第8章 信號(hào)測(cè)量與調(diào)理

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

概述第8章信號(hào)的測(cè)量與調(diào)理8.2

電量的檢測(cè)

8.5

濾波器8.3

非電量的檢測(cè)

8.4

信號(hào)測(cè)量電路

8.1概述在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要測(cè)量很多物理量：

電量信號(hào)：電壓、電流、功率、頻率

非電量信號(hào)：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。測(cè)量?jī)x表或測(cè)量系統(tǒng)組成框圖1．傳感器直接感受被測(cè)物理量，并把其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)物理量有一定函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或其它物理量(如電阻、電容、電感)。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(如熱電偶等)、電容式(如電容式差壓傳感器等)、電感式、光電式等2．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)。(1)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。(2)放大：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。(3)濾波：濾除干擾信號(hào)。(4)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)系，通過(guò)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。(5)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4~20mA的直流電流信號(hào)被測(cè)物理量為量程的下限：I=4mA，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。如某壓力變送器，量程為0~1.6MPa，當(dāng)變送器輸出4mA電流時(shí)，壓力為0MPa，輸出20mA時(shí)壓力為1.6MPa，當(dāng)輸出電流為10mA時(shí)，壓力為

P=(10-4)/(20-4)*1.6=0.6Mpa4～20mA的電流信號(hào)傳送輸出具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①輸出電流與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。使用250Ω(0.1級(jí))的I／U變換電阻，可將4～20mA的電流信號(hào)變換為1～5V的直流電壓信號(hào)。

②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。

③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，稱為二線制變送器。在實(shí)際應(yīng)用中，往往把傳感器和變送器做在一起，稱為一體化二線制儀表。二線制溫度變送器如下圖3．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)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。8.2電量的檢測(cè)8.2.1電壓與電流的檢測(cè)小電壓檢測(cè)：串聯(lián)電阻分壓的方法小電流檢測(cè)：并聯(lián)電阻分流的方法高電壓(幾百伏以上)檢測(cè)：電壓互感器大電流(幾十安培以上)檢測(cè)：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。

(3)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5A或100V。

1．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)繞組(特殊情況只有一個(gè))，接待測(cè)電壓或電流的繞組稱為初級(jí)繞組，接測(cè)量?jī)x表的繞組稱為次級(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5A或1A。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。測(cè)壓原理：互感器的額定初級(jí)電壓U1(或電流I1)與額定次級(jí)電壓U2(或電流I2)之比，叫互感器的額定變壓比Ku(或額定變流比Ki)（a）測(cè)單相電壓；（b）用單相互感器測(cè)三相相電壓；（c）用單相互感器測(cè)三相線電壓；（c）用三相互感器測(cè)三相相電壓；電壓互感器接線方式：v（a）測(cè)單相電流；（b）測(cè)三相電流；（c）測(cè)三相三線制的三相電流；電流互感器接線方式：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(保險(xiǎn)絲)。電流互感器的次級(jí)線圈不許開(kāi)路，也不能裝熔斷器。否則當(dāng)次級(jí)突然開(kāi)路時(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。（2）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。（3）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(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)

1.功率測(cè)量原理P=3UPIPcosφ=

2.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(guò)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)。8.2.3頻率的檢測(cè)

1.數(shù)字頻率計(jì)原理通常把T選為1ms，10ms，0.1s，ls，10s等。當(dāng)T＝1s時(shí)，若計(jì)數(shù)N＝100000，則fx=100000Hz，顯示100.000kHz；若T=0.1s，則計(jì)數(shù)值必減少為N＝10000，則顯示100.00kHz。

計(jì)數(shù)控制

2.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)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Tx，然后計(jì)算fx＝1／Tx。與測(cè)頻相反，改為在圖中的C端加標(biāo)準(zhǔn)的高頻信號(hào)f0，其周期T0＝1／f0，在D端加周期為T(mén)x待測(cè)信號(hào)fx，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Tx的電路，門(mén)控信號(hào)由T變?yōu)門(mén)x。這樣在每一Tx內(nèi)，計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)為T(mén)x／T0，若Tx＝10ms，T0＝lμs，則從計(jì)數(shù)顯示器計(jì)得脈沖數(shù)為l0000個(gè)，如以ms為單位，則從計(jì)數(shù)器顯示器上可讀得100000ms。顯然，Tx愈大(即被測(cè)頻率愈低)，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)越多，測(cè)量誤差越小。8.3非電量的檢測(cè)傳感器非電量電參數(shù)8.3.1溫度的檢測(cè)接觸式測(cè)量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體傳感器等。非接觸式測(cè)量：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。1．熱電偶溫度傳感器

(1)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，組合成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不等(T>T0)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)象稱為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。把上述兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。自由端或冷端工作端或熱端熱電偶可分為：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—銅鎳等型號(hào)分度表：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0℃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)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。(2)中間導(dǎo)體定則在熱電偶回路中，可以接入連接導(dǎo)線、測(cè)試儀表(如毫伏表、變送器)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)沒(méi)有影響。(3)熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償因?yàn)榉侄缺矶际侵咐涠藴囟?℃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0℃，或進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，否則將要產(chǎn)生誤差。

①0℃恒溫法把熱電偶冷端放在環(huán)境溫度為0℃的容器里，此時(shí)熱電偶的輸出準(zhǔn)確地和分度表值一致。但這種理想方法只適用于實(shí)驗(yàn)室中使用，工業(yè)中使用極為不便。

②電路補(bǔ)償一般的熱電偶溫度變送器都采用電路進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，使得熱電偶的輸出相當(dāng)于冷端始終處保持在0℃。

③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(如熱電阻)測(cè)知其冷端溫度，再由每支熱電偶的熱電勢(shì)通過(guò)查表和計(jì)算得出其熱端溫度。例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測(cè)某介質(zhì)的溫度，測(cè)得熱電勢(shì)為33.29mV，冷端溫度30℃。由分度表查得30℃時(shí)的熱電勢(shì)為1.20mV，故冷端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)應(yīng)為33.29+1.20＝34.49mV。再據(jù)此電勢(shì)查分度表得溫度為829.6℃，此值即為真實(shí)溫度值。

④補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線又稱延伸導(dǎo)線，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、顯示儀表等連接起來(lái)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(lái)附加誤差。

2．熱電阻溫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1℃時(shí)，其電阻值均增大0.4%～

0.6%；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時(shí)，其電阻值則下降3%～

6%。工業(yè)上常用的熱電阻為鉑電阻和銅電阻。

(1)鉑電阻鉑電阻由純鉑電阻絲繞制而成，其使用溫度范圍為-200～

850℃。優(yōu)點(diǎn)：精度高、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)：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Pt10和Pt100。即0℃時(shí)：R0=10Ω和R0=100Ω。

(2)銅電阻銅電阻一般用于-50～

150℃范圍的溫度測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)：電阻值與溫度之間基本為線性關(guān)系，電阻溫度系數(shù)大，且材料易提純，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：電阻率低，易氧化，所以在溫度不高、測(cè)溫元件體積無(wú)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Cu50和Cu100兩種，其R0=50Ω和100Ω。

(3)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)量橋路、顯示儀表及連接導(dǎo)線所組成。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。(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=R3，Rt=R1，說(shuō)明此種接法導(dǎo)線電阻Rr對(duì)熱電阻的測(cè)量無(wú)影響。再以測(cè)量放大器、線性化電路和U/I轉(zhuǎn)換電路代替微安表G，就可以輸出與溫度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)的4～

20mA電流信號(hào)了。8.2.2壓力的檢測(cè)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(yǔ)：絕對(duì)壓力：從完全真空的零壓力起所測(cè)得的壓力。表壓力：以大氣壓作為零壓力起所測(cè)得的壓力。差壓：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。

1．電容式壓力傳感器

(1)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。CHPHCLPL硅油(2)差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路-++-

2．應(yīng)變片式壓力傳感器

(1)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。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)，即金屬材料在外界作用下(如壓力等)產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，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壓阻效應(yīng)，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ρ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)有很高的精度，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。

(2)測(cè)量電路應(yīng)變片式傳感器的測(cè)量電路有直流電橋、交流電橋和電阻—頻率(R/F)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。

8.3.3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式和霍爾式等。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射式兩種類型。透射式光電測(cè)速傳感器的原理圖8.3.4物位的檢測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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—液體間的液位高度，氣體—固體顆粒或粉末、液體—固體間的料位高度；液體—液體間的界面(如油水界面)高度的測(cè)量等，我們統(tǒng)稱為物位的測(cè)量。

1．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力差測(cè)得，稱為差壓式液位儀表。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(lái)測(cè)量。h′=H-h2．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)數(shù)/顯示電路組成t0t1啟動(dòng)CP停止CPt=t1-t28.3.5其他量的檢測(cè)

1．位移的檢測(cè)

e=k

x2．扭矩的測(cè)量8.4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，常用各種傳感器將非電量(如溫度、壓力、應(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，電信號(hào)的變化量常常很?。ㄒ话阒挥袔缀练綆资练?，所以要將電信號(hào)加以放大，有時(shí)還要將電壓變換為電流信號(hào)。

8.4.1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R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為8.4.2程控測(cè)量放大器PGA

1．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)2．程控測(cè)量放大器電路3．集成程控測(cè)量放大器電路LH0084正常工作：R2=R3R4=R5R6=R7S1—S1’S2—S2’S3—S3’S4—S4’手動(dòng)連接也可改變?cè)鲆鍾18.4.3電壓-電流變換電路

變送器一般要將處理過(guò)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，稱為U／I變換。U／I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)。

傳感器與放大電路+–+IQI1E+-IoRLRFR2R1USI=IQ+I1=4+US/R1(1+RF/R2)

8.5

有源濾波器濾波電路的種類:按信號(hào)性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能:低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按所用元件:無(wú)源濾波器和有源濾波器8.5.1概述按階數(shù):一階,二階…高階傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性濾波器分類(按頻率特性進(jìn)行分類)：

低通高通帶通帶阻RCR一階RC低通濾波器(無(wú)源)CC傳遞函數(shù)幅頻特性010.707

0截止頻率此電路的