第八章信號的測量與處理中國石油大學（華東）控制科學與工程學院電壓互感器電流互感器溫度傳感器壓力傳感器液位傳感器位移傳感器轉(zhuǎn)速傳感器

8.2信號的測量8.2.1

電壓與電流的檢測小電壓檢測：串聯(lián)電阻分壓的方法小電流檢測：并聯(lián)電阻分流的方法高電壓(幾百伏以上)檢測：電壓互感器大電流(幾十安培以上)檢測：電流互感器

1．互感器的結(jié)構(gòu)和原理互感器實際上是一個鐵心變壓器，鐵心上繞有兩個或多個繞組(特殊情況只有一個)，接待測電壓或電流的繞組稱為初級繞組，接測量儀表的繞組稱為次級繞組。

電壓互感器一般相當于一個降壓變壓器，其初級繞組額定電壓通常采用不同的電壓等級，而次級線圈額定電壓都定為100V。電流互感器相當于一個電流變換器，其額定次級電流一般為5A或1A。其初級繞組匝數(shù)較少，甚至可能是幾匝或一匝，所以初級線圈使用一根直線表示。測壓原理：

互感器的額定初級電壓U1(或電流I1)與額定次級電壓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)測一相相電壓；

測一相線電壓電壓互感器接線方式：用單相互感器測三相相電壓電壓互感器接線方式：用單相互感器測三相線電壓用三相互感器測三相相電壓電壓互感器接線方式：（a）測單相電流（b）測三相電流（c）測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：（1）電壓互感器的次級線圈不許短路，否則次級會出現(xiàn)很大的短路電流，故其初級和次級都要接短路保護熔斷器(保險絲)。電流互感器的次級線圈不許開路，也不能裝熔斷器。否則當次級突然開路時，會在線圈中感應(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。使用注意事項：（2）互感器的次級線圈、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(即不能將初級與次級互換)。8.2.2溫度傳感器接觸式測量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體傳感器等。非接觸式測量：以輻射式測溫為主，有光學高溫計和輻射高溫計等。1．熱電偶溫度傳感器自由端或冷端工作端或熱端(1)測溫原理—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，組合成一個閉合回路。當兩接點溫度不等(T>T0)時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電動勢。把這兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。1．熱電偶溫度傳感器

熱電偶型號：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—銅鎳等分度表：熱電勢與溫度對應(yīng)關(guān)系的表格。分度表是在冷端溫度為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)生的熱電勢和分度表即可得知其溫度值。熱電勢與溫度的關(guān)系為非線性。鎳鉻-鎳硅K熱電偶分度表

(自由端溫度為0℃)(2)中間導(dǎo)體定則如果在熱電偶回路中接入第三種金屬材料,只要該材料與熱電偶的兩個接點的溫度相同,則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。(3)熱電偶冷端溫度的補償因為分度表都是指冷端溫度為0℃時的熱電勢，因此要求熱電偶工作時，冷端溫度必須保持在0℃，或進行冷端溫度補償，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，此時熱電偶的輸出準確地和分度表值一致。但這種理想方法只適用于實驗室中使用，工業(yè)中使用極為不便。

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

③計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)測知其冷端溫度，再由每支熱電偶的熱電勢通過查表和計算得出其熱端溫度。

例1

用鎳鉻—鎳硅熱電偶測某介質(zhì)的溫度，測得熱電勢為23.06mV，冷端溫度30℃，試求介質(zhì)溫度。解：由分度表查得30℃時的熱電勢為1.203mV，故冷端溫度為0℃時的熱電勢應(yīng)為23.06+1.203＝24.263mV。查分度表得溫度為585℃，此值即為真實溫度值。④補償導(dǎo)線的應(yīng)用熱電偶的補償導(dǎo)線又稱延伸導(dǎo)線，它是一種廉價導(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，遠離熱端，并與冷端補償器、變送器、顯示儀表等連接起來構(gòu)成測溫回路，同時不會由于引入該導(dǎo)線使工作熱電偶帶來附加誤差。

熱電阻溫度計是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)溫度測量的。實驗證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當溫度上升1℃時，其電阻值均增大0.4%～0.6%；而半導(dǎo)體當溫度上升1℃時，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。2．熱電阻溫度傳感器(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：精度高、性能穩(wěn)定。缺點：電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性。常用型號：Pt10--0℃時：R0=10Ω

Pt100

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0℃時：R0=100Ω。(2)銅電阻優(yōu)點：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，價格便宜；缺點：電阻率低，易氧化，所以在溫度不高、測溫元件體積無特殊限制時，可以使用銅電阻溫度計。一般用于-50℃～150℃范圍的溫度測量。常用型號：Cu50--R0=50Ω

Cu100--R0=100Ω(3)熱電阻測溫線路熱電阻傳感器電阻測量橋路顯示儀表連接導(dǎo)線三線制：消除導(dǎo)線電阻對溫度測量的影響。若使R2=R3，則Rt=R1，說明此種接法導(dǎo)線電阻Rr對熱電阻的測量無影響。8.2.3

壓力傳感器在工程技術(shù)中，壓力被定義為垂直而均勻作用于物體單位面積上的力，與物理學中的壓強概念相同。1．應(yīng)變片式壓力傳感器的測量原理應(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)變片的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬材料在外界作用下(壓力等)產(chǎn)生機械變形時，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化。半導(dǎo)體基于壓阻效應(yīng)，即單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時，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。2.測量電路應(yīng)變片式傳感器的測量電路多采用直流電橋中的

差動電橋和四臂電橋。優(yōu)點：1、線性；2、靈敏度高；3、溫度補償8.2.4液位傳感器差壓式液位傳感器磁浮子式液位傳感器電容式液位傳感器1．差壓式液位傳感器密閉容器內(nèi)的液位可由液位起點與液面上部氣體的壓力差測得，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，又可采取壓力法來測量。2．磁浮子液位傳感器組成：永磁浮子磁簧管精密電阻放大變換電路優(yōu)點：連續(xù)監(jiān)測液位重復(fù)性高與液體的介質(zhì)無關(guān)接線簡單3．電容式液位傳感器原理：被測介質(zhì)液面的變化引起電容變化。測量介質(zhì)：非導(dǎo)電液體。當電極間無液體時當內(nèi)外電極間有液體時結(jié)論：電容的變化正比于液位高度。測量電容的串聯(lián)電阻式交流電橋