電氣工程概論10

1、電氣工程概論,第10部分,第六章 電氣測量技術(shù),電氣工程概論,電氣工程概論 第六章電氣測量技術(shù),引言 在測量過程中往往會發(fā)生誤差，這種誤差是難以避免的，所以根據(jù)測量精度，有精密測量和工程測量兩類電氣測量。對誤差要求不是很嚴格，所以本章內(nèi)容屬于工程測量范疇。另外，由于電子技術(shù)在當(dāng)前電氣工程中得到普及與應(yīng)用。因此對一些傳統(tǒng)的測量

2、方法不再贅述。 電氣測量方法的分類和常用的測量單位見表6-1和表6-2。,電氣工程概論 第六章電氣測量技術(shù),電氣工程概論 第六章電氣測量技術(shù),第一節(jié) 電磁參數(shù)的測量,電氣工程概論

3、 第六章電氣測量技術(shù),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)。為了實現(xiàn)對其的精確測量，目前普遍采用數(shù)字化測量，對于電路參數(shù)的數(shù)字化測量是通過把被測參數(shù)轉(zhuǎn)化成直流電壓或頻率后進行測量的。,(一)電阻的測量,電阻的測量是指將電阻值轉(zhuǎn)換成直流電壓后進行測量。目前主要采用恒流源的方法進行測量，即將恒定的電流Is通過被測電阻Rx，測得Rx上的兩端壓降U

4、x，則Rx=Ux/Is。根據(jù)其產(chǎn)生恒流源的方法的不同又分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,1、比例運算器法,圖6—1 比例運算器法測量原理圖,比例運算放大器的原理如圖6－1所示。圖中UN為基準源，RN為標準電阻，RX為被測電阻，根據(jù)電路可知：,,由此可得：,,當(dāng)Ad趨于無窮大時：,,電

5、氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,2、積分運算器法,積分運算器法的原理如圖6－2所示。該方法采用積分法，因此適用于高阻的測量，測量范圍為109—1014，測量精度可達0.1％,圖6—2 積分運算法測量原理圖,設(shè)脈沖的周期為Tc，N為脈沖的個數(shù)，則開門時間ΔT內(nèi)的計數(shù)值為ΔT＝NTc。,,電氣工程概論

6、 6.1 電磁參數(shù)的測量,3.用集成芯片7106組成的多量程電阻測量電路,圖6-3示出了使用7106芯片組成的多量程電阻測量電路。其中，電阻R的作用是限制串聯(lián)電阻上流過的電流，以避免在7106芯片輸入端上超過200mv。 由電阻R、RN、RX組成的串聯(lián)回路上電流I為,對于雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字讀出有如下關(guān)系,由式（6-1）可知，適當(dāng)選取標準電阻R

7、N的值，就可得到不同的電阻測量范圍。若RN＝1k?，則RX被測范圍就可為1－2000?之間。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,（二）電容的測量,傳統(tǒng)的電容測量方法有諧振法和電橋法兩

8、種。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法。,用恒流法測量電容的原理圖和波形圖如圖6—4所示，當(dāng)開關(guān)S打向復(fù)位端時，計數(shù)器和電容同時清零，然后再將開關(guān)打向測量端，這時恒流源I對電容C進行充電，經(jīng)過時間T后，充電電荷Q=I?T，此時電容兩端電壓U=Q/C，顯然只要I和T已知，測出電壓U，便可按C= I?T/U計算出電容值，恒流源向C充電，同時時標脈沖Cp經(jīng)與門進入計數(shù)器。當(dāng)Uc值大于UR時，

9、比較器輸出零,電平，停止計數(shù)，這時顯示的數(shù)據(jù)就是與電容值成正比的測量結(jié)果。即,T=NTCP,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—4 用恒流法測量電容的原理圖,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,（三）電感的測量,

10、使用交流電橋法雖然能較準確的測量電感，但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量Q值確定電感的方法，誤差較大。采用時間常數(shù)的數(shù)字化測量方法測量電感較簡單實用。 一般電感含有線圈電阻R和寄生電容Co，通常Co很小，在工頻情況下可以忽略。所以實際電感可以視為一純電感L和電阻R的串聯(lián)，其時間常數(shù)τ=L/R，測量電感的原理圖如圖6—5所示,電氣工程概論

11、 6.1 電磁參數(shù)的測量,,圖6—5 時間常數(shù)法測量電感的基本原理圖（a）原理圖 （b）電流變化曲線圖,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,在t=0時合上開關(guān)，電感中的電流i將按指數(shù)曲線上升，其最大值為I。從圖中可看出，在開始階段變化的曲線和t=0時刻的切線基本重合。I’與i交點的橫坐標為△T，從圖中可知,

12、只要先測出電感線圈的直流電阻，并已知U便可計算出I，則由測定的△T即可求得τ，從而計算出L=τR。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,二、 頻率和相位的測量,（一）頻率的測量,在電子測量技術(shù)中，頻率是一個最基本的參數(shù)，而且頻率測量的精度已經(jīng)達到了10-13數(shù)量級，是目前物理量中能測量的最精確的參數(shù)之一。因此，在檢測技術(shù)中常常將

13、一些非電量或其它電參量先轉(zhuǎn)換成頻率，然后加以測量，以提高測量精度。目前測量頻率的方法有電橋法、諧振法、差頻法、電子計數(shù)法等，本節(jié)主要介紹計數(shù)法的測量原理。,計數(shù)法測量頻率就是按此定義設(shè)計的方案，其測量原理圖如圖6—6和波形圖如圖6—7所示。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—6 計數(shù)法測量頻率原理圖,電氣工程概論

14、 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—7 計數(shù)法測量頻率的各點波形圖,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,從圖中可以看出，它是由以下幾部分組成：（1）輸入通道 一般由通道放大電路和整形電路組成，整形后方波信號的幅度應(yīng)與主閘門的邏輯

15、輸入開門信號相匹配。（2）時間基準電路 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)成時間基準。（3）控制電路 用來使主閘門在所選擇的基準時間內(nèi)打開，使整形后的被測脈沖信號通過并送往計數(shù)器計數(shù)，而顯示器的小數(shù)點受時間基準選擇電路同步控制，所以即使選用不同的時間基準，顯示器上仍能顯示被測頻率的值。,電氣工程概論 6.

16、1 電磁參數(shù)的測量,（4）工作原理 首先將被測頻率fx其波形經(jīng)整形放大后使它變?yōu)橐唤M系列脈沖，可便于脈沖計數(shù)器計數(shù)。該計數(shù)器只在控制門開啟時才能對被測頻率fx的脈沖計數(shù)?？刂崎T開啟時間是由石英振蕩器產(chǎn)生的標準脈沖經(jīng)脈沖(周期為T0)分頻器分頻以后得到的。若分頻倍數(shù)為K倍，則控制門開啟時間為TD=KT0，在這一段時間內(nèi)脈沖計數(shù)器進行計數(shù)，其值為N=TDfx 如果選TD＝1s，則可把上式寫為

17、 N=fx 所計數(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，對于自動測量、遙遠測量均極為方便。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,（二）相位的測量 相位是交流信號的一個重要的參數(shù)，相位的數(shù)字化測量應(yīng)用類似頻率計測量時間的原理。利用相位-頻率轉(zhuǎn)換器測量的原理如圖6—8所示。,,圖6—8

18、相位－頻率轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計原理圖(a) 原理圖；(b)轉(zhuǎn)換波形圖,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,由圖可知，被測相位為：,式中，To—時標脈沖的周期； Nx—在Tx時間內(nèi)計數(shù)值； T—被測信號的周期。由于T也是未知量，所以必須經(jīng)過兩次測量，并經(jīng)過計算得到φx。因為T=NTT

19、0。所以,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,從上式中可以看出，該測量方法的精確度直接受時標頻率的影響。例如，精度要求為0.10。則要求T0/T≤0.10/3600,f0≥3600fx，即當(dāng)被測信號頻率增大時，時標信號頻率相應(yīng)加大到3600倍。當(dāng)輸入信號為正弦波或三角波時，必須首先經(jīng)過整形變?yōu)榉讲ㄐ盘枴＾D(zhuǎn)換時的門限電平的漂

20、移會給測量帶來較大的誤差。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,三、電壓的測量,從測量的角度來講，一般根據(jù)被測電壓的類型可以分為直流電壓、交流電壓和脈沖電壓。對于直流電壓的測量，相對來講比較簡單，因此，本節(jié)著重介紹交流電壓和脈沖電壓的測量。,（一）交流電壓的測量交流電壓可用平均值、有效值、峰值來表征。1、交流電壓平均值的測

21、量交流電壓平均值的表達式為,,,全波,半波,平均值在電路上的實現(xiàn)通常使用線性檢波器。為了獲得轉(zhuǎn)換精度高、線性度好、頻率范圍寬和動態(tài)過程短的檢波效果，通常采用運算放大器的負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。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—9 半波線性檢波器(a) 原理圖；(b)線性檢

22、波特性圖,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—9所示電路為反相半波檢波器，當(dāng)輸入信號Ui>0時，運放的輸出電壓Ui’0時由于VD1的截止，造成運算放大器的開環(huán)使用。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,2、交

23、流電壓有效值的測量,在實際應(yīng)用中，交流電壓的有效值比峰值、平均值更為常用。因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)的有效值Urms的數(shù)學(xué)表達式為：,其有效值的檢波器的電路原理圖如圖6—10所示。A1、A2為差分放大器，A3為倒相器，A4為積分器，M為乘法器。由圖可知,,式中，K—M的傳輸系數(shù),電氣工程概論

24、 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—10 有效值檢波器的原理圖,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,將UM分解為傅里葉級數(shù)后的直流分量為,式中： 為 有效值的平方。,,,由于系統(tǒng)的負反饋作用，最終使得U02-Ui2=0,則U0=Ui，即輸出U0就是輸入Ui的有效值。,電氣工程概論

25、 6.1 電磁參數(shù)的測量,3、交流電壓的峰值的測量,對于交流電壓或一些脈沖電壓信號需要進行峰值的測量。當(dāng)輸入信號的波峰系數(shù)一定時，將信號的峰值保持一段時間，然后進行測量，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：,,對于純交流電壓的波峰系數(shù)為,,常見的最基本的峰值檢波器是由一個二極管和一個保持電容組成，如圖6－11所示。慢放電：快充電：,電氣工程

26、概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,式中， —放電回路的時間常數(shù) —充電回路的時間常數(shù) —被測信號的最大周期 —被測信號的最小周期 則，Uo即為Ui的峰值。,,,,,圖6—11 基本峰值檢波器,電氣工程概論

27、 6.1 電磁參數(shù)的測量,（二）脈沖電壓的測量,脈沖電壓的測量一般指脈沖的幅值測量，當(dāng)脈沖電壓的頻率較高，占空比較大時，可用上述峰值來測量。但是如果被測脈沖電壓的周期T很長而脈沖寬度又很窄，則占空比很小，在用峰值電壓表會產(chǎn)生很大的誤差。本節(jié)介紹了一種測量脈沖電壓的方法。,圖6—12為脈沖電壓的保持器，當(dāng)被測脈沖ux到來時，運算放大器A1 的輸出使晶體管V1的飽和導(dǎo)通對保持電容C迅速充電到脈沖的

28、幅值Um，A2為跟隨器，其輸出電壓U0=Um。正脈沖過后，晶體管V1截止，A2的輸入電阻很高，電容C沒有放電電路，所以保持Uc=Um。U0通過反饋電阻Rf反饋到A1反向輸入端，A1輸入為低電平，所以二極管VD截止。欲保持性能好，必須選擇漏電流極小的電容器C。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—12 脈沖電壓保持器

29、 圖6—13 具有自動放電功能的脈沖幅值保持電路,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,上述是脈沖峰值保持電路，保持峰值最高的脈沖的幅值。幅值最高的脈沖出現(xiàn)后，如果跟著出現(xiàn)一系列幅值較低的脈沖，上述電路就無法反應(yīng)。為了克服這一缺點，可用圖6—13具有自動放電功能的脈沖幅值保持電路。圖中，場效應(yīng)管V1、V2均為源極輸出器，具有很高的

30、輸入阻抗和很低的輸出阻抗，VD是檢波二極管，C2是保持電容。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,四、磁測量,磁測量包含的范圍很廣，大致可以分為三個方面：（1）對磁場和磁性材料的測量；（2）分析物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)，觀察物質(zhì)在磁場中的各種效應(yīng)；（3）在邊緣學(xué)科領(lǐng)域中，利用磁場與其他物理量的關(guān)系，通過測量磁性來測出其它量。如：磁性檢

31、驗、磁粉探傷、磁性診斷和磁性勘探等。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,1 H/m=,表6-3 磁學(xué)量單位及其換算關(guān)系,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,表6-4 兩種單位制中磁測量常用公式,注：

32、 為一純數(shù)。,,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,以下主要介紹測量磁場的沖擊法和霍爾效應(yīng)法。（一）沖擊法,圖6—14 沖擊法測量原理 (a)沖擊原理圖；(b)等效電路,沖擊法的測量原理如圖6－14所示。,電氣工程概論

33、 6.1 電磁參數(shù)的測量,線圈中感應(yīng)的電動勢為,此電動勢將在測量回路中引起脈沖電流i(t)，設(shè)測量回路的總電阻為R，總自感為L，其等效回路如圖6-14(b) 所示，則有,(6-4),為了找出磁通變化與通過沖擊電流計電量之間的關(guān)系，我們將式(6-4)兩邊同時對時間進行積分，得,式中t0為磁通變化的持續(xù)時間。,電氣工程概論 6.1

34、電磁參數(shù)的測量,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(t0)＝ i(0)＝0故得到,(6-5),式中Q為通過沖擊電流計的總電量。可見，只要測量出脈沖電流的總電量Q，按式(6-5)即可算出磁通變化量?Φ。,式中：Cq 為電流計的電量沖擊常數(shù)；αm 為電流計的最大偏轉(zhuǎn)格數(shù)。其中， 。,電氣工程概論 6.

35、1 電磁參數(shù)的測量,（二）霍爾效應(yīng)法,將一塊金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片放在磁場中，如圖6—15所示，沿垂直于磁場的方向上通以電流I，這些運動著的電子，在磁場中將受到絡(luò)侖磁力的作用，而使電子偏向薄片的x面，從而在x，y兩個面形成一個電壓UH,這個效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，電壓UH稱為霍爾電壓。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,圖6—15 霍

36、爾效應(yīng)法,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,x,y兩側(cè)面間的霍爾電壓為,式中：RH—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； b—半導(dǎo)體薄片的寬度；,l—半導(dǎo)體薄片的長度； 霍爾元件中的電場強度E和磁感應(yīng)強度B的關(guān)系，有 其中，則可求出霍爾電壓與磁感應(yīng)強度

37、的關(guān)系，有即測出了霍爾電壓，就可以求出空間的磁感應(yīng)強度B。,電氣工程概論 6.1 電磁參數(shù)的測量,第二節(jié) 傳感器技術(shù),電氣工程概論 第六章電氣測量技術(shù),引言,傳感器是一種能夠感受到規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律再轉(zhuǎn)換成可用輸

38、出信號的器件或裝置，即是一種以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。非電量測量的關(guān)鍵技術(shù)就是如何將非電量轉(zhuǎn)換成電量的技術(shù)—傳感技術(shù)。 從應(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)所轉(zhuǎn)換的物理類型可分為：電參量、磁電式、壓電式、光電式、熱電式等。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),（一）電阻

39、式傳感器,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。,電阻應(yīng)變式傳感器是利用元件的電阻隨著機械形變的大小而變化，其電阻應(yīng)變片是用直徑為0.025mm的具有高電阻率的金屬電阻絲制成，如圖6—16所示。圖中，l為應(yīng)變片的標距或稱為工作基長，b稱為應(yīng)變片的工作寬度。應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換原理是金

40、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。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),圖6—16 電阻應(yīng)變片的形狀,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),這種電阻應(yīng)變傳

41、感器的特點是精度高，測量范圍廣；結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，壽命長；頻率特性好，能在高溫、高壓、振動強烈、強磁場等惡劣環(huán)境下工作。目前這種傳感器被廣泛的應(yīng)用于測量力和與力有關(guān)的非電量測量。,式中：k為應(yīng)變靈敏系數(shù)，其物理意義為單位應(yīng)變引起的電阻的相對變化。 對于金屬來說， 變化較小，其靈敏系數(shù)主要取決于 項。由以上討論可知，在機械力的作用下，金屬電阻絲的電阻相對變化值與受力后的金屬絲幾何尺寸的變化有關(guān)，也與電阻絲的電阻率

42、的變化有關(guān)。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),（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、溫度等）轉(zhuǎn)化為電容量，從而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化和測量。平板電容器和圓筒形電容器如圖6—17所示。,圖6—17 兩種常用電容器 a) 圓筒形電容器 b)平板電容器,電氣工程概論

43、 6.2 傳感器技術(shù),平板電容器的電容為,式中C為電容量(F)；d為兩平行極板的距離(m)；εr為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為極板相互遮蓋面積。,圓筒形電容器的電容為,式中C為電容量(F)；l為圓筒的長度(m)；R為外圓的半徑(m) ；r為內(nèi)圓的半徑(m) 。,由此可見，電容式傳感器的

44、基本工作原理是通過改變電容器的參數(shù)εr 、d、A（或l）中的任何一個，從而實現(xiàn)電容量C的改變。根據(jù)改變的量的不同可以分為變間隙型、變面積型和變介電常數(shù)型。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),（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)，將被測氣體的某些特定成分轉(zhuǎn)換成便于測量的電信號。氣敏傳感器具有測量范圍

45、寬，精度高，靈敏度高，工作可靠，體積小，成本低等一系列特點，它廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、環(huán)保、醫(yī)療等各個領(lǐng)域中。氣敏傳感器的種類繁多，就其檢測方法來分，可分為：半導(dǎo)體式、催化還原式、紅外吸收式等。在這些氣敏傳感器中，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。氣敏電阻由非化學(xué)配比的金屬氧化物按一定的比例混合，并加入粘合劑成型和高溫?zé)Y(jié)而成，分N型和P型兩種。氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)見圖6—18a。,電氣工程概論

46、 6.2 傳感器技術(shù),圖6—18 氣敏電阻結(jié)構(gòu)及原理圖(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)工作原理圖1—加熱電極 2—氣敏材料 3—信號引出電極,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),電氣工程概論

47、 6.2 傳感器技術(shù),其工作原理見圖6—18b，通電后，元件被加熱，阻值迅速下降，一般經(jīng)2—10分鐘后，阻值達到穩(wěn)定狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為初始穩(wěn)定狀態(tài)。到達初始穩(wěn)定狀態(tài)時間的長短與環(huán)境條件有關(guān)。必須指出，使用元件時必須預(yù)熱，待元件達到初始穩(wěn)定狀態(tài)時，才能開始測量。,當(dāng)加熱的氣敏電阻表面接觸并吸附被測氣體時，被吸附的氣體分子首先在表面擴散而失去

48、動能，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能，被吸附氣體的電子被元件俘獲，而以陽離子形式被

49、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，會以載流子的數(shù)目增加，表現(xiàn)出元件的阻值減小的特性，如同6-18(b)實線所示。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),（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。 超聲波發(fā)生器是利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)，在電極上

50、施加頻率高于20kHz的交流電，壓電晶體就會產(chǎn)生超聲機械振動，從而發(fā)出超聲波，如圖6-20（a）。,圖6—20 超聲波發(fā)生器和接受器原理圖 (a)超聲波發(fā)生器原理圖；(b)超聲波接受器原理圖,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),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6—20b所示。在壓電晶體的電軸

51、或機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，交變電荷的幅值與所施加的超聲波強度成正比。通過測量電路將交變的電荷轉(zhuǎn)化為電壓或電流輸出。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),電氣工程概論

52、 6.2 傳感器技術(shù),光電紅外探測器根據(jù)采用的敏感元件的不同，可以分為光電導(dǎo)型紅外探測器和光生伏特型紅外探測器。光電導(dǎo)型紅外探測器的原理圖如圖6—21所示，其工作原理是將被測目標輻射的紅外光經(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經(jīng)測量電路、前置放大和選頻放大，最后調(diào)制成直流信號放大輸出。,熱紅外探測器是根據(jù)熱釋晶體的熱釋電效應(yīng)制成的。其工

53、作原理為：熱釋電晶體在調(diào)制角頻率ω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ω的面束縛電荷qs,則當(dāng)ω足夠高時，晶體內(nèi)部和外部的自由電荷來不及中和面束縛電荷qs，兩端面有電荷的累積，見圖6—22a。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),圖6—21 光導(dǎo)型紅外探測器,電氣工程概論

54、 6.2 傳感器技術(shù),圖6—22 熱釋電紅外探測器a）熱釋電效應(yīng) b）等效電路,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),熱釋電晶體是絕緣體，其介電常數(shù)為ε，兩端面之間的等效電阻為Ra，電容為Ca，因此，在調(diào)制的紅外光作用下，熱釋電晶體

55、的等效電路見圖6－22(b)，RL 為負載電阻。設(shè)紅外光的調(diào)制角頻率為ω，由于U=qs/Ca，若忽略Ra和RL的影響，則得,從而得到了非電量的測量值。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),（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)

56、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。目前對于光電元件信號的檢測方法有以下幾種：1）透射式 2）反射式 3）輻射式 4）遮擋式 5）開關(guān)式,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),圖6—23 光電元件的信號監(jiān)測方法a）透射式 b)反射式 c）輻射式 d)遮擋式,電氣工程概論

57、 6.2 傳感器技術(shù),（七）變送器,變送器將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號。變送器種類繁多，但按其應(yīng)用場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。,1、交流電流、電壓變送器,將被測交流電流或交流電壓變換為與其成線性比例的

58、直流電流或直流電壓。其原理框圖如圖6—24所示。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),圖6—24 交流電流、電壓變送器原理框圖,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),被測交流信號經(jīng)輸出互感器耦合送入整流濾波

59、電路，轉(zhuǎn)換成單向脈動電流，經(jīng)有源濾波輸出一個非常穩(wěn)定的直流。補償電路用于小信號時互感器鐵心磁化曲線的非線性影響和改善整機的溫度特性。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。,2、 溫度變送器,溫度變送器分為氣動和電動兩種。（1）在防爆要求嚴格的場合下，壓力式溫度變送器成為良好的自動化用途的溫度變送器。它歸屬于氣動電表類。（2）與熱電偶或熱電阻溫度傳感器相配接，而輸出信號則是標準化的毫安級電流。這是與氣

60、動溫度變送器的不同之處。故稱為電動溫度變送器。電動溫度變送器的標準輸出信號為4～20mA。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),3、壓力變送器,一般用壓力表傳遞壓力信息德距離不能很遠。要想遠距離傳輸壓力信息，往往是將彈性測壓元件與電氣傳感器相結(jié)合構(gòu)成壓力變送器，工業(yè)中常稱差壓變送器，以統(tǒng)一信號傳輸至控制點進行信號處理控制

61、或顯示。一般將壓力變送器分為力平衡式、位移式兩類壓力變送器。力平衡式壓力變送器是采用力平衡原理，通過深度負反饋將彈性元件測壓產(chǎn)生德力矩與輸出信號德反饋力矩相平衡，有效地減小隨溫度變化、彈性滯后及變形非線性的影響，提高了測量精度。位移式壓力變送器是將彈性測壓元件的位移變換為電感、電容、電阻等電學(xué)量，再經(jīng)測量橋路、放大電路轉(zhuǎn)換最后輸出壓力值。位移式壓力變送器的精度遠超過力平衡式壓力變送器，而且其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠維護方便。目前多采用智能型壓

62、力變送器。,電氣工程概論 6.2 傳感器技術(shù),第三節(jié) 高壓試驗裝置及其測量,電氣工程概論 第六章電氣測量技術(shù),一、穩(wěn)態(tài)高電壓的測量,穩(wěn)態(tài)高電壓，主要是指工頻交流高電壓和直流高電壓，測量高電壓的難度在于測量時往往有泄漏

63、的影響、電暈的影響，在交流電壓下還有雜散參數(shù)的影響。電壓高達數(shù)兆伏時，難度更大。在高壓實驗室中測量交流高電壓的方法很多，目前常用的有下列幾種：1）利用氣體放電測量交流高電壓；2）利用靜電力測量交流高電壓；3）采用電容分壓器系統(tǒng)來測量交流高電壓。以上前兩種均可用來直接測量穩(wěn)態(tài)高電壓，即交流高電壓和直流高電壓。另外采用電阻分壓器系統(tǒng)也可測量直流高電壓。電阻分壓器可參考本節(jié)的”沖擊電壓的測量“中的敘述。各種測量儀表的量程是有限度的，常常通

64、過分壓器來擴大儀表的量程，即讓被測電壓的大部分電壓降降落在分壓器的高壓臂上，測量儀表測得的僅是低壓臂上的電壓降，再乘上分壓比即可得被測電壓。,電氣工程概論 6.3 高壓實驗裝置及其測量,(一) 球隙測量法,球隙法主要用于交流電壓、標準全波沖擊電壓(包括雷電波和操作波)和直流電壓的測量。因球隙放電是與電壓峰值相關(guān)的，所以測量的是電壓的峰值。當(dāng)銅球距離與銅

65、球直徑之比大于0.5時，其放電電壓數(shù)值的準確性較差。,圖6-25所示是球隙測量法的接線圖。R1是保護變壓器用的防振電阻，而R2是與球隙串聯(lián)的保護電阻。R2的作用有兩方面：一方面可用它來限制球隙放電時流過球極的短路電流，以免球極燒傷而產(chǎn)生麻點；另一方面當(dāng)試驗回路出現(xiàn)刷狀放電現(xiàn)象時，可減少或避免因此而產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓所造成的球間隙的異常放電。,圖6—25 球隙測量法的接線圖C0－試品；G－球隙,電氣工程概論

66、 6.3 高壓實驗裝置及其測量,測量球隙作為一種高電壓測量方法的優(yōu)點是：1）可以測量穩(wěn)態(tài)高電壓和沖擊電壓的幅值，幾乎是直接測量超高電壓的唯一設(shè)備；2）結(jié)構(gòu)簡單!容易自制或購買!不易損壞；3）有一定的準確度，一般認為測量交流及沖擊電壓時的不確定度可在3%以內(nèi)。但此測量方法也有許多缺點： 1）測量時必須放電，放電時將破壞穩(wěn)定狀態(tài)，可能引起過電壓；2）測量較費時間。除了因為要通過多次放電進

67、行測量外，施壓過程也不能太快。開始應(yīng)施加相當(dāng)?shù)头档碾妷?，不致因開關(guān)操作瞬間產(chǎn)生球隙放電，然后要緩慢升壓，以使在球隙放電瞬間低壓側(cè)儀表能夠準確地讀數(shù)；3）實際使用中，測量穩(wěn)態(tài)電壓要進行多次放電，測量沖擊電壓要用50％放電電壓法，比較麻煩；4）要校正大氣條件；5）被測電壓越高，球徑越大，不僅本身越來越笨重，而且影響試驗室的建筑尺寸。,電氣工程概論 6.3 高壓

68、實驗裝置及其測量,(二)靜電電壓表,通過測量此靜電力的大小或是由此靜電力產(chǎn)生的某一極板的偏移（或偏轉(zhuǎn)）來反映所加電壓大小的表計稱為靜電電壓表。 靜電電壓表可以用來測量低電壓，也可用它直接測量高電壓。 靜電電壓表有兩種類型：一種是絕對儀靜電電壓表；另一種是工程上應(yīng)用的靜電電壓表，是非絕對儀。 所謂絕對儀靜電電壓表是指，當(dāng)電極S已知的條件下，測量電極之間的作用力f以及極間距l(xiāng)，由此而計算出電極間所施加的被測電壓的一種精密而復(fù)雜的靜電電