《电气测试技术》课件第5章 非电量的电气测试技术.pptx

1、电气测试技术第5章 非电量的电气测试技术5.1 常用传感器介绍5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.1 常用传感器介绍 何为非电量？机械量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）、热工量（如温度、压力、流量等）和化工量（浓度、成分、PH值等）。非电量的电测技术就是将各种非电量变换为电量，而后进行测量的方法。非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量转换成电量的技术-传感技术。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 传感器是一种能将特定的被测信息(包括物理量、化学量、生物量等)，按一定规律转换成某种可用的输出信号的器件，又称为变换器、变送器。何为可用信号？目前，可用信号是指各种电量(电压

2、、电流)或电参数(电阻、电感、电容等)。这是因为电信号易于处理，便于传输。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 传感器的分类方法很多：（1）按输入量，可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器；（2）按测量原理，可分为电位计式、应变式、电感式、差动变压器式、电涡流式、半导体力敏、热敏、光敏、气敏等传感器；（3）按输出量分类，有模拟式和数字式传感器等。目前，传感器技术正在飞速发展，出现了“多样化、新型化、集成化、智能化”的发展形势。电气测试技术5.1 常用传感器介绍1.电阻式传感器 电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力、拉力、扭力、位移等)的变化转变为电阻值变化的传感器。电阻式传感器按工作原理可

3、分为电位器式电阻传感器、应变式电阻传感器、热敏电阻传感器和气敏电阻传感器。应变式电阻传感器是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。引起机械构件应变的可以是压力、荷重、扭力等。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （1）应变式电阻传感器的工作原理 应变式电阻传感器的传感部件是电阻应变片，电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属应变效应是指金属导体的电阻随着它所受机械变形(伸长或缩短)的大小而发生变化的现象。电气测试技术5.1 常用传感器介绍SlRSSllRR2rS rrS2rrSS2rrllRR2电气测试技术5.1 常用传感器介绍llrr2SS/)21(RRRRk/0/)21

4、(0k金属材料的灵敏系数0kRR电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （2）应变式电阻传感器的种类 电阻丝式应变片；箔式应变片；半导体式应变片；（3）应变片的主要工作特性 静态特性 动态特性电气测试技术5.1 常用传感器介绍 另外，应变片的阻值会受到环境温度的影响，有时因温度变化引起电阻应变片阻值的变化与被测量引起的阻值变化几乎具有相同的数量级，若不采取适当的补偿措施，电阻应变传感器将无法工作，应予以注意。电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可制成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电气测试技术5.1 常用传感器介绍+A

5、SC 电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍+dA 11000000 xxSSxSCCC11000 xxC)()(302000 xxxCC电气测试技术5.1 常用传感器介绍00 xCC 00CxCk电气测试技术5.1 常用传感器介绍3400RRCCx电气测试技术5.1 常用传感器介绍 此时Uac0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动，同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时：联立求解上面两式得：由于指针转角与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为：=k2R 因此：3400RRRCCCxhkCRCCRR10303hkkCR2103电

6、气测试技术5.1 常用传感器介绍3.变磁阻式传感器 变磁阻式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的传感器。变磁阻式传感器主要分为电感式、变压器式、涡流式等几种类型。（1）电感式传感器 根据线圈的自感变化来实现非电量测量的。由电工原理，线圈的电感值L可按下式计算：m2RNL FmRRR电气测试技术5.1 常用传感器介绍SR022022SNRNL电气测试技术5.1 常用传感器介绍 简单自感传感器的结构示意图：a）变气隙式 b）变面积式 c）螺管式电气测试技术5.1 常用传感器介绍)(2002SNL00202SNL000LLLL)11(000 L时当1/0)(1 20000LL)()(3

7、02000L电气测试技术5.1 常用传感器介绍)()()(40302000LL00LLk电气测试技术5.1 常用传感器介绍 为了减小非线性，增加线性区域，常将两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁构成差动式电感传感器，如图所示。传感器的两只电感线圈接成交流电桥相邻的两臂，另外两个桥臂由电阻组成。电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍差动变压器常见的几种结构：电气测试技术5.1 常用传感器介绍（3）电涡流传感器 成块的金属在交变磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，金属内部会产生感应电动势形成电流，这种电流就称电涡流。涡流传感器

8、的最大特点是可以对一些参数进行非接触的连续测量，动态响应好，灵敏度高，测量线性范围大（300m1000mm），抗干扰能力强，在工业中应用越来越广。它可以用来测量振动、位移、厚度、转速、温度、硬度等参数，还可以进行无损探伤，是一种有发展前途的传感器。涡流传感器在金属体上产生的电涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关，所以涡流传感器主要可分为高频反射和低频透射两类。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 高频反射涡流传感器电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍发射线圈接收线圈电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1

9、常用传感器介绍tNEdd电气测试技术5.1 常用传感器介绍恒磁通式恒磁通式变磁通式变磁通式电气测试技术5.1 常用传感器介绍txNBlEdd电气测试技术5.1 常用传感器介绍tNBSEdd电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍 磁电式传感器的特点：（1）不需要供电电源，电路简单；（2）性能稳定，输出阻抗小；（3）只适合动态测量，具有一定的输出频率相应范围（一般为101000Hz），适合转速、震动、位移和扭矩等的测量。（4）传感器的尺寸和重量都比较大。电气测试技术5.1 常用传感器介绍5.压电式传感器 （1）压电效应 压电效应是指某些电介质物质，在沿一定方向对其施力

10、(压力或拉力)而使之变形时，内部会产生极化现象，相应地，在它的某两个表面上产生符号相反的电荷；在机械力去掉后，电介质又重新回到不带电状态的一种物理效应。与压电效应相对应的效应为电致伸缩效应或称为逆压电效应，即在压电材料的极化方向上施加电场，会导致该材料产生机械变形。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 压电材料可分为三类：压电晶体，如石英等；经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯(PVF)。新型材料 （2）压电晶体的压电效应机理 石英晶体是这类晶体的代表，现以它为例说明这类材料的压电效应机理。石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。电气测试技术5.1 常用传

11、感器介绍 石英晶体是单晶体，它具有如图所示的规则几何形状。当制作压电式传感器时，是按图示所示的切片，即用一规则矩形片来作压电感应片。电气测试技术5.1 常用传感器介绍xyyFbadFbadq11121112ddxxFdq11电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （3）压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷由许多细微的单晶按任意方向排列组成。由于压电陶瓷单晶中正负离子的特殊排列，也会发生自发极化现象而形成电畴，自发极化的方向全是任意排列的，如图所示。（a）未极化（b）电极化电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （4）压电传感器的等效电路 可把压电式传感器看做是一个静电荷发生器。压电式传感器可等效成一个电荷源与

12、一个电容相并联的电荷等效电路或者电压等效电路，这两个等效电路对线路分析有很大用途。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 压电式传感器的典型应用超声波式传感器 超声波发生器电致伸缩效应；超声波接收器压电效应；电气测试技术5.1 常用传感器介绍6.热电式传感器 （1）热电偶式传感器 热电偶式传感器是基于热电效应，将温度信号转换为电信号的一种传感器。具有结构简单，精度高，范围宽（-2692800），响应较快，具有较好的稳定性和复现性，因此在测温领域中应用广泛。热电偶原理图TT0AB热端冷端电气测试技术5.1 常用传感器介绍 这种现象早在1821年首先由赛贝克（Seeback）发现，所以又称赛贝克效应。

13、接触电动势 温差电动势 电气测试技术5.1 常用传感器介绍 热电偶回路总热电动势：),()(),(0BAB0ABttEtEttE),()(0A0ABttEtE)()(),(0ABAB0ABtEtEttE)()(),(00ABtftfttE当电极材料一定时，)()(),(0ABtctfttE电气测试技术5.1 常用传感器介绍0),(),(),(0BB0AA0ABttEttEttE0),(),(),(00ABAB0ABttEttEttE电气测试技术5.1 常用传感器介绍),(),(),(0CB0AC0ABttEttEttE电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （2）半导体热敏电阻 热敏电阻是将温度信

14、号转变为电阻值变化的一种传感器。它也可归类为电阻式传感器。这种热敏元件可以是半导体，称为半导体热敏电阻；也可以是金属导体(如铂、铜等)，称为热电阻。半导体热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种，它们的阻值特性分别为：ATKeR TTBKeR T电气测试技术5.1 常用传感器介绍Add1tRRTT2B-dd1TtRRTT电气测试技术5.1 常用传感器介绍7.光电式传感器 是将光能转换为电能的一种传感器。（1）半导体光电效应传感器）半导体光电效应传感器 光电导效应：当光投射在半导体上时，光子的能量在半导体中激发出非平衡载流子而使载流子浓度加大，引起半导体电导率增加，这种现象称为光电导效应。电气测试技

15、术5.1 常用传感器介绍 光敏电阻就是利用这一效应制成的光电器件。当无光照时，半导体中载流子浓度小，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到光照时，半导体中的载流子急剧增加，阻值(亮电阻)急剧减小，因此电路的电流迅速增加。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 光生伏特效应：在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。光电池、光敏二极管、光敏三极管都有一个PN结。当无光照时，PN结形成的势垒阻碍少数载流子的流动，但当光照到PN结上时，若光子能量足够大，将在PN结区附近激发电子-空穴对，在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。电气测试技术

16、5.1 常用传感器介绍 若PN结的外电路没有连通，在PN结将出现光生电动势；当外电路连通时，就有电流从P区流经外电路至N区，如图所示，这就是光电池的工作原理。如果外电路不但有负载，而且还接一电池(如图所示)，则无光照时，少数载流子很少，电路呈阻断状态；有光照时，少数载流子增多，电路中电流变大，电路呈开通状态，这就是光敏二极管的工作原理。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 光敏三极管可以看做是一个bc结为光敏二极管的三极管，如图所示。无光照照射时，由热激发产生少数载流子。当光照射在光敏面(bc结)上，bc结区产生光电载流子。发射极有大量电子经基极被集电极收集而形成放大的光电流。集电极电流为：Sc

17、II电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍 自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度(-273.16)都有红外辐射。物体的温度越高，红外辐射出来的能量越强。红外测温就是利用这种性能对物体测温的。b）当物体辐射时，辐射波的波长范围很宽，但是热效应主要集中在红外光范围内，红外光有高的热效应是它的特点，因此红外常和热辐射概念连在一起。热体的辐射规律是设计各种红外探测器的基础，下面介绍三个重要热辐射基本定律。电气测试技术5.1 常用传感器介绍)1()(251TcecTW电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介

18、绍4TW电气测试技术5.1 常用传感器介绍Km8.2897mT电气测试技术5.1 常用传感器介绍 红外辐射红外辐射探测器的构成探测器的构成 红外辐射探测器主要由光学系统和红外接收器两部分组成，如图。a）光学系统主要用来产生某一波段范围内的红外光。光学系统由光源和透镜组成，不同的光源，辐射能力不同。选择不同的辐射光源，能得到不同情况的辐射密度。电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍 b）红外接受器主要有两种形式：第一种是热敏类。利用热敏电阻接受红外辐射。由热效应引起电阻变化，使红外辐射能量转变为电信号。第二种是光电类。利用光电元件接受红外辐射产生光电效应，从而使红外

19、辐射能量转变为电信号。光电效应比热效应的过程快的多，因光电传感器的响应时间比热敏传感器要短的多。热敏类对任何波长的辐射能量都能全部吸收，而光电类有波长限制。电气测试技术5.1 常用传感器介绍8.半导体磁效应传感器 载流半导体在磁场中会产生霍尔效应及磁阻效应，利用这些效应制成的传感器称为半导体磁效应传感器。半导体磁效应传感器的敏感元件有霍尔元件，磁敏电阻及磁敏二极管、三极管等。（1）霍尔霍尔传感器传感器 霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。（第四章已经讲过）电气测试技术5.1 常用传感器介绍 当把一块金属或半导体薄片放在磁场中时，沿垂直磁场方向通入流I，则在薄片另一方向的侧面产生电动势eH，即霍

20、尔电动势，这种现象叫霍尔效应。由于交流信号易于放大，所以在测量直流磁场时往往采用交流供电；而在测量交流磁场时则采用直流供电。HHReKIBd电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （2）磁）磁敏电阻及磁敏二极管敏电阻及磁敏二极管 磁敏电阻及磁敏二极管的工作原理是基于磁阻效应。磁阻效应是某些金属、合金和半导体材料在磁场中电阻会发生变化的现象，其机理如下：霍尔元件中的载流子在平衡状态下受两个力的作用，即霍尔电场力和洛伦兹力的作用，当这两个力方向相反、大小相等时，载流子的运动方向将不变。但是，运动载流子的速度不是单一的，而呈一统计规律。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 运动方向不变的载流子，只是具有某

21、一速度间隔的载流子，而小于或大于此速度间隔的载流子将向电场正极或负极偏转。无论何种偏转，都会使电流减小，导致电阻增大。磁感应强度B越大，洛伦兹力也就越大，偏转的载流子就越多，电阻也就越大。这种规律和磁感应强度B的方向无关，因此霍尔元件电阻和磁感应强度的关系如图所示，是一条和R轴对称的曲线。电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍下图是几种常见的磁敏三极管温度补偿原理电路：磁敏三极管可以用来测量磁感应强度，也可做成无触点开关用作无刷直流电机、三角函数发生器的控制元件。(a)磁敏二极管补偿电路(b)差分式补偿电路；(c)互补式补偿电路。

22、电气测试技术5.1 常用传感器介绍9.新型传感器简介 由于人们愈来愈认识到传感器的重要性，许多发达国家甚至把传感器技术与计算机、通信、激光、半导体及超导体等并列为六大核心技术。近年来，在传感器研究方面投入了大量的人力和物力，取得了较大的进展，其中光纤传感器、生物传感器、智能传感器和机器人传感器是有代表性的新型传感器。下面简要介绍这些方面的现状。电气测试技术5.1 常用传感器介绍（1）光纤传感器）光纤传感器 光纤即光导纤维。光纤多是用石英为主要原料制作的一种透明度很高的导光介质材料，其直径一般为一二百微米。它有体积小、重量轻、柔软性好、可弯曲、传送功率损托小、绝缘性能极好等一系列优点，在高电压、

23、强磁场、有腐蚀性介质及高温高温等环境条件下使用安全、可靠、抗干扰性强，现已广泛用于测量压力、位移、应变、液面、速度、温度、磁场、电流、电压等物理量，是一种很有发展前途的新型传感器。电气测试技术5.1 常用传感器介绍电气测试技术5.1 常用传感器介绍 光纤传感器可按光纤在传感器中的作用分为两种基本类型：结构型(记为NF)和物性型(记为FF)。在结构型光纤传感器中，光纤仅作为光的传输媒介，光纤和光信号不发生任何变化。而在物性型光纤传感器中，光纤在被测物理量的作用下，光纤本身及其所传输的光信号的某些特性发生变化。因此光纤不仅仅作为光信号的传输媒介，而且，光纤本身也同时作为敏感元件。电气测试技术5.1

24、 常用传感器介绍（2）生物传感器和仿生传感器）生物传感器和仿生传感器 传统的传感器都是利用非生物(金属、半导体)的物性变化来检测信号。近年来，在传感器技术中开始利用生物(目前阶段常用微生物)来敏感信号。例如，可以利用微生物的呼吸作用、新陈代谢机能来测定有机物的浓度。这方面的成果已经用于发酵工业、环境监测、生物医学等领域小。生物体具有目前世界上最奇异的检测功能，如猫的视觉、猎犬的嗅觉、蝙蝠的听觉等。现在仿生物传感器正在兴起。可以预言，仿生感觉器将会是今后传感器技术研究和发展的重要方向之一。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （3）智能传感器）智能传感器 所谓智能传感器就是一种带有微处理机的，兼有

25、检测与信息处理功能的传感器。简而言之，就是带计算机的传感器，它和传统传感器有明显的区别。它除具备传统传感器的功能外，还具有记忆及运算的功能；空间信息处理及非线性滤波的功能；多重输入系统的构成与同一数据的周期重复处理的功能；系统的调节与控制的功能等。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 传感器与微处理机结合可以通过以下两种途径来实现：一是采用微处理机或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能，即传感器与微处理机可为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和转换后由接口送入微处理机部分进行运算处理。二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规

26、模集成电路智能传感器。这类传感器具有多功能、一体化、精度高、适宜于大批量生产、体积小和便于使用等优点。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 （4 4）机器人传感器）机器人传感器 机器人传感器是20世纪70年代开始发展起来的一类专门用于机器人技术方面的新型传感器。要使机器人能代替人的劳动，自如地完成人所能干的，甚至某些人所难以胜任的动作，它就必须具备能够判断周围环境状态的感觉功能。不具备感觉功能的普通机器人只能按预先规定的程序重复地进行一定的动作。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 机器人传感器可分为机器人内部传感器和机器人外部传感器两种。机器人内部传感器的功能是测量运动学和动力学参数；机器人外部

27、传感器的功能是认识工作环境，其提供信息的目的是检查产品质量、取物、控制操作、应付环境和修改程序。机器人内部传感器的原理与前述章节基本相同。机器人外部传感器和人的视、听、嗅、味、触等五官感觉相对应，因此也称为感觉传感器。目前机器人外部传感器主要有视觉和广义触觉两大类。所谓广义触觉是指与对象物接触所得到的全部感觉。电气测试技术5.1 常用传感器介绍 机器人感觉传感器的特点是：传感器包括信息获取和处理两部分并密切结合；传感器检测的信息直接用于控制，以决定机器人的行动；与过程控制用传感器不同，感觉传感器既能检测信息，又有随环境状态大幅度变化的功能。因此，信息收集能力强；传感器对敏感材料的柔性和功能有特

28、定要求。电气测试技术5.2 主要非电量的测量一、概述 非电参数的电气测试法具有以下突出的优点：(1)将被测非电参数转换成电磁参数进行电气测试，可以充分发挥电气测试的各项优点；(2)输出的电信号可作长距离传输，利用远距离操作与自动控制；(3)既可作静态测试，也便于动态测试；(4)在检测微弱信号及瞬态过程测试方面是其他非电测试方法所无法比拟的。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 (5)由于可输出电信号易于和许多后续数据处理仪器或计算机联用，组成自动测试系统，对测试过程进行控制，对测试结果进行分析、运算及处理。一个完整的非电参数电测系统如图所示：信息的获取信息的调理信息的显示和处理一次仪表一次仪表

29、二二次仪表次仪表三三次仪表次仪表电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （1 1）传感器）传感器 传感器所获得的信息是否正确，关系到整个测试系统的准确度。如果传感器的误差很大，后面两部分的准确度再高，也将难以提高系统的准确度。传感器也称为变送器、发送器或换能器，现在测试设备中统一称之为传感器，而把输出标准信号的传感器称为变送器。在生物医学仪器、超声检测仪器中，习惯上还常称传感器为换能器。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （2 2）信号）信号调理电路调理电路(信号变换电路信号变换电路)它由各种电桥、谐振电路、放大、调制、解调、滤波、阻抗变换、标度变换等电路构成。其作用是将传感器输出的电信号变换

30、为：适于输入到记录、显示仪器的标准电压或电流信号；适于输入到伺服驱动机构进行记录、指示与控制的信号；适于输入到数据处理仪(如数据分析仪、计算机)的信号。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （3 3）记录）记录、显示、显示 显示的方式通常有三类：模拟显示、数字显示和图像显示。对于动态信号的测试，有时还必须对测得的信号数据加以分析和处理。属于这方面的仪器如频谱分析仪、波形分析仪、实时信号分析仪、快速傅里叶变换仪。随着计算机、微处理器技术的飞速发展，所有这些仪器都可用计算机来完成，可根据需要选择不同等级的计算机和微处理器。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 非电参数电测仪器的分类方法有两种：按被

31、测参数分类：对使用对象比较明确；按测量方法分类：对仪器的工作原理比较清楚。例如，光电式转速计、电阻应变转换仪等。随着现代科学技术的发展，当前除不断提高性能、可靠性外，总的趋向是朝小型轻量化、测试放大一体化、无接触化方向发展。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 近年来，由于计算机技术在测试领域中的广泛应用，传统的测试系统正在产生较大变革：(1)采用微处理机使仪器智能化，把传统的测试仪器变成了智能仪器，从而扩展了功能，提高了准确度；(2)采用通用个人计算机组成个人仪器系统；(3)采用计算机组成自动测试系统。电气测试技术5.2 主要非电量的测量二、转速的测量 根据其工作原理，转速的测量方法可分为计

32、数式、模拟式和同步式三大类。计数式方法是用某种方法读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量(如离心力、电机的输出电压)的变化；同步式方法是利用已知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测试转速。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 根据转速转换方式的不同：计数式测试方法又分为：机械式、光电式、电磁式三种。模拟式测试方法又可分为：机械式、发电机式和电容式三种。同步式测试方法又分为：机械式和闪光式。电气测试技术5.2 主要非电量的测量tttddlim0电气测试技术5.2 主要非电量的测量 采用电子计数式频率计，配以转速传感器即可构成电子计数式转速表。为提高测试的准确度，一般对高、

33、中转速采用测频法，对于低转速采用测周法。这两类方法交替使用，相互补充，可以展宽测试范围，提高测试准确度。电气测试技术5.2 主要非电量的测量1160ztNn 电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量1112)(2ztNN2111)(2ztNN 电气测试技术5.2 主要非电量的测量0nmzkn 01nmn 电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量mNt022电气测试技术5.2 主要非电量的测量210160NztNn电气测试技术

34、5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量2.瞬态转速测试 电机瞬时转速测量主要包括两项内容：一是电机启动或停止时的转速变化情况，即电机转速的暂态过程。二是电机在稳态运行中角速度微小的变化情况，即电机转速的脉动程度，以确定电机转速的不稳定度。电气测试技术5.2 主要非电量的测量tttddlim0电气测试技术5.2 主要非电量的测量 为了反映电机角速度变化曲线，每转一周测试的点数必须足够多，按采样定理，测试密度(每转一周的测试点数)至少也要大于一周中速度变化最高频率的2倍。在瞬时转速测试中，需要使用角度传感器，例如光学玻璃圆光栅、金属光栅等。此外，在瞬时转速测试中常采用的一种多

35、齿电容角度传感器，如图所示。它具有准确度高、惯性小、使用方便、工作可靠及制造工艺简单等优点。电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量 下图为一电动机瞬态转速测试综合系统框图。该系统由多齿电容传感器、逻辑控制电路、接口、计算机及终端输出等组成。电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量6-100.22562Nkti%10022minmaxminmaxn电气测试技术5.2 主要非电量的测量3.激光测转速 激光是一种高亮度、低发散角的单色相干光源。激光测转速是一种非接触式光学测试，对被测体无扰动，不受环境条件限制，可实现远距离遥控测量，可

36、提高测试准确度，扩大测试范围。目前常见的非接触式转速测试仪，除了电磁式以外，主要是光电计数式和闪光式转速表。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 把激光转速仪与这两者作比较，激光转速仪有三个独特优点：一是工作距离可远达10m；二是当被测物体除旋转外，还在振动或回转进动时，只有激光转速仪能测这些处于特殊状态物体的转速，且操作简单、读数可靠；三是抗干扰能力强。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 激光传感器获得旋转物体转速信息的原理如图所示：电气测试技术5.2 主要非电量的测量 激光转速仪信号处理部分的原理框图如图所示：电气测试技术5.2 主要非电量的测量4.转速测量新方法 （1 1）无传感器转速

37、测量）无传感器转速测量 在电机模型中转速是一个重要的物理量。串励电机含有电刷和换相片，电枢绕组线圈的换相过程会使绕组电流波形产生畸变，这种畸变的大小与换相电势、换相电流的大小相关，而其频率则与电机转速直接相关，其瞬时频率即对应于电机的瞬时转速。该瞬时频率表达式为：nckpfn60电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （2 2）双频激光干涉转速测量）双频激光干涉转速测量 本测量方法将光组探头与被测对象连在一起，可测出转台的转角和转速，测量装置与被测对象之间只通过一条光线传送信息，因此可以实现对转台转速的远距离测量。在实现转速测量的同时，还可以实现转角的测量。而且用本测量方法可以实现瞬态转速的测量

38、。在较高的转速范围内，能够实现较高转速测量分辨力，这是目前常用的测角仪器所不能比拟的。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （3 3）光纤式转速）光纤式转速测量测量 用光纤作为转速传感探头的转速测量原理，有以下特点：转速测量范围宽，在136000 r/min上。优于传统机械及电气式。抗干扰能力强。系统不受电磁辐射、温度等外界干扰影响。由于系统整体采用光纤传输，因此具有远距离的遥测功能，传输距离可达lkm以上。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 本传感系统采用非接触式的光反射转速测量法，传感器与被测轴之间无任何机械连接，不会由于安装传感器而影响被测轴转速，适于小型电机乃至微型电机的转速测量，且

39、对于由于结构等原因不允许固定安装测速传感器的情况更为方便。电气测试技术5.2 主要非电量的测量三、温度的测试1.概述 从宏观上看，温度的概念是建立在热平衡基础上的。从微观上看，温度又反映了物体或系统分子热运动的激烈程度或平均动能的大小。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 在生产和科学研究中，为了使测量结果准确一致，需要给物体冷热程度以定量的描述。温标就是温度的数值表示方法，它是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值的。温标就是温度的标尺，是表示温度数值的一套规则，它明确了温度的单位。电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量 温度测量首先是由温度传感器来实

40、现的。测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有：膨胀、电阻、电容、热电动势，磁性能、频率、光学特性及热噪声等。目前，国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种：电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （1）热膨胀式温度计）热膨胀式温度计 该温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。所谓膨胀法即是利用物质的热膨胀（体膨胀或线膨胀）性质与温度的固有关系为基础的一种测量方法。膨胀式温度计按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计、压力式温度计和固体膨胀式温度计四大类。优点：结构简单，制造和使用方便，价格便宜，精度高等。缺点：不便于远距离

41、测温(压力式温度计除外)，结构脆弱，易坏。电气测试技术5.2 主要非电量的测量（2）电阻温度计）电阻温度计 热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的一种感温元件。常用的热电阻有铜电阻、铂热电阻和镍热电阻。热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 热电阻的测温原理是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性，再用显示仪表测出热电阻的电阻值，从而得出与电阻值相应的温度值。热电阻的电阻值与温度的关系式为：优点：测量精度高，性能稳定，灵敏度高，应用范围广，可远距离测量，便于微机实时处理，并能实现温度自动控制和记录等。)1(3

42、20CtBtAtRRt电气测试技术5.2 主要非电量的测量（3 3）热电偶）热电偶 热电偶能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来。热电偶测量温度的基本原理是热电效应。特点：测量精度高；结构简单；动态响应快；可作远距离测量，便于集中检测和自动控制；测温范围广。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （4 4）辐射式测温仪表）辐射式测温仪表 辐射式测量仪表是指依据物体辐射的能量来测量其温度的仪表。它属于非接触式测量仪表，具有测量温度高，反应迅速，热惰性小等优点。由于它的感温部分不与测温介质直接接触。因此，其测温精度不如热电偶温度计高，测量误差较大，其测量范围一般在4003200。这类仪表有全辐

43、射高温计、单辐射高温计和比色温度计三种。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （5）石英温度传感器测温仪）石英温度传感器测温仪 石英温度传感器的测温原理是以石英晶体片作为测温元件，将温度变化的模拟量转化为石英晶体振荡频率的数字量，再将此频率信号进行转换，并显示其温度值。石英晶体振荡频率与温度之间的关系式：优点：稳定性很好，灵敏度可达0.001以上；缺点：响应速度较慢。)()(1 2000TTTTff电气测试技术5.2 主要非电量的测量接触式温度传感器接触式温度传感器非非接触式温度传感器接触式温度传感器原原理理依据传感器与被测物体进行物理接触，发生热交换，达到温度平衡来测得温度依据物体在不同温度

44、辐射的能量不同来测得温度特特点点 用于多种场合的温度测量 可测低温和超低温，1500以下较易测 量，测高温受限 响应速度较慢 结构简单、可靠，精度较高（1%）注注意意事事项项 避免测温元件改变被测物体的温度场 注意导线的热传导误差 防止测温元件产生化学反应 放射率未知时，精度差 只能测量表面温度电气测试技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量 近年来，温度测量技术问题进一步得到了关注和发展，在由美国国家标准技术研究院(NIST)和仪表检测、系统和自动化协会(ISAS)共同主办的第8届国际温度专题研讨会上，讨论了改进温度测量技术的问题。这些技术包括声学测温和声学传感器技术

45、以及提高辐射测温技术的方法等。电气测试技术5.2 主要非电量的测量2.接触式测量 工业上常用的接触式测温传感器有三种：热电偶传感器：有源探测器 热电阻传感器：铂热电阻传感器一种最精密的测温传感器 热膨胀式传感器：玻璃水银温度计 （1）热电偶测温）热电偶测温 工业用热电偶测温典型线路：电气测试技术5.2 主要非电量的测量 工业用热电偶测温的典型线路使用中应注意除A，B，C，D外，其余连接导线均为铜导线，并应保证连接点接触良好。补偿导线电气测试技术5.2 主要非电量的测量 多点测温线路电气测试技术5.2 主要非电量的测量)()()()(0pBAp1BAp0BAp1BA11110011ttEttEt

46、tEttEEx，)()(01AB01BA11ttEttE，)()()()(0pBAp1BA0pBAp1BA11110011ttEttEttEttEEx，)()(01AB01BA11ttEttE，电气测试技术5.2 主要非电量的测量 温差测量电路(反向串联)()()(210201ttEttEttEE，电气测试技术5.2 主要非电量的测量 热电偶的并联测温电路 )(0111ttERi，)(0222ttERi，xEiR 电气测试技术5.2 主要非电量的测量)()(210201ttEttEEx，电气测试技术5.2 主要非电量的测量 （2）金属热电阻及半导体热电阻测温）金属热电阻及半导体热电阻测温 根据

47、导线电阻的变化测温 金属导线的电阻随温度的增加而增大。在一定的温度范围内，其电阻值随温度变化为某一简单的函数关系。电机、电器中就常用这种原理来测绕组的温升。对于铜导线，在-50150内，其温度和阻值有以下熟知的关系：112122)235(ttRRRt电气测试技术5.2 主要非电量的测量01121202)235(tttRRRtt电气测试技术5.2 主要非电量的测量 埋置热敏元件测温 功率较大(5000kW以上)或铁芯长度较长(1m以上)的交流电机绕组，常用埋置金属热电阻或半导体热电阻的方法测热点的温度，或用以监视局部温升状况。常用的元件有：铜热电阻；铂热电阻；半导体负温度特性的热电阻。电气测试技

48、术5.2 主要非电量的测量半导体测温电桥电气测试技术5.2 主要非电量的测量)()()()(21434321g43213241gRRRRRRRRRRRRRRRRREi)(2)(2)(21321g2121gRRRRRRRRRREi23g21)1(2)2)(2()(RtRRtRREii电气测试技术5.2 主要非电量的测量例例1 1：单相：单相电动机起动保护电动机起动保护 单相电动机起动电流较大，正常运行时工作电流较小，这类电动机均装有起动绕组，如图。该绕组在起动时工作，正常运转时自动断开。在支路中串接PTC元件可起自动通断的无触点开关的作用。单相电动机起动保护电气测试技术5.2 主要非电量的测量例

49、例2：电动机电动机过载或缺相运行过载或缺相运行保护保护 电动机正常运行时，绕组温度很低，三只NTC元件扥阻值较大，V截止。若电动机有某一相脱相或绕组过热超过额定温度，则该相的NTC元件阻值急剧减小，V饱和导通，K带电，断开电动机电源。电动机过热保护电气测试技术5.2 主要非电量的测量3.非接触式测温 （1）红外测温仪）红外测温仪 按测温范围来分类：高温(700以上)；中温(100700)和低温(100以下)三种。按种类可分为：辐射温度计、亮度温度仪和比色温度计等。辐射温度计辐射温度计(热电堆热电堆)。辐射温度计就是利用热电传感元件，测试物体热辐射全部波长的能量来确定被测物体的表面温度。电气测试

50、技术5.2 主要非电量的测量电气测试技术5.2 主要非电量的测量 红外亮度测温仪红外亮度测温仪。亮度测温仪是利用物体的单色辐射亮度随温度的不同而变化的原理，以被测物体在光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准黑体的亮度进行比较为基础来测试温度的。其主要优点是测温仪示值与测温仪离开辐射体表面的距离以及辐射体表面尺寸无关。此外，中间介质吸收作用，发射系数不稳定的影响也比辐射式温度计小。电气测试技术5.2 主要非电量的测量 比色温度计比色温度计。测试物体热辐射中两个波段热辐射能量之比值，以确定物体的表面温度。波长通常选在光谱的红色和蓝色区域内。此法可减小被测物体比辐射率对温度读数的影响。实例实例。红外测温仪