测量和数据采集系统.ppt
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1、1,第 7章测量和数据采集系统,7.1 电量测量7.2 非电量电测法和数据采集系统的组成7.3 传感器7.4 有源滤波和测量放大电路7.5 模拟开关和取样保持电路7.6 数模(D/A)转换器7.7 模数(A/D)转换器8.7 非电量测量系统举例,主要内容,2,7.1 电量测量,主要内容,7.1.1 常用电工测量仪表的分类,7.1.2 测量误差和仪表准确度,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,3,电工测量仪表按测量方法分为:直读式和比较式,7.1.1 常用电工测量仪表的分类,直读式:它能直接指示被测量的大小。,模拟式:用指针在刻度盘上指示出被测量的数值,指示值可随被测量的改变而连续地变化。
2、,数字式:将被测模拟量先转换为数字量,用离散的数字来显示被测量的大小,可消除人为的读数误差。,直读式仪表按被测量的不同分为:电流表、电压表、功率表、瓦时计(电能表)、频率计、电阻表、功率因数表等。按工作原理不同可分为:磁电式、电磁式、电动式等。按电流种类分为:直流表、交流表、交直流两用表。,按显示方式分为模拟式和数字式。,4,电工测量仪表按测量方法分为:直读式和比较式,7.1.1 常用电工测量仪表的分类,常用的比较仪表有:直流电桥、直流电位差计、交流电桥等。,比较式仪表:将被测量和已知的标准量进行比较,从而确定被测量的数值。,特点是:测量准确,但价格较贵,使用较繁。,5,电工测量仪表上的符号及
3、意义,7.1.1 常用电工测量仪表的分类,2,2kV,或,B,C,6,7.1.2 测量误差和仪表准确度,1、误差:用于反映仪表的测量值与被测量的实际值之间的差别。,附加误差:因外界因素不符合仪表的规定工作条件引起的误差。如环境温度与湿度、仪表安放位置、周围外磁场等不符合规定的要求。(由人为因素决定),2、误差分为:基本误差和附加误差。,基本误差:由仪表构造和制作上的不完善所引起的误差。如磁场分布不理想、轴和轴承间的摩擦、弹簧变形、零件安装移位、标尺刻度不准确等。(由仪表本身决定),7,7.1.2 测量误差和仪表准确度,绝对误差A:仪表的指示值Ax与被测量实际值A0之间的差值。即,3、误差的表示
4、方法:绝对误差和相对误差。,相对误差:绝对误差A与被测量的实际值A0的比值,通常用百分数表示。即,注意:相对误差可以用来评价测量结果的准确程度,但不能反映仪表的准确程度。,反映仪表的准确程度的量是:准确度等级(精度等级),8,7.1.2 测量误差和仪表准确度,4、准确度等级(精度等级),最大相对额定误差:在规定工作条件下进行测量时可能产生的最大绝对误差Am与仪表的量程(满标值)Am之比的百分数。即,仪表的准确度(精度等级):将仪表的相对额定误差分成不同的级别。,我国直读式仪表的准确度分为七级:,0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0,精密测量或校验用,工程测量用,最大相对额定误
5、差又称为最大引用误差,9,7.1.2 测量误差和仪表准确度,不同精度等级仪表的最大基本误差,例题7.1.1 若选用1.0级量程为10A的电流表,分别测量2A和8A的电流,求两次测量的最大相对误差.,解:测量2A电流的最大相对误差,测量8A电流的最大相对误差,可见:同一仪表,测量值较小时,相对误差大;而测量值较大时,相对误差小。因此,一般应使被测值超过仪表量程的一半。,10,7.1.2 测量误差和仪表准确度,例题 有一量程为200V,精度为1.0级的电压表,试问:(1)该表测量过程中,产生的最大绝对误差是多少?(2)若用它测量50V的电压,这时的最大相对误差是多少;(3)若用同样量程的电压表测量
6、100V的电压,要求测量相对误差不得大于1.5%,应选精度等级为多少的电压表?,解:(1)该表的最大绝对误差,(2)测量50V电压时的最大相对误差,(3)测100V、相对误差不大于1.5%时,最大绝对误差为:,最大绝对误差为1.5V,量程为200V时,仪表精度应为:,故应选精度等级为0.5、量程为200V的电压表。,11,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,一、磁电式仪表结构及工作原理,结构:结构如图,由永久磁铁、可动线圈、指针、刻度盘等组成。,特点:灵敏度和准确度高、标尺刻度均匀;过载能力较弱。,用于测量直流电压和直流电流,工作原理,结构图,工作原理:在永久磁铁产生的磁场中,当线圈中有
7、电流流过时,线圈的两边受到大小相等、方向相反的电磁力F,使线圈偏转,并带动指针偏转,其偏转角与该电流成正比。,电流入,电流出,12,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,二、电磁式仪表结构及工作原理,工作原理:当线圈中有电流时,产生的磁场使两铁片磁化,两铁片磁化的极性相同,从而相互推斥,使可动铁片受到斥力,带动仪表指针偏转。,特点:结构简单、具有较大的过载能力;当线圈中电流为交流时,两铁片的极性同时改变,仍然产生斥力,所以可测直流,也可测交流。,缺点:因偏转角与电流的平方成正比,所以刻度不均匀;易受外界磁场影响,准确度不高。,结构图,结构:结构如图,由固定线圈、固定铁片、可动铁片、阻尼机构
8、等组成。,13,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,三、电动式仪表结构及工作原理,工作原理:当固定线圈通有电流时,产生磁场,若可动线圈中也通有电流时,可动线圈的两边受到大小相等、方向相反的电磁力F,使线圈偏转,并带动指针偏转,其偏转角与两个线圈电流的乘积成正比,当通过的是交流电时,偏转角还与两个电流的相位差有关。,特点:准确度较高、但受外界磁场的影响较大。,用于测量交直流电压、电流、功率,结构图,结构:结构如图,由固定线圈、可动线圈、指针、显示盘等组成。,14,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,1.电流和电压的测量,直流电流和电压的测量常用磁电式仪表交流电流和电压的测量常用电磁式
9、仪表,测量时应选择合适的仪表和量程;测量直流大电流(103-104A)时,选用霍尔效应大电流测量仪表;测量交流大电流时要用电流互感器;测量交流高电压时要用电压互感器;测量微电流和电压时常采用精密放大器将它们放大后再测量。,测量电流时,电流表应串联在电路中,电流表的内阻必须很小。测量电路如图,测量电压时,电压表应和电路中所测部位相并联,电压表的内阻必须很大。测量电路如图,A,V,注意:,15,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,2.功率的测量,功率测量分为:间接测量法和直接测量法,间接测量法:用电压表测电压为U,用电流表测电流为I,用功率因数表测功率因数为cos,则,直接测量法:用功率表测
10、量;它是电动式仪表,固定线圈用较粗的导线绕成,匝数少,与负载串联,反映负载电流的大小,称为电流线圈;可动线圈用较细的导线绕成,匝数多,串联附加电阻后与负载并联,反映电压的大小,称为电压线圈。接线如图,注意:同名端,它们应接在电源的同一侧,若接反指针会反向偏转;R为附加电阻。,直流时,交流时,+,u,I,U,-,R,负载,16,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,3.电能的测量,电能的测量:常用感应式或电子式电度表测量,感应式电度表:基本原理是:把电压、电流、相位转变为磁力矩,推动铝制圆盘转动,转矩与负载消耗功率UIcos成正比;铝盘转动时受到永久磁铁的制动作用,制动力矩正比于铝盘的转速;
11、当旋转力矩与制动力矩相平衡时,铝盘转速正比于负载功率;铝转盘带动计数器计数,计数器的指示值就是所消耗的电能。,结构原理,特点:结构简单直观,价廉可靠,停电时不丢失数据。但精度低,自身能耗大,防窃电能力弱,且不易管理。,17,7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量,3.电能的测量,电子式电度表:运用模拟或数字电路得到电流和电压相量的乘积,然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。测量由电子模块来完成,计算结果由软件实现。,特点:防窃电能力强,计量精度高,自身功耗低,计量参数灵活性好,可与计算机连网,实现远距离记录。,电度表有:单相电度表、三相电度表。,电度表接线方法如图,+,-,u,i,接线端,
12、电流线圈,电压线圈,电源,18,7.2 非电量电测法和数据采集系统的组成,主要内容,一、非电量的电测法,二、数据采集系统的组成,19,7.2.1 非电量的电测法,非电量的电测法:把非电量(如温度、湿度、压力、速度等)通过传感器,将其变换成电量再进行测量。示意图,非电量信号,传感器,信号处理,模拟显示,A/D转换,数字显示,计算机,电压、电流频率等信号,模数转换电路,20,7.2.2 数据采集系统组成,数据采集系统组成示意图(多输入、多参量系统),模拟信号1,传感器1,A/D转换,微机系统,滤波放大1,S/H 1,模拟信号2,传感器2,滤波放大2,S/H 2,模拟信号n,传感器n,滤波放大n,S
13、/H n,取样保持(S/H)控制,开关选通控制,多路转换开关,采样保持电路,显示,记录,存储,21,7.3 传感器,主要内容,一、传感器概述二、湿度传感器三、力传感器四、热释电红外线传感器五、气体传感器六、霍尔传感器,22,传感器的基本概念,传感器:以测量为目的,能够感受规定的被测量,并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器分类:,按被测对象的参数分:温度、湿度、压力、位移、流量、液位、力、力矩、速度、加速度、振动、位置等传感器。,精度高、可靠性好、稳定性强、抗干扰能力强、线性好。,按变换原理分:电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、光栅式、热电式、红外线、光纤、超声波、激光等传
14、感器。,新型传感器:数字式传感器、非接触式传感器、仿生传感器。,测量对传感器的基本要求:,23,7.3.1 温度传感器,常用的有:热电阻、热电偶、集成温度传感器,1.热电阻传感器(分为金属热电阻、半导体热电阻)基本原理:利用电阻阻值随温度变化而变化的原理来测量温度。,铜电阻:测量范围-50150,(1)金属热电阻(铂电阻、铜电阻、镍电阻),其中:,RT为温度为t时的电阻值;R0是温度为0时的电阻值;A=3.9410-3/;B=-5.810-7/()2,铂电阻:测量范围-200660,阻值与温度之间关系:,常用的铂电阻有:Pt100、Pt50、Pt10三种,R0分别为100、50、10,阻值与温
15、度之间关系:,常用的铂电阻有:Cu100、Cu50两种,R0分别为100、50,温度系数为,24,7.3.1 温度传感器,1.热电阻传感器(分为金属热电阻、半导体热电阻),负温度系数(NTC):,(2)半导体热电阻(热敏电阻,由单晶、多晶半导体材料制作),常用钛酸钡(BaTiO3),锶(Sr),锆(Zr)等材料制作。当温度升高时电阻值增大。,正温度系数(PTC):,半导体热电阻的特点:对温度反映较敏感、体积小、响应快;电阻值随温度呈非线性变化,稳定性及互换性差,不能用于高温条件下。,常用锰(Mn),钴(Co),镍(Ni),铜(Cu),铝(AI)等金属的氧化物采用陶瓷工艺制成。当温升高时电阻值减
16、小。,25,7.3.1 温度传感器,2.热电阻传感器测量温度电路原理,铂电阻两端电压,铂电阻,+,+,-,A0,IS,UX,RT,放大和显示,恒流源测量电路,跟随器,原理:当温度变化时,热敏电阻阻值随之变化,UX与温度一一对应,经跟随器隔离后再经放大,最后用显示器显示出对应的温度。,26,7.3.2 力传感器,1.半导体应变片式力传感器结构,半导体应变片结构图,胶膜衬底,硅条,内引线,焊接电极,外引线,2.应变效应,当电阻体的尺寸发生变化时,阻值随之变化的现象称为应变效应。,3.应变片的灵敏系数k,设应变片的电阻长度为l,阻值为R,当长度改变l时,电阻值变化R,则有,k称为应变片的灵敏系数,半
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