电工仪表与测量(第四版)第九章

第一节第二节第三节非电量的电气测量第九章第一节概述一、非电量测量的对象•根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。•非电量是指除电量之外的一些参数，例如温度、湿度、压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、气体等等。非电量测量技术的优点•测量精度高、功能齐全、并能自动、连续地进行测量；•可以测量微小信号，并将转换的电信号进行远距离传输，便于远距离操作和控制；•反应速度快，可以测量非电量的瞬时值及变化过程。•输出的电信号易于与计算机连接，便于实现实时测量。•传感器的作用是将被测的非电物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的信号正确与否，直接关系到整个测量系统的精度。二、非电量测量系统的组成•传感器——能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。敏感元件——能直接感受或响应被测量的部分转换元件——能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。•接口电路的作用是把转换元件输出的电信号变换成便于处理、显示、记录和控制的有效电信号。其电路的类型视转换元件的不同而定，经常采用的有电桥电路和其他特殊电路，例如高阻抗输入电路、脉冲电路、振荡电路等。•电源的作用是供给转换能量。应注意，有的传感器并不需要外加电源就能工作，例如压电晶体等。思考与练习•测量非电量时为什么要先将它转换成电量后才能测量？•传感器一般由哪几部分组成？在热电偶传感器中，这几部分分别是什么？•实际中传感器的分类方法有哪两种？返回章目录第二节转速的测量一、离心式转速表•转速表的用途：测量各种旋转机械转速的仪表•转速表的分类：按其结构分为离心式和数字式两大类•离心式转速表的优点：成本低、坚固耐用。离心式转速表外形图输入轴调速盘转速表探头离心式转速表的工作原理•当离心器旋转时，重锤随着旋转所产生的离心力通过连杆使活动套环向上移动并压缩弹簧。•当转速一定时，活动套环向上的作用力与弹簧的反作用力相平衡，套环将停在相应位置。•同时，活动套环的移动通过传动机构的扇形齿轮传递给指针，在表盘上指示出被测转速值。•转速表指针的偏转与被测轴旋转方向无关。离心式转速表的使用1．转速表在使用前应加润滑油。2．合理选择调速盘的挡位。3．转速表轴上的探头与被测转轴接触时，应使两轴心对准，动作要缓慢，以两轴接触时不产生相对滑动为准。同时尽量使两轴保持在一条直线上。4．若调速盘的位置在I、Ⅲ、V挡，则测得的转速应为分度盘外圈数值再分别乘以10、100、1000；若调速盘的位置在Ⅱ、Ⅳ挡，测得的转速应为分度盘内圈数值再分别乘以10、100即可。二、光电式传感器•光电式传感器的用途：将光信号的变化转换为电信号。•光电式传感器的优点：结构简单、非接触、反应快、精度高、不容易受电磁干扰。•光电式传感器的缺点：易受外界光干扰，对光信号的检测处理比较困难，不能用于高温环境。光电器件•当光照射到物体上时，物体吸收了光的能量而产生电的物理现象，称为光电效应。利用光电效应可制成各种光电转换器件，即光电式传感器。原理图外形图图形符号光敏电阻常见的光敏电阻符号应用电路光敏二极管结构光敏二极管常见的光敏二极管符号应用电路3DU7型光敏三极管光敏三极管硅光电池结构示意图图形符号光电池光电池组光电池光电池常见的光电池光电式数字转速表工作原理图发光二极管光敏三极管光电式数字转速表•当电机转轴转动时，黑色与白色交替出现，所以光电元件间断的接收光的反射信号，输出电脉冲。再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字式频率计测量出电机的转速。光电式数字转速表•电机的转速n与频率f的关系为：式中：N为白色条纹或调制盘孔数。Nfn60数字式转速表思考与练习•离心式转速表的量程为什么要分成几段？如用低量程测量高转速，会产生什么后果？•光敏二极管与一般二极管的区别是什么？在电路中应如何连接？•简述光电式数字转速表的工作原理。返回章目录第三节温度的测量•接触式测量使用的温度传感器具有结构简单，工作稳定可靠及测量精度高等优点。•非接触式测量使用的温度传感器，具有测量温度高，不干扰被测物温度等优点，但测量精度不高。如红外高温传感器、光纤高温传感器等。一、热电阻温度传感器•金属热电阻传感器（热电阻传感器)利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温。常用的热电偶和热电阻•热电阻广泛用来测量－220～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至－272℃，高温可测量至1000℃。金属热电阻大都由纯金属材料制成，目前主要采用的材料是铂和铜，也有用锰、铑、碳等材料制作热电阻的。一、热电阻温度传感器显示仪表Rt金属热电阻传感器测量示意图热电阻的温度特性•铂电阻的阻值与温度之间的关系接近于线性，当温度t在－200～0℃的范围内时，其关系式为•t在0～850℃的温度范围内时，其关系式为•上式中的Rt是t℃时的铂电阻值；R0是0℃时的铂电阻值；A、B和C为常数。)1(20tBtAtRR)100(1320ttCtBtAtRR•我国规定工业用铂热电阻有R0＝10Ω和R0＝100Ω两种，并将电阻值Rt与温度t的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻分度表，分度号分别用Pt10和Pt100表示。•在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便能从分度表上查出对应的温度值。热电阻传感器结构感温体结构热电阻传感器结构二、热电偶及应用•热电偶由于具有构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性等特点，在工矿企业温度的测量中应用十分广泛。热电偶测温原理•热电偶的原理基于热电效应。•当A、B两种不同材料的导体组成一个闭合电路时，若两接点T、T0的温度不同，则在该电路中会产生电动势并形成电流，这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。实验证明：热电动势Et与热电偶两端的温度差（T－T0）成比例，即Et＝K（T－T0）式中的K与导体的电子浓度有关。热电偶测温系统简图热电偶的材料•目前常用的热电偶材料主要有：镍铬－铜镍（分度号E）、铂铑10－铂（分度号S）、铂铑30－铂铑6（分度号B）和镍铬－镍硅（分度号K）四种。通常写在前面的材料为正极，写在后面的材料为负极。•热电偶的热电动势与温度的关系表，称为分度表。通过查表，可以由热电偶的热电动势得到相应的温度值。热电偶的分类•按结构形式，热电偶通常分为三类：普通型热电偶铠装式热电偶薄膜热电偶普通型热电偶普通热电偶主要应用于工业上测量液体、气体等介质的温度。铠装热电偶这类热电偶的突出优点是可小型化（直径可以从12mm小至0.25mm）、使用方便、寿命长、热惯性小。此外，这类传感器还具有强度高、耐压、耐振动和冲击等优点，并可根据需要制成不同长度，最长可达100m。薄膜热电偶薄膜热电偶特别适用于快速测量物体壁面的温度。安装时用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上即可。思考与练习•热电阻传感器一般由哪几部分组成？常用的铂热电阻有哪几种？分度号如何表示？•热电偶的原理是什么？按照结构形式主要分为几类？•集成温度传感器为什么不能测量150℃以上的高温？返回章目录