電工學概論（第三版）課件 第9章-電氣測量與傳感器技術

電工學概論（第三版）

電子教案第九章電氣測量與傳感器技術第九章電氣測量與傳感器技術9.3生活中的檢測舉例9.4現(xiàn)代傳感技術的發(fā)展9.1電氣測量9.2傳感器2/75

電氣測量包括電工測量和電子測量。電工測量是利用電流的電磁效應對常用電量和電參數(shù)進行測量，電子測量是指用電子技術的方法和電子儀器進行的測量。電子測量還可以測量電信號特性、電路性能特性以及實時顯示動態(tài)的特性曲線和特性參數(shù)，應用更為廣泛9.1電氣測量用指針的偏轉角來反映被測電量大小的模擬式電表。9.1.1指示式測量儀表3/751.工作原理(1)磁電式特點：只能測量直流，性能穩(wěn)定，靈敏度及精度高，線性刻度，能耗低，過載能力小。(2)電磁式電磁式測量機構有吸引式和排斥式兩種，吸引式為扁線圈結構；4/75排斥式為圓線圈結構電磁式測量機構的特點：結構簡單，過載能力大，可測交直流電流且波形失真對有效值讀數(shù)影響小。缺點：刻度不均勻，容易受外磁場影響，測量線圈吸收功率較大。5/75特點：性能穩(wěn)定，準確度較高。缺點：受外磁場影響大，不能承受較大的過載，而且兩線圈吸收功率較大，對被測電路有影響。(3)電動式2.測量誤差和儀表準確度等級(1)測量誤差①絕對誤差：指示值與真值之差6/75(2)儀表的準確度等級②相對誤差：絕對誤差與真值之比的百分數(shù)③引用誤差：絕對誤差與儀表量限之比的百分數(shù)儀表的準確度等級共分0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七級，其等級值就是最大引用誤差的絕對值上限，準確度等級越小則儀表越精確。7/75(3)儀表的選擇與使用根據(jù)測量對象及電流種類來決定所選用儀表的種類；

根據(jù)使用場合的要求來決定儀表的準確度等級及結構型式，并決定儀表的外形尺寸；

根據(jù)預計的被測量選擇儀表的量限；

在小功率高精度的場合，還應考慮電表的內(nèi)阻抗對被測電路工作狀態(tài)的影響。使用電表時應按規(guī)定正確接線，直流電路中注意“+”“－”極性；為了避免產(chǎn)生附加誤差，電表還應遠離強電流導線和強電磁場，按規(guī)定位置安放；通電前應進行指針調(diào)零，讀數(shù)時防止斜視產(chǎn)生誤差。8/75將被測電量通過采樣技術自動轉換成數(shù)字量，并進行數(shù)字編碼處理，最后用數(shù)字顯示的電測儀表?；緮?shù)字儀表是數(shù)字電壓表、功率表、頻率表等9.1.2數(shù)字式測量儀表1.工作原理9/752.測量誤差和儀表靈敏度(1)測量誤差①絕對誤差：②相對誤差：(2)儀表靈敏度和分辨力靈敏度是指能使儀表正常工作的最小被測量大小，通常以每個字所代表的被測量表示。分辨力通常是指儀表的最小讀數(shù)和最大讀數(shù)之比。數(shù)字儀表的測量準確度、分辨力（靈敏度）和顯示位數(shù)有關。顯示位數(shù)越多，儀表的測量精讀越高。10/759.1.3電量的測量1.電流的測量(1)直流電流的測量選用直流電流表，電流表應串聯(lián)在被測電路中，接線時注意電流從“+”端流入、“－”端流出。11/75(2)交流電流的測量采用交流電流表，電流表要串聯(lián)在被測電路中，實驗室中用多量程電流表的量程變換是將線圈做成分段式，利用轉換開關、插頭或接線端換接成串聯(lián)、混聯(lián)及并聯(lián)，以得到1:2或1:2:4的量程比例。12/752.電壓的測量(1)直流電壓的測量選用直流電壓表，電壓表要并聯(lián)在被測電路的兩端，接線時注意接線端有“+”、“－”極性。13/75(2)交流電壓的測量采用交流電壓表，電壓表應并聯(lián)在被測支路的兩端，交流電壓表也是采用串聯(lián)電阻的方法擴大量程。3.功率的測量(1)直流功率的測量①伏安表法②功率表法(2)單相功率的測量①功率表的接線14/75②量程的擴大15/75(2)三相功率的測量①三瓦特計法②二瓦特計法②一瓦特計法在對稱三相四線制電路中16/754.電能的測量(1)單相電度表①感應式測量機構17/75②電子式測量機構18/75(2)三相電度表19/759.1.4電阻的測量1.電流表、電壓表法2.萬用表法萬用表是一種多量限、多功能、便于攜帶的電工儀表，一般可測直流電流、直流電壓、交流電壓、直流電阻、音頻電平，有的還可測交流電流、電感、電容，粗測晶體管參數(shù)。分為指針式和數(shù)字式兩大類。20/75(1)指針式萬用表指針式萬用表是用磁電系表頭配以轉換開關和各種測量電路構成的，表頭靈敏度較高，但測量準確度較低。測量電阻的原理線路21/75(2)數(shù)字式萬用表數(shù)字式萬用表是用數(shù)字式電壓表為基礎加上多種轉換電路以后構成的便攜式數(shù)字儀表，用數(shù)字直接顯示被測量。測量電阻的原理線路22/753.兆歐表法又稱搖表，是由手搖發(fā)電機與磁電式比率計構成的測量絕緣電阻的儀表兆歐表的結構原理23/754.電橋法(1)平衡電橋(2)不平衡電橋在電橋平衡狀態(tài)下，若有三個電阻阻值已知，則可精確求出另一電阻阻值。在電橋原來已調(diào)整到平衡狀態(tài)，若由于外界某種原因使橋臂電阻發(fā)生變化，則在BD之間就有不平衡的電壓輸出，根據(jù)電壓UBD的大小可以推斷出電阻的相對變化值。24/75

傳感器是把各種非電量轉換成電量的元件。9.2傳感器9.2.1參數(shù)傳感器1.電阻應變片

利用傳感元件的一些物理性質(zhì)，把非電量轉換成電路參數(shù)(電阻、電感、電容)的傳感器稱為參數(shù)傳感器。

電阻應變片是利用導體或半導體材料在外力作用下會發(fā)生微小的機械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生變化的應變效應制成的元件。25/752.熱電阻

熱電阻是利用導體或半導體材料的電阻值隨溫度的變化特性來測量溫度。

(1)金屬熱電阻

鉑電阻：測溫范圍為

200℃

～+600℃

銅電阻：測溫范圍為

50℃

～+150℃鉑電阻測溫元件結構圖26/75(2)用半導體材料制成的測溫電阻元件稱為熱敏電阻。它具有靈敏度高、體積小、響應快的優(yōu)點,但電阻隨溫度呈非線性變化，元件的穩(wěn)定性及互換性差。熱敏電阻的結構種類27/75正溫度系數(shù)熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻臨界溫度系數(shù)熱敏電阻根據(jù)溫度特性可分為：熱敏電阻的溫度特性曲線28/753.電感傳感器

電感傳感器是利用被測物理量的變化引起電感線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，來測出被測量，用于測量微小位移。4.電容傳感器

電容傳感器是將被測物理量的變化轉換為電容器的電容量變化的傳感元件。

它具有靈敏度高、響應快、高頻性能好等優(yōu)點，目前在壓力、液位、介質(zhì)厚度、溫度等測量領域內(nèi)得到廣泛應用。29/759.2.2半導體傳感器1.半導體壓阻式壓力傳感器即對半導體晶體施加壓力，晶體電阻就發(fā)生變化。

壓阻式壓力傳感器具有很高的靈敏度，可用于氣體或液體壓力的高精度測量。

硅薄膜壓阻式壓力傳感器30/752.PN結溫度傳感器PN結的正向壓降在通過PN結點電流恒定時，與絕對溫度T

成線性關系，一般溫度每升高1℃,PN結正向電壓下降2mV。

一般硅二極管的測溫范圍為-50℃~+125℃

，測量體溫的電子體溫計測溫范圍為0℃~+50℃

，硅晶體管傳感器測溫范圍為-50℃~+150℃

。

將測溫晶體管元件與放大電路、補償及線性化電路集成在同一芯片上，則構成集成溫度傳感器，它具有接線簡單，使用方便的優(yōu)點。31/75AD590基本接線原理圖AD590集成溫度傳感器測溫范圍為

55℃

~+150℃

。32/753.霍爾傳感器

霍爾傳感器是一種用半導體材料銻化銦或硅的薄片構成的磁敏傳感器。

根據(jù)其工作原理，霍爾傳感器可用于檢測磁場(控制電流恒定)以及檢測產(chǎn)生磁場的電流大小，從而可制成霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器及霍爾功率傳感器。

另外，霍爾傳感器也可用于位置、位移、轉速、轉角及移動速度的檢測。33/759.2.3發(fā)電傳感器

發(fā)電傳感器是指被測物理量的變化能使傳感器產(chǎn)生電動勢，直接對外輸出，通過檢測電動勢的大小或方向確定被測物理量。1.磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用線圈在固定磁場氣隙中運動產(chǎn)生感應電動勢的原理工作的，它是動態(tài)檢測傳感器。

動圈式話筒的結構34/752.壓電式傳感器

某些電介質(zhì)材料(如石英晶體、鈦酸鋇),當在一定方向上受到外力作用而變形時,在與外力垂直的兩個表面上就會產(chǎn)生極性相反的束縛電荷，當外力去除后,晶體表面恢復不帶電狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為壓電效應。

利用壓電效應可制成壓力和加速度的傳感器,也可制成發(fā)射和接收超聲波的探頭。

壓電晶體還可制成晶體話筒、晶體揚聲器、耳機等，具有體積小、價格低的優(yōu)點，但低頻性能較差。35/75

由于壓電傳感器的輸出信號很弱，而內(nèi)阻很高,必須采用專用電纜接到前置放大器，再送到測量儀器。壓電傳感器測量系統(tǒng)36/753.熱電偶

兩種不同材料的金屬導體兩端緊密接觸形成一個閉合回路，若兩個連接點所處的溫度不同，則回路中會產(chǎn)生電動勢及電流，該電動勢的大小只與導體材料和連接點溫度有關。熱電偶的結構原理37/751.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管(LED)的工作原理與普通二極管類似,具有單向導電性，當加正向電壓，一般(1.5~2.5V),正向電流在5~20mA時，就能發(fā)出光。

光的顏色視發(fā)光材料的波長而定。元素周期表Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等制成，如采用磷砷化鎵，可發(fā)出紅光或黃光；如采用磷化鎵，可發(fā)出綠光。

發(fā)光二極管具有驅動電壓低、功耗小壽命長、可靠性高等優(yōu)點，在顯示電路中廣泛應用。將電信號轉換為光信號。9.2.4光電器件38/752.光敏二極管將光能轉換為電流的器件。

在外加反向電壓下，其反向電流的大小與照度成正比?？捎糜谶b控、報警和光電傳感器中。39/753.光敏晶體管將光能轉換成電能的晶體管，其集電極的電流隨光照的強弱變化。40/754.光控晶閘管是一種由固定波長的光照射其門極而觸發(fā)導通的晶閘管。41/755.光敏電阻利用半導體材料的光電導效應，制成的探測光信號的器件。42/756.光電池在光線照射下能直接把光能量轉變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫Ｄ壳皯米顝V的是硅光電池和硒光電池。43/757.光電耦合器

光電耦合器是把發(fā)光二極管和光電二極管或光電晶體管合為一個器件。輸入端接收電信號，中間以光耦合的形式控制輸出端的電信號。由于這種耦合方式?jīng)]有電的直接聯(lián)系，又稱為光電隔離器，具有很高的抗干擾能力。44/758.半導體激光器

半導體激光器是以半導體為工作物質(zhì)的一類激光器的統(tǒng)稱。它是一種相干輻射光源的發(fā)光器件。

半導體激光器具有亮度高、方向性強、單色性和相干性好、體積小、耗電少、壽命長等優(yōu)點，可用于光通信的光源、激光測距、CD放音機、DVD驅動器、激光打印機等。45/759.2.5光傳感器

光傳感器是把光信號轉換為電信號的器件。光電二極管、光電晶體管、光耦合器件都是利用光電效應制造的半導體光檢測器件。光敏電阻、光電池也是光檢測器件。

利用有無光照來使電路通斷的開關型光傳感器可作自動控制中常用的光電開關及轉速測量中的光電碼盤。

利用光電器件的輸出電流與光照度之間的線性關系，可通過測量光照度間接測量其他物理量。如檢測氣體、液體的透光能力以確定渾濁度、檢測物體表面的光反射能力確定其光潔度等。46/751.CCD圖像傳感器CCD器件稱為電荷耦合器件。用于把圖像轉換成電信號輸出。CCD器件的原理結構實用的圖像傳感器分為線型和面型兩種。線型圖像傳感器適用于傳真機、工業(yè)自動檢測等領域，傳感器與所掃描的圖像緊貼，并采用發(fā)光二極管照明。

面型圖像傳感器主要用于攝像機、監(jiān)視器、掃描儀等。47/75線型CCD圖像傳感器原理48/75面型CCD圖像傳感器原理49/752.熱釋電紅外線傳感器

主要用于檢測物體所放射出的紅外線能量并將其轉換成電信號輸出。

熱釋電探測元件主要用于遙測、遙控、防盜報警、防火、節(jié)水系統(tǒng)中。熱釋電紅外線傳感器原理圖紅外線通過濾光鏡信號增大場效應管導通輸出電壓熱釋電元件50/753.光纖傳感器

光纖是光導纖維的簡稱，是用石英玻璃拉絲構成的，主要用于定向傳導光纖制成的光纖傳感器，具有抗電磁干擾、抗雷擊、電絕緣性能好、靈敏度高、重量輕、體積小、耐腐蝕、柔韌、光路可彎曲等優(yōu)點，可用于測量熱工量、機械量、電磁量、力學量、化學量、輻射量、生物量等。有功能型及傳光型兩大類。51/751.氣體傳感器

氣體傳感器主要用于檢測可燃性氣體的濃度和成分，用于家用煤氣檢漏報警、汽車司機酒精檢測煤礦中的瓦斯監(jiān)測報警、化工廠中有害可燃氣體報警等。SnO2氣體傳感器的基本檢測電路

有可燃氣體時，半導體材料的阻值下降，且與氣體的濃度成對數(shù)關系9.2.6成分檢測傳感器52/752.濕度傳感器

濕度傳感器是用來測定大氣中的水蒸氣含量(濕度)，是基于濕敏材料在濕度發(fā)生變化的環(huán)境中會發(fā)生與濕度有關的物理效應或化學反應的原理制造的。53/75典型的MgCr2O4-TiO2濕度傳感器結構54/75濕度傳感器廣泛應用于各種場合的濕度監(jiān)測、控制和報警。其中用于無線電遙測自動氣象站的測報原理框圖如下55/759.3生活中的檢測舉例9.3.1電子秤電子秤結構框圖56/75垂直重力作用時阻值增大阻值減小溫度補償調(diào)零靈敏度調(diào)節(jié)形57/759.3.2溫度檢測

目前各種測溫儀器所覆蓋的測溫范圍已達?2000C~2000℃，通常對1500℃以上的高溫均采用不接觸的間接測溫法測量，即用光學高溫計及輻射高溫計測量。

光學高溫計是通過檢測高溫體發(fā)出的可見光亮度及光色來確定高溫體溫度。

輻射高溫計是將高溫體所輻射的各種能量通過凸透鏡聚焦后集中于熱電轉換器件，產(chǎn)生一定大小的熱電動勢，通過測量毫伏計讀出溫度值。Rf58/75光學高溫計的結構59/75

對于500℃

～1500℃范圍的高溫，一般采用熱電偶測溫。

電子體溫計將體溫通過熱敏電阻阻值變化，轉換成體溫數(shù)值顯示出來。

對于500℃以下的溫度，一般采用金屬熱電偶測溫。Rf黏60/759.3.3煙霧報警器

用于檢測由于火災開始時產(chǎn)生的煙霧。1.光電式：是利用煙霧粒子對光線的反射能力工作的。

當煙室內(nèi)有煙霧粒子進入時，將反射由發(fā)光器件發(fā)出的光線使煙室透亮,同時使感光器件感光，產(chǎn)生電信號。61/752.電離式：當有煙霧進入電離室時，煙霧粒子與空氣離子相結合，從而減少離子流，電路中的電流下降，減小到一定值時發(fā)出報警。62/759.3.4煤氣泄漏報警器

煤氣泄漏報警器的主體是半導體氣體傳感器（參見9.2.6)。9.3.5熱檢測器

熱檢測器用于檢測非正常的溫度上升，用于判斷是否發(fā)生火災。1.空氣管式熱檢測器

火災時,管內(nèi)氣壓升高，觸點動作，發(fā)出報警信號。63/752.紫外線管火焰?zhèn)鞲衅髯贤饩€管結構

當加在陽極和陰極之間的電壓升高到一定數(shù)值及紫外線具有一定的光量時，管內(nèi)將發(fā)生氣體碰撞電離而放電的現(xiàn)象，此時電流急劇增大，并產(chǎn)生輝光。

此種傳感器對火焰響應快，靈敏度高，在室外也能使用。64/759.3.6紅外線報警

紅外線傳感器是利用測量物體所輻射出來的輻射能量來確定該物體的存在及位置，也可判別物體的性質(zhì)及溫度。用于發(fā)現(xiàn)在黑暗中移動的物體。

常用的紅外線檢測器件有熱敏電阻、熱釋電光敏電阻、光敏電阻、光電二極管、光電晶體管、光電池等。

紅外激光警戒系統(tǒng)可以再無人值守的警戒區(qū)域中發(fā)現(xiàn)是否有人進入，若有人進入必然阻斷紅外激光的光路,傳感器接收不到激光，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。65/759.4現(xiàn)代傳感技術的發(fā)展

目前傳感技術主要的發(fā)展方向為研究新材料、新工藝、新原理和開發(fā)新型傳感器，以及研究傳感器的微型、集成化、智能化、仿生化、多功能化、高精度化。9.4.1微型傳感器1.微型壓力傳感器

是以硅為基材經(jīng)過微細加工及微電子工藝制得的,有壓阻式、壓容式及其他形式。

可用于工業(yè)測量和科學研究，可植入人體，監(jiān)控血壓、腦壓及其他器官內(nèi)的壓力。66/752.微型慣性傳感器

是利用傳感器內(nèi)部“質(zhì)量塊”的慣性來測量物體運動情況的傳感器。

主要用于船舶、飛機、航天飛行器以及導彈火箭的導航、姿態(tài)控制和測量等，還可擴展到生物醫(yī)學、機器人技術、汽車工業(yè)等。67/759.4.2智能傳感器

是傳統(tǒng)的傳感器加上微處理器構成的一體化單元。

能存儲測量數(shù)據(jù)及進行數(shù)據(jù)校正、預處理，與上級監(jiān)控裝置進行雙向通信，并對傳感器內(nèi)部故障進行自檢。68/759.4.3生物傳感器

是以具有高度選擇性的生物活性物質(zhì)，如酶、微生物、抗原和抗體等，作為生物敏感基元,當被測生物體的分子作用該生物敏感膜時，會產(chǎn)生生物學反應，并有電位變化、發(fā)熱、發(fā)光等物理現(xiàn)象及化學物質(zhì)產(chǎn)生，通過信號轉換形成電信號輸出。被測物生物敏感膜信號轉換器電信號生物傳感器的組成原理69/751.酶傳感器：酶傳感器由特定的酶膜和電化學電極組裝而成，當傳感器浸入待測溶液時，溶液中的待測底物會透過保護膜流入酶層，在酶的催化作用下，底物與水及氧發(fā)生反應并產(chǎn)生生成物，由電極測得生成物數(shù)量可檢知溶液中底物基質(zhì)的濃度。2.微生物傳感器:微生物傳感器按工作原理可分成三種類型:①利用微生物物體內(nèi)含有的各種酶來識別分子，與酶傳感器相似。②利用微生物對有機物的同化作用，當有機底物擴散到微生物膜中時，微生物細胞會并通過一系列化學反應將底物轉變成自身的物質(zhì)，并存儲能量。此7