電流（常見器件為直流1mA）。實用壓力傳感器117

2．加速度測量用傳感器

1）壓電式加速度傳感器原理利用石英晶體、壓電陶瓷材料等的壓電效應(yīng)制成。

結(jié)構(gòu)

質(zhì)量塊上安裝

硬彈簧為壓電片提供靜態(tài)預(yù)壓力。2．加速度測量用傳感器118

工作原理傳感器運動時，質(zhì)量塊的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力改變，輸出電信號相應(yīng)改變。質(zhì)量塊的質(zhì)量為恒定，只要輸出電信號與壓應(yīng)力變化成比例，也就與加速度成比例。加速度壓電元件輸出的電信號為電荷或電壓。工作原理119

2）壓電式加速度傳感器的特性參數(shù)

（1）靈敏度分為電荷靈敏度和電壓靈敏度。電荷靈敏度指單位加速度產(chǎn)生的輸出電荷量。m：質(zhì)量塊質(zhì)量（kg）；

Q：電荷量（C）；

d：壓電系數(shù)（C/N）；

F：使質(zhì)量塊產(chǎn)生加速度的壓力（N）。

2）壓電式加速度傳感器的特性參數(shù)120電壓靈敏度是單位加速度產(chǎn)生的輸出電壓值。

C：傳感器及電纜等的分布電容；其余參數(shù)同電荷靈敏度表達式。

靈敏度的影響因素

①材料的壓電系數(shù)d電壓靈敏度是單位加速度產(chǎn)生的輸出電壓值。121加速度測量用傳感器/靈敏度的影響因素

②質(zhì)量塊質(zhì)量m增加m可提高靈敏度，但傳感器的固有頻率會下降，影響可測頻帶寬度。③導(dǎo)線的分布電容

只影響電壓靈敏度，與電荷靈敏度無關(guān)。電荷輸出的傳感器不受連接導(dǎo)線的長度和安裝位置的影響，但需把電荷轉(zhuǎn)換為電流或電壓。加速度測量用傳感器/靈敏度的影響因素122

（2）橫向靈敏度指垂直于傳感器主軸平面的靈敏度，用靈敏度的百分數(shù)表示。橫向靈敏度是引起測量誤差的主要原因之一，一般為2％～6％，由產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)提供。（2）橫向靈敏度123

3.4被測量輸入通道設(shè)計原理

智能電器監(jiān)控器設(shè)置輸入通道的目的

①現(xiàn)場模擬參量類型較多，經(jīng)傳感器變換后的電信號種類和大小不同。

②各種傳感器輸出調(diào)理后的電壓都是模擬信號，需通過采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

③A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入端只接受規(guī)定幅值和極性的電壓信號。

3.4被測量輸入通道設(shè)計原理124智能電器監(jiān)控器設(shè)置輸入通道的目的

④現(xiàn)場開關(guān)量必須變成與中央處理與控制模塊輸入電平兼容的邏輯信號。

⑤監(jiān)控器與一次電路間必須有可靠的電氣隔離。

輸入通道就是完成現(xiàn)場參量的預(yù)處理，把模擬量信號變成數(shù)字量，開關(guān)量信號變成邏輯量，并實現(xiàn)與一次電路的電氣隔離。智能電器監(jiān)控器設(shè)置輸入通道的目的125

3.4.1輸入通道的基本結(jié)構(gòu)

輸入通道分類根據(jù)輸入?yún)⒘款愋?，智能監(jiān)控器輸入通道分模擬量輸入和開關(guān)量輸入兩類。

1.模擬量輸入通道及其結(jié)構(gòu)單通道和多通道兩種。

3.4.1輸入通道的基本結(jié)構(gòu)126

1）單模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成這種模擬量輸入通道只能監(jiān)測一個模擬參量。智能電器中很少單獨應(yīng)用，通常用來組成多通道結(jié)構(gòu)的輸入通道。

1）單模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成127

2）多模擬量輸入通道電路及其結(jié)構(gòu)組成智能電器中的多模擬量輸入通道電路結(jié)構(gòu)有兩種。

①多個獨立單通道組成的多通道結(jié)構(gòu)，多路模擬信號使用各自獨立的采樣環(huán)節(jié)。②多路模擬信號共用S/H和A/D的多通道結(jié)構(gòu)，各通道共享采樣環(huán)節(jié)。2）多模擬量輸入通道電路及其結(jié)構(gòu)組成128

多個單通道組成的多通道結(jié)構(gòu)

多個單通道組成的多通道結(jié)構(gòu)129

各通道共享采樣環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)

各通道共享采樣環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)130

（2）兩種多模擬量輸入通道的使用特點

采樣環(huán)節(jié)各自獨立的輸入通道

①輸入通道由獨立的多路單通道組成，使用元件多，電路復(fù)雜，硬件成本高。

②采樣占用時間少，各通道采樣時刻一致性好，適用于要求多路模擬量信號采樣必須同步的監(jiān)控器。（2）兩種多模擬量輸入通道的使用特點131

各通道共用S/H和A/D的輸入通道

①結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本較低。②采樣程序占用時間多。適用于通道數(shù)量不多，各通道采樣時刻同步要求不很嚴(yán)格的場合。

③處理器在片A/D轉(zhuǎn)換器的速率和精度滿足要求時，可使用片內(nèi)采樣環(huán)節(jié)，進一步簡化電路結(jié)構(gòu)。各通道共用S/H和A/D的輸入通道132采用處理器件內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)的通道結(jié)構(gòu)采用處理器件內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)的通道結(jié)構(gòu)133

2.開關(guān)量輸入通道

設(shè)置開關(guān)量輸入通道的目的①把開關(guān)量的接通、分斷狀態(tài)變成與中央控制模塊輸入電平兼容的邏輯信號。②隔離開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場，避免干擾。

典型電路結(jié)構(gòu)和原理

采用LEC實現(xiàn)變換與隔離。

常用電路結(jié)構(gòu)有兩種。2.開關(guān)量輸入通道134

接點與LEC一次元件（發(fā)光器）并聯(lián)接點與LEC一次元件（發(fā)光器）并聯(lián)135

接點與LEC一次元件串聯(lián)接點與LEC一次元件串聯(lián)136開關(guān)量輸入通道/典型電路結(jié)構(gòu)和原理

設(shè)計要點光電耦合器LEC（LightElectricCoupler）實現(xiàn)現(xiàn)場與監(jiān)控器中央處理模塊間的電氣隔離，并完成了接點狀態(tài)到邏輯信號的變換。LEC一次（發(fā)光元件）側(cè)電路電壓根據(jù)被測接點的位置和監(jiān)控器供電電源整體設(shè)計，必須提供足夠的發(fā)光元件電流。開關(guān)量輸入通道/典型電路結(jié)構(gòu)和原理137開關(guān)量輸入通道/典型電路結(jié)構(gòu)和原理/設(shè)計要點LEC二次（受光元件）電壓應(yīng)與處理器件工作電壓一致，在受光元件飽和導(dǎo)通時，其工作電流不超過允許的最大電流。開關(guān)量輸入通道數(shù)大于處理器件輸入端口的數(shù)量時，在設(shè)計中央處理與控制模塊時應(yīng)為開關(guān)量擴展輸入接口電路。開關(guān)量輸入通道/典型電路結(jié)構(gòu)和原理/設(shè)計要點138

3.4.2模擬量輸入通道中信號調(diào)理電路原理及常用芯片

信號調(diào)理的目的——預(yù)處理

①傳感器輸出的類型、大小和極性不同的模擬信號變成與A/D模擬量輸入兼容的電壓信號。

②濾除傳感器輸出信號中的干擾。

③消除信號傳輸過程中的衰減。3.4.2模擬量輸入通道中信號調(diào)理電路原理及常用139

1）信號類型、極性和幅值的調(diào)理

目的把不同傳感器輸出的電信號變成幅值和極性符合A/D變換器模擬量輸入的電壓。

常用器件集成運算放大器、無源電阻、電容。

1）信號類型、極性和幅值的調(diào)理140

集成運算放大器及其在調(diào)理電路中應(yīng)用是一種線性放大器件。用不同的電路設(shè)計可實現(xiàn)多種信號變換。①模擬信號幅值、極性的改變②電流、電荷輸入變成電壓輸出③信號波形調(diào)理——各種有源濾波器

特點體積小、功耗小、電路設(shè)計簡單。集成運算放大器及其在調(diào)理電路中應(yīng)用141

常用電路類型

（1）電流電壓變換電路

無源電阻

無源電阻+射極跟隨器

無源電阻+同相比例放大器

常用電路類型142工作特點

①無源電阻變換電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。電阻值受A/D轉(zhuǎn)換器輸入阻抗要求限制。

②無源電阻+射極跟隨器無源電阻阻值相同時，輸出電壓幅值與無源電阻電路相同。

不受A/D轉(zhuǎn)換器輸入阻抗限制。工作特點143電流電壓變換電路/工作特點

③無源電阻+同相放大器無源變換電阻相同時，可輸出的電壓

輸出電壓幅值可放大，又具有射極跟隨器阻抗變換的優(yōu)點，適于小電流信號變換。電流電壓變換電路/工作特點144④采用反饋電阻的電流/電壓變換電路基本型改進型④采用反饋電阻的電流/電壓變換電路145（2）被測參量極性變換電路常用極性變換電路有兩種。

①雙極性電壓串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)直流正電壓

使用要點交流電壓和標(biāo)準(zhǔn)直流電壓的幅值都應(yīng)為A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入電壓幅值UM的1/2。會影響對被測量的處理精度

（2）被測參量極性變換電路146被測參量極性變換電路

②絕對值電路

電路組成一個由運算放大器A1為核心的精密檢波器和放大器A2組成的反相加法器。被測參量極性變換電路147被測參量極性變換電路/絕對值電路

輸出電壓電路中電阻R1=R3，R2=R5=2R4時，

特點

①一個電源周期變成兩個完全相同的正弦正半波，其峰值仍為輸入電壓峰值。

被測參量極性變換電路/絕對值電路148被測參量極性變換電路/絕對值電路②在A/D轉(zhuǎn)換器完全相同的條件下，比用串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)直流正電壓的電路精度高。③為計算功率和功率因數(shù)，監(jiān)控器電路和處理器件處理程序的設(shè)計比較困難。（3）幅值調(diào)理電路

各類比例放大器。包括反相放大、同相放大和差動放大三種。被測參量極性變換電路/絕對值電路149

性能比較

反相比例放大器輸入、輸出相位（極性）相反。

放大倍數(shù)絕對值可以大于或小于1。

輸入電阻較低（反相輸入端外接電阻），要求前級信號源有低輸出電阻值；

輸出電阻高；抗共模干擾能力弱。

信號源必須單端接地，內(nèi)阻影響放大倍數(shù)。

Ku=UOUT/UIN=-R2/R1性能比較Ku=UOUT/UIN=-R2/R1150幅值調(diào)理電路/性能比較

同相比例放大器輸入、輸出相位

（極性）相同；電壓放大倍數(shù)大于1；

輸入電阻大，輸出電阻較低；抗共模干擾能力較弱；采用單端接地信號源。特例：射級跟隨器幅值調(diào)理電路/性能比較151幅值調(diào)理電路/性能比較

差動放大器輸出電壓正比于兩個輸入電壓差；放大倍數(shù)可大于或小于1；

抗共模干擾能力強；輸入阻抗不夠高（為兩輸入端外接電阻之和）。幅值調(diào)理電路/性能比較152

2）信號波形調(diào)理—濾波

目的

去除干擾，使達到監(jiān)控器模擬量輸入通道采樣環(huán)節(jié)入口的信號盡可能保持原來的波形。

常用電路1）電阻電容（RC）一階無源濾波器；2）有源濾波器

2）信號波形調(diào)理—濾波153信號波形調(diào)理—濾波智能電器監(jiān)控器輸入通道應(yīng)用中，大多采用無源或有源低通濾波器。

兩種方法的比較一階無源濾波器結(jié)構(gòu)

電阻、電容

特點

電路簡單；輸入輸出間有相移；頻率特性比較差信號波形調(diào)理—濾波154

有源濾波器

結(jié)構(gòu)

（無源電阻、電容）+運算放大器。

特點

電路比較復(fù)雜。通過電路參數(shù)合理設(shè)計，輸入、輸出間沒有無相移。在截止頻率內(nèi)輸出幅值基本不衰減，頻率特性好。有源濾波器155

3）常用集成運算放大器芯片

（1）ADOP-07（EH、CH、DH、AH4個系列）AD公司的高精度運算放大器系列芯片。

主要性能失調(diào)電壓、偏置電流和溫漂系數(shù)極低。長期穩(wěn)定性好（0.2～0.5V／月）。共模輸入范圍較高（14V），共模抑制比高（CMRR=120～126dB）。供電電源范圍較寬（3～18V）。

3）常用集成運算放大器芯片156常用集成運算放大器芯片

（2）AD517（J、K、L、S4個等級）AD公司的一種高性價比系列運算放大器。

主要性能偏置電流極?。ㄐ∮?nA）。溫漂系數(shù)低（小于3V/℃）。引腳排列和調(diào)零方法與ADOP-07相同。常用集成運算放大器芯片157

3.4.3多路模擬參量信號與A/D轉(zhuǎn)換器接口

應(yīng)用場合

①監(jiān)控器處理器件內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)的模擬量輸入端口數(shù)小于需要監(jiān)測的現(xiàn)場模擬量數(shù)。②監(jiān)控器處理器件無內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)，或內(nèi)置A/D性能不滿足測量和保護精度要求。

3.4.3多路模擬參量信號與A/D轉(zhuǎn)換器接口158

1）擴展方法

（1）處理器件模擬量通道數(shù)量不夠采用多路模擬轉(zhuǎn)換器擴展1）擴展方法159擴展方法

（2）無內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)或內(nèi)置A/D性能不足

①共用采樣環(huán)節(jié)的多通道結(jié)構(gòu)擴展方法160擴展方法/無內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)或內(nèi)置A/D性能不足

②采用獨立采樣環(huán)節(jié)的多通道結(jié)構(gòu)擴展方法/無內(nèi)置采樣環(huán)節(jié)或內(nèi)置A/D性能不足161

（3）兩種方案比較

采用獨立采樣通道擴展需同時增加外部采樣保持器和A/D數(shù)量，監(jiān)控器硬件成本高。多通道采樣一致性好。采樣程序占用時間少。（3）兩種方案比較162擴展方法/兩種方案比較

采用多路模擬開關(guān)擴展電路路簡單，需用芯片數(shù)量少。采樣過程程序設(shè)計規(guī)范。采樣程序占用時間較長。

多通道不能同時采樣。監(jiān)控器計算有功、無功功率及功率因數(shù)時有相移產(chǎn)生的誤差。擴展方法/兩種方案比較163多路模擬參量信號與A/D轉(zhuǎn)換器接口

2）常用多路轉(zhuǎn)換器芯片①8通道模擬多路轉(zhuǎn)換器CC4051

結(jié)構(gòu)

DTL/TTL-CMOS電平轉(zhuǎn)換器、帶禁止端的3-8譯碼器、8個CMOS雙向模擬開關(guān)。

性能

具有雙向傳輸?shù)哪芰?。信號由器件公共端輸出時，可由譯碼器輸入編程控制實現(xiàn)輸入信號的8選1功能。多路模擬參量信號與A/D轉(zhuǎn)換器接口164常用多路轉(zhuǎn)換器芯片

②雙路、4通道模擬多路轉(zhuǎn)換器CC4052

③三組、2通道多路轉(zhuǎn)換器CC4053

工作原理與CC4051相同。

其他常用多路轉(zhuǎn)換器AD公司AD7501RCA公司CD4051Motorola公司MC14051常用多路轉(zhuǎn)換器芯片165多路轉(zhuǎn)換器使用注意多路轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)之一是CMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

當(dāng)開關(guān)工作時導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的壓降與輸入信號電壓大小可以比較時，必然影響測量精度。為保證測量精度，應(yīng)盡可能選用導(dǎo)通電阻小的器件，或?qū)﹂_關(guān)壓降進行補償。多路轉(zhuǎn)換器使用注意166

3.4.4模擬量采樣環(huán)節(jié)設(shè)計原理及常用芯片現(xiàn)場參量信號進入監(jiān)控器經(jīng)傳感器和調(diào)理電路處理后的模擬量，還需經(jīng)A/D采樣。

A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因①被采樣信號的變化和A/D轉(zhuǎn)換器的工作時間，造成采樣結(jié)果不正確。②任何A/D都有自己的最大允許輸入模擬量變化頻率。3.4.4模擬量采樣環(huán)節(jié)設(shè)計原理及常用芯片167

A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因

輸入模擬量變化超過這個頻率，轉(zhuǎn)換結(jié)果將產(chǎn)生不能允許的誤差。一個分辨率為n位，轉(zhuǎn)換時間為tC的A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)量化誤差限制在（±1/2）LSB以內(nèi)時，允許輸入信號的最高頻率為

A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因168A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因

結(jié)論

在轉(zhuǎn)換時間相同的條件下，A/D轉(zhuǎn)換器分辨率越高，允許輸入的信號頻率越低，引起的采樣誤差越大。

解決措施

采樣環(huán)節(jié)設(shè)計中，在A/D轉(zhuǎn)換器前配置采樣保持器S/H（Sample-holder）。A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因169A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因/解決措施

A/D輸入端前加S/H提高采樣環(huán)節(jié)允許輸入信號頻率的原理

A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入信號的最高頻率為

設(shè)采樣保持器捕捉時間為tAC，采樣環(huán)節(jié)的最高允許輸入信號頻率為A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因/解決措施170A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因/解決措施

實例

已知8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804，轉(zhuǎn)換時間為100S。不加采樣保持器，被采樣信號的允許最高頻率僅為6Hz左右。采用一個捕捉時間5S的S/H，被采樣信號的允許最高頻率可增加到4.8kHz。A/D采樣產(chǎn)生誤差的原因/解決措施171

1.常用采樣環(huán)節(jié)的設(shè)計方案

1）使用處理器件內(nèi)置的采樣環(huán)節(jié)

特點

①監(jiān)控器輸入模塊簡單電路，使用元件少，電路成本低。

②采樣速率和轉(zhuǎn)換精度受處理器件內(nèi)部采樣環(huán)節(jié)元件性能的限制。1.常用采樣環(huán)節(jié)的設(shè)計方案172

2）設(shè)計獨立的外部采樣環(huán)節(jié)

結(jié)構(gòu)配置獨立于處理器件的A/D轉(zhuǎn)換器；在A/D模擬輸入端前加外部采樣/保持器；多路模擬量信號需配置多路轉(zhuǎn)換器。

適用場合處理器件內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率和精度不夠或無內(nèi)部采樣環(huán)節(jié)的監(jiān)控器。2）設(shè)計獨立的外部采樣環(huán)節(jié)173

3）采樣環(huán)節(jié)主要器件及性能

（1）采樣保持器

采樣保持器的功能

①保證采樣時刻模擬量值不變。

②提高可被采樣的最高頻率