现代检测技术12检测仪表的设计及实例

第十二章第十二章模拟式检测模拟式检测仪表的设计及实例仪表的设计及实例12.012.0分类与构成分类与构成模拟式检测仪表是以可见模拟量显示测量结果的模拟式检测仪表是以可见模拟量显示测量结果的检测仪表，可分为检测仪表，可分为静态模拟检测仪表静态模拟检测仪表和和动态模拟动态模拟检测仪表检测仪表两大类。两大类。••静态静态~~大多为指针式显示仪表，通常以大多为指针式显示仪表，通常以指针偏转角反映指针偏转角反映被测量的大小被测量的大小••动态动态~~大多为波形显示仪表，通常以大多为波形显示仪表，通常以示波器示波器//记录仪显记录仪显示示//描绘的曲线表示被测量随时间的变化描绘的曲线表示被测量随时间的变化。。模拟式检测仪表基本上由模拟传感器、模拟测量模拟式检测仪表基本上由模拟传感器、模拟测量电路和和模拟显示器组成。电路和和模拟显示器组成。12.1“表头”的原理与刻度12.1.1“表头”的原理“表头”的结构动圈式磁电系测量机构（最常见）动磁式组成结构如图12-1-1所示永久磁铁　弹性支承　动圈及指针图12－1－1动圈式磁电系测量机构LFFiNBF21二、动圈所受力矩：二、动圈所受力矩：11、电磁力矩、电磁力矩是穿过动圈的磁链。是穿过动圈的磁链。22、弹性力矩、弹性力矩kk是弹性支承的弹性系数；是弹性支承的弹性系数；θθ是动圈的转角。是动圈的转角。33、阻尼力矩、阻尼力矩DD是阻尼系数是阻尼系数ibNLBibFMc0NbLB0kMkdtdDMd三、动圈的运动方程三、动圈的运动方程11、动态方程：、动态方程：驱使动圈转动，而驱使动圈转动，而、、则阻止动圈转则阻止动圈转动，因此根据转动定律有：动，因此根据转动定律有：式中式中JJ————动圈和与其固定连接的动圈框架及动圈和与其固定连接的动圈框架及笔尖或指针构成的惯性体的转动惯量。笔尖或指针构成的惯性体的转动惯量。————该惯性体的转动角加速度。该惯性体的转动角加速度。将相关变量代入上式得动圈的动态方程：将相关变量代入上式得动圈的动态方程：cMdMkM22dtdJMMMdkc22dtdikdtdDdtdJ02222、静态方程：、静态方程：若信号电流为直流若信号电流为直流II，在达到稳定之后，上式左边，在达到稳定之后，上式左边前两项均为零，于是有：前两项均为零，于是有：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　这就是动圈的静态方程。式中这就是动圈的静态方程。式中SS0称为动圈式磁电称为动圈式磁电系测量机构的静态灵敏度，系测量机构的静态灵敏度，　　　　　　　　式中式中IIgg为指针满偏为指针满偏时动圈电流值。时动圈电流值。““表头表头””的灵敏度的灵敏度SS0与动圈的满偏电流与动圈的满偏电流IIgg的倒数的倒数――“――“ΩΩ/V/V””数成正比。数成正比。ISIk00kISg0max0max模拟式检测仪表工作原理模拟式检测仪表工作原理动圈式磁电系测量机构中的游丝和动圈导动圈式磁电系测量机构中的游丝和动圈导线允许通过的电流较小，满偏电流线允许通过的电流较小，满偏电流IIgg一般在一般在微安级至几十毫安范围，不能测量较大的微安级至几十毫安范围，不能测量较大的电流，而且由于其阻值较大，串联在电路电流，而且由于其阻值较大，串联在电路中会产生很大的测量误差。因此中会产生很大的测量误差。因此••为了测量为了测量较大的直流电流较大的直流电流，必须给动圈式磁电，必须给动圈式磁电系测量机构的动圈系测量机构的动圈并接并接适当的适当的分流电阻分流电阻；；••为了测量为了测量较大的直流电压较大的直流电压，必须给动圈式磁电，必须给动圈式磁电系测量机构的动圈系测量机构的动圈串接串接适当的适当的分压电阻分压电阻；；图12－1－2多量程电流表与电压表USUISUUxmgxmrR00max)1(RrIIgmxxmgxmIrRRSIIISII00max)(RrIUgm直流电流表直流电压表量程偏转角直流电流表直流电压表12.1.2“表头”的刻度刻度（标定）：给仪表输入标准的被测量刻度（标定）：给仪表输入标准的被测量xx，，在表头指针的偏转处刻上在表头指针的偏转处刻上被测量被测量的数字的数字xx。。一、线性刻度一、线性刻度――适用于线性检测仪表适用于线性检测仪表xixSUKUUixxUS111、刻度方程：、刻度方程：其中其中SS为检测仪表的总灵敏度为检测仪表的总灵敏度22、量程上限值为、量程上限值为33、仪表的标定：、仪表的标定：••两点标定两点标定((单极性单极性X)X)：（：（00，，00），（），（））••三点标定三点标定((双极性双极性X)X)：（：（00，，00），），（（），（），（））xSrRKSSKSSSxx01xgxmKSrRIKSUx)(maxmaxmax,xmaxmax,xmaxmax,x二、非线性刻度二、非线性刻度――适用于非线性检测仪表适用于非线性检测仪表11、非线性的产生：由于传感器存在非线性，而测、非线性的产生：由于传感器存在非线性，而测量电路中又没有加入非线性校正电路，使测量电量电路中又没有加入非线性校正电路，使测量电路输出电压路输出电压UUxx与被测量与被测量xx呈非线性函数关系：呈非线性函数关系：22、刻度方程、刻度方程――非线性刻度：非线性刻度：33、仪表标定、仪表标定::多点标定。多点标定。，标定点，标定点nn越多，刻度越精密。越多，刻度越精密。直线拟合。若直线拟合。若ff((xx))的非线性不太严重，可按最佳的拟合直线刻度。的非线性不太严重，可按最佳的拟合直线刻度。)(xfUx)(0xfrRSnixii,2,1),,(12.2调零.调满度与量程切换12.2.012.2.0零点和灵敏度漂移产生的误差：零点和灵敏度漂移产生的误差：检测仪表标定时的输入检测仪表标定时的输入--输出关系输出关系式中，式中，SS--仪表的标称灵敏度仪表的标称灵敏度温度变化、电源波动等原因使检测仪表实际的输入温度变化、电源波动等原因使检测仪表实际的输入--输出输出关系变为关系变为式中，式中，--仪表的零位（仪表的零位（xx=0=0）输出或零点漂移；）输出或零点漂移；SS′′=S+=S+ΔΔS-S-仪表的实际灵敏度仪表的实际灵敏度,,其中其中ΔΔS-S-仪表的灵敏度漂移。仪表的灵敏度漂移。在这种情况下，被测量在仪表度盘上的读数在这种情况下，被测量在仪表度盘上的读数xx′′与被测量的与被测量的实际值实际值xx就有差距就有差距Sx0Sx0000()SxSSxSxxxxxSSSS12.2.1常见的调零电路一、传感器调零电路图12－2－1差动自感传感器零位电压补偿电路R1的作用是使线圈的有效电阻值趋于相等，以消除基波零位电压，阻值约为0.1~0.5Ω；并联电阻R2用来消除高次谐波零位电压，阻值通常为几百~几十kΩ；并联电容C用来补偿变压器二次线圈的不对称，消除基波正交分量或高次谐波分量，100~500pF.12.2.1常见的调零电路二、电桥调零电路三、放大器输入偏移调零电路图(a)中，须调整Ub，使Ub=Ua图(b)中，须调整Ub和R2，使Ua/R1=-Ub/R2图(c)中，须调整Ub使Ub=Ua。12.2.2常见的调满度电路二、调放大器的增益三、调表头量程电阻一、调电源供电电压（或供电电流）图12－2－3铂电阻测温电路调零和调满度12.2.3常见的量程切换电路pp268eg.12-2-2图12－2－4电子电阻表电路RRUURNNrefmx5)(max12.5模拟式仪表实例12.5.1DDZ-Ⅲ型仪表简介一、一、DDZDDZ仪表概述仪表概述仪表类型仪表类型按信号传输方式划分：按信号传输方式划分：电动仪表电动仪表――以电量为传输信号的仪表以电量为传输信号的仪表气动仪表气动仪表――使用压缩空气来传递信号的仪表使用压缩空气来传递信号的仪表按组成系统的方式划分：按组成系统的方式划分：基地式仪表、基地式仪表、单元组合式仪表单元组合式仪表组件组装式仪表组件组装式仪表电动单元组合（电动单元组合（DDZDDZ）仪表）仪表DDZDDZ——II型、型、DDZDDZ——ⅡⅡ型、型、DDZDDZ——ⅢⅢ型。型。图12－5－1简单控制系统结构图12.5模拟式仪表实例12.5.1DDZ-Ⅲ型仪表简介DDZ—Ⅲ型系列仪表特点采用线性集成电路采用国际标准信号制图12-5-2现场传输信号为4～20mA直流电流控制室联络信号为1～5V直流电压集中统一供电统一由电源箱供给各单元24V直流电源整套仪表可构成安全火花型防爆系统图12－5－2DDZ-Ⅲ型仪表信号传输示意图图12－5－3电压－电流变换器的外部连接mAmAUUIi164max0专用的集成电压－电流变换器0～Umax的单极性输入电压－Umax～＋Umax的双极性输入电压mAUUmAIiout16212max12.5.2MF107型万用表剖析图12－5－4MF107型万用表的电路图第十三章第十三章数字式检测仪表数字式检测仪表的设计及实例的设计及实例模数转换式脉冲计数式13.1数字“表头”电路13.1.1数字显示器图13－1－1LED显示块结构与引脚11、、LEDLED显示块结构与引脚显示块结构与引脚段选码位为“0”的笔段发光。显示数字“0”的段选码为：11000000即C0H段选码位为“1”的笔段发光。显示数字“0”的段选码为：00111111即3FH段选端a、b、c、d、e、f、g、h(或dp)接段选码（h端加段选码的最高位，a端加段选码的最低位）阳极，接高电平阴极，接低电平位选端―公共端共阳极共阴极22、译码、译码――将要显示的数字转换成相应的段选将要显示的数字转换成相应的段选码码((字形码字形码))。。硬件译码电路组成：硬件译码电路组成：锁存器锁存器――锁存每位要显示数字的四位二进制代锁存每位要显示数字的四位二进制代码或码或BCDBCD码。码。译码器译码器――只读存贮器，以这四位二进制代码作只读存贮器，以这四位二进制代码作为地址读出对应的为地址读出对应的88位段选码。位段选码。驱动器驱动器――驱动发光二极管发光。驱动发光二极管发光。全部并接在同一个8位锁存器，由段选码控制，分别接一个8位锁存器每位LED显示器的段选端分别接锁存器的一位，由位选码控制连接在一起固定接地(共阴极)或接+5V(共阳极)各位LED显示器的位选端逐位轮流显示各位同时显示显示时间动态显示静态显示33、多位显示方式、多位显示方式普通数字式检测仪表简化框图普通数字式检测仪表简化框图13.1.2A/D转换式仪表的“表头”电路脉冲计数式模数转换式13.1.2A/D转换式仪表的“表头”电路一、A/D转换器―将直流电压转换成相应数码11、单极性、单极性A/DA/D转换转换――输出数码为自然二进制码或输出数码为自然二进制码或十进制数码十进制数码转换公式：转换公式：式中　式中　――与与最接近的量化电平　最接近的量化电平　EE――A/DA/D转换器的基准电压（应与转换器的基准电压（应与UUxx极性相极性相同），即满量程输入电压，同），即满量程输入电压，qq――AA/D/D转换器的量化电平转换器的量化电平与与之差称为之差称为A/DA/D转换器的量化误差转换器的量化误差1122nninixqiixiiUUEdqdqNqUxUFSDEqqUxUxqUUq当　当　　时，　　　　　　时，　　　　　；；当　当　　时，　　　　　时，　　　　　　。。对于双极性电压，通常将它叠加上半量程偏移电对于双极性电压，通常将它叠加上半量程偏移电压压UUmm/2