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1/201/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用D D、基本参数、基本参数 E E、特、特 点点 F F、使用方法、使用方法 JHTV-V+VH+VH-直检式霍尔电流传感器直检式霍尔电流传感器直检式霍尔电压传感器直检式霍尔电压传感器JHVV-V+VH+VH-+H-H补偿式霍尔电流传感器补偿式霍尔电流传感器补偿式霍尔电压传感器补偿式霍尔电压传感器JVV+V-+H-HMJTV+V-M2021/6/812/202/2025常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用F F、使用方法、使用方法 直流电流的测量直流电流的测量补偿补偿式霍尔电流传感器测量电流原理式霍尔电流传感器测量电流原理JTV-M 仪表仪表(电路电路)RmI1V+U2I1N1=I2N2N=N2/N12021/6/823/203/2035常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用F F、使用方法、使用方法 直流电流的测量直流电流的测量直检直检式霍尔电流传感器测量电流原理式霍尔电流传感器测量电流原理JHTV+VH+仪表（电路）仪表（电路）VH-I1V-RLU02021/6/834/204/204F F、使用方法、使用方法 直流电压的测量直流电压的测量5常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（N=N2/N1）补偿补偿式霍尔电压传感器测量电压原理式霍尔电压传感器测量电压原理JVV+V-+H-HM仪表（电路）仪表（电路）RmU1R1U22021/6/845/205/2055常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用F F、使用方法、使用方法 交流电流电压的测量交流电流电压的测量补偿补偿式霍尔电流传感器测量交流电流原理式霍尔电流传感器测量交流电流原理JTV+V-M仪表（电路）仪表（电路）RmI1AC/DC 转换器转换器2021/6/856/206/2065常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用G G、注意事项、注意事项 从从安全安全和和减小测量误差减小测量误差两方面考虑两方面考虑a直检式霍尔传感器为电压输出型，负载电阻应直检式霍尔传感器为电压输出型，负载电阻应 大于某一值大于某一值；b磁补偿式霍尔传感器为电流输出型，负载电阻应磁补偿式霍尔传感器为电流输出型，负载电阻应 小于某一值；小于某一值；c原、副边耦合要好原、副边耦合要好；d经常退磁；经常退磁；e尽量使尽量使I1N1=额定安匝数额定安匝数；f.注意霍尔传感器的热效应注意霍尔传感器的热效应.2021/6/867/207/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 一补偿一补偿式霍尔电流传感器的输入标称电流为式霍尔电流传感器的输入标称电流为100A，负载能力为负载能力为0.08W，N2为为5000.问：测量一问：测量一20A左右的直流电流，如何测量？左右的直流电流，如何测量？JTV+V-MRmI1V02021/6/878/208/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.3 电磁式互感器电磁式互感器（1）结构和原理）结构和原理（2）用途）用途（3）使用方法）使用方法（4）注意事项）注意事项2021/6/889/209/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用1、铁芯易饱和，使二次电流值和波形失真，、铁芯易饱和，使二次电流值和波形失真，产生较大测量误差；产生较大测量误差；2、适应频率范围窄；、适应频率范围窄；3、结构复杂，、结构复杂，体积大、造价高；体积大、造价高；4、绝缘问题、绝缘问题可靠性和安全较低；可靠性和安全较低；5、功能单一、功能单一.传统电磁式互感器存在的问题传统电磁式互感器存在的问题2021/6/8910/2010/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用2021/6/81011/2011/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用012987653401f/(200Hz/div)23456i/A10电网侧电流的频谱电网侧电流的频谱电网侧电压和电流的波形电网侧电压和电流的波形2021/6/81112/2012/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.4 光纤传感器（简介）光纤传感器（简介）光纤通讯光纤通讯光纤照明光纤照明光纤传感器光纤传感器2021/6/81213/2013/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.4 光纤传感器（简介）光纤传感器（简介）光纤物理特性光纤物理特性b.b.电绝缘性能电绝缘性能:电阻率很高，一般为1108cm.石英光纤可承受几十千至几十万伏的高电压 a.a.热性能热性能：一般耐热温度大于500，纯石英光纤耐热温度大于1000a.a.利用光纤本身对被测物理量的敏感特性利用光纤本身对被测物理量的敏感特性b.利用其它元件对被测物理量的敏感特性和光纤的导光特性利用其它元件对被测物理量的敏感特性和光纤的导光特性光波方程光波方程：E=E0cos(t+)特征参量特征参量 强度强度E02、频率、频率、相位（、相位（t+)、偏振状态、偏振状态 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理2021/6/81314/2014/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.4 光纤传感器（简介）光纤传感器（简介）强度调制型强度调制型是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸 收和反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现 敏感测量的传感器。相位调制型相位调制型是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件 的折射率或传播系数发生变化，而导致光的相位 变化来实现敏感测量的传感器。频率调制型频率调制型是利用由被测对象引起的光频率变化来实现敏感测 量的传感器。偏振调制型偏振调制型是利用光的偏振状态变化来传递被测对象信息的传 感器。光波方程：光波方程：E=E0cos(t+)2021/6/81415/2015/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.4 光纤传感器光纤传感器 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器 工作基础是基于材料的下列物理效应工作基础是基于材料的下列物理效应 法拉第效应;磁致伸缩效应;电致光吸收效应;压电弹光效应.测量磁场或电流测量电场或电压法拉第效应 磁场材料施光性(能使光矢量旋转)磁致伸缩效应磁场磁致伸缩材料光相位变化 电致光吸收效应 电场压电晶体吸光特性变化压电弹光效应电场压电材料长度变化引起 n 变化2021/6/81516/2016/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.4 光纤传感器光纤传感器 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器 光纤电流互感器的类型光纤电流互感器的类型全光纤型光电电流互感器全光纤型光电电流互感器光电混合型光电电流互感器光电混合型光电电流互感器有源型光电电流互感器有源型光电电流互感器无源型光电电流互感器无源型光电电流互感器2021/6/81617/2017/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用光源光源O/EO/E高压侧高压侧负载负载低压侧低压侧放大放大无源型光电电流互感器无源型光电电流互感器高压母线高压母线法拉第磁光玻璃法拉第磁光玻璃光纤光纤偏振光偏振光光源光源O/EO/E高压侧高压侧负载负载低压侧低压侧放大放大高压母线高压母线光纤光纤偏振光偏振光全光纤型光电电流互感器全光纤型光电电流互感器5.4 光纤传感器光纤传感器 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器 2021/6/81718/2018/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.4 光纤传感器光纤传感器 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器 V/F电源变换电源变换电源变换电源变换I/VE/O高压侧高压侧O/E低压侧低压侧前置放大前置放大F/V微处理器微处理器测量仪表测量仪表继电保护继电保护有源型光电式电流互感器有源型光电式电流互感器高压母线高压母线驱动器驱动器Rogowski线圈线圈电源电源CT2021/6/81819/2019/20196传感器信号的预处理传感器信号的预处理6.1 为什么要对传感器输出的信号进行预处理？为什么要对传感器输出的信号进行预处理？6.2 常用的信号预处理技术常用的信号预处理技术6.3 线性化处理技术线性化处理技术（1）常见的非线性类型）常见的非线性类型 a.a.指数函数型指数函数型b.多项式代数函数型多项式代数函数型c.c.反比函数型反比函数型2021/6/81920/2020/206传感器信号的预处理传感器信号的预处理6.3 线性化处理技术线性化处理技术（2）基本思想和处理方法）基本思想和处理方法 消除非线性因子消除非线性因子 校正或补偿非线性环节。校正或补偿非线性环节。方法方法1：在非线性器件之后另外插入一个非线性器件：在非线性器件之后另外插入一个非线性器件线性线性 化器，使二者的组合特性呈线性关系化器，使二者的组合特性呈线性关系.线性化器通常线性化器通常 是用集成运算放大器组成函数发生器来逼近所需要的是用集成运算放大器组成函数发生器来逼近所需要的 非线性特性非线性特性.方法方法2：采用非线性：采用非线性A/D转换器转换器.方法方法3：采用标度系数可变的乘法器：采用标度系数可变的乘法器.方法方法4：用软件实现：用软件实现 线性化线性化.2021/6/82021/2021/206传感器信号的预处理传感器信号的预处理（3）线性校正环节特性的获取方法）线性校正环节特性的获取方法 解析法和图解法解析法和图解法 解析法解析法非线性器件非线性器件线性化器线性化器xy=f(x)z=(y)函数及其反函数曲线函数及其反函数曲线 f(x)x、y0f(x)f-1(y)45f-1(y)2021/6/82122/2022/20图图5.35 5.35 图解法求线性校正特性图解法求线性校正特性123431323334传感器输入输出特性曲线传感器输入输出特性曲线U1=f1(x)U2=GU1放大器输入输出特性曲线放大器输入输出特性曲线U0=K x期望系统的输入输出特性曲线期望系统的输入输出特性曲线U0=f2(U2)线性化器的输入输出特性曲线线性化器的输入输出特性曲线6传感器信号的预处理传感器信号的预处理 图解法图解法2021/6/82223/2023/20 由第由第2象限各点作象限各点作x轴垂线，再由第轴垂线，再由第4象限各点作象限各点作x轴平行线，两者在轴平行线，两者在 第第3象限的交点连线即为线性校正环节的非线性特性曲线象限的交点连线即为线性校正环节的非线性特性曲线.将传感器的输入将传感器的输入-输出特性曲线输出特性曲线U1=f1(x)画在第画在第1象限象限，横坐标表，横坐标表 示被测量示被测量x，纵坐标表示传感器的输出，纵坐标表示传感器的输出U1；将放大器的输入将放大器的输入-输出特性曲线输出特性曲线U2=GU1画在第画在第2象限象限，横坐标表示，横坐标表示 放大器的输出放大器的输出U2，纵坐标表示放大器的输入，纵坐标表示放大器的输入U1；将测量系统所期望得到的线性特性曲线将测量系统所期望得到的线性特性曲线U0=K x画在第画在第4象限象限，横坐，横坐 标为输入标为输入x，纵坐标为输出，纵坐标为输出U0;将将x轴分成轴分成n段段，由点，由点1，2，n各作各作x轴垂线，分别与轴垂线，分别与U1=f1(x)曲线及第曲线及第4象限中曲线交于象限中曲线交于11，12，13，1n及及41，42，43，4n 各点各点.然后从第然后从第1象限中这些点作象限中这些点作 x 轴平行线与第轴平行线与第2象限曲线象限曲线U2 =GU1交于交于21，22，23，2n各点各点;图解法的步骤图解法的步骤 6传感器信号的预处理传感器信号的预处理2021/6/82324/2024/206传感器信号的预处理传感器信号的预处理（4）非线性校正电路设计）非线性校正电路设计x线性化器的输入量；线性化器的输入量；y线性化器的输出量；线性化器的输出量；K i该段直线的斜率；该段直线的斜率；C i该段直线的初值该段直线的初值.折线逼近法的原理折线逼近法的原理xy折线逼近曲线折线逼近曲线0 用集成运算放大器组成函数发生器用集成运算放大器组成函数发生器,使它的函数与被使它的函数与被校正的非线性函数或特性曲线合成为一个线性函数校正的非线性函数或特性曲线合成为一个线性函数.模拟硬件线性化的基本思想模拟硬件线性化的基本思想 2021/6/82425/2025/206传感器信号的预处理传感器信号的预处理 折线逼近法的实现电路折线逼近法的实现电路 分段逼近原理电路及其特性分段逼近原理电路及其特性VO0ViV1V2V3(b)ViR1V0=-I f R f(a)输入输入V nV3V1V2R2D nD3D2I1R nR3I2I3I nI fA输出输出（V1V2V n）R fD1b.当当V1ViV 2时，时，D1导通，导通，a.当当 ViV1时时,所有二极管都所有二极管都 截止，截止，V0=0;2021/6/82526/2026/206传感器信号的预处理传感器信号的预处理c.当当V2ViV 3时，时，D1和和D2导通导通ViR1V0=-I f R f(a)输入输入V nV3V1V2R2D nD3D2I1R nR3I2I3I nI fA输出输出（V1V2V n）R fD1分段逼近原理电路及其特性分段逼近原理电路及其特性VO0ViV1V2V3(b)2021/6/82627/2027/20本章小结本章小结（1）传感器是把被测量变换为有用信号的一种）传感器是把被测量变换为有用信号的一种装置装置,它包括它包括敏感元件、敏感元件、变换电路和辅助机构变换电路和辅助机构.（2）变送器是输出标准信号的传感器）变送器是输出标准信号的传感器.通用标准信号通用标准信号:电流信号电流信号010 mA 或或420mA，电压信号，电压信号05V.（3）传感器的特性参数主要有传感器的特性参数主要有-线性度、线性度、迟滞、迟滞、重复性、灵敏度、重复性、灵敏度、阈值、分辨力、阈值、分辨力、稳定性等稳定性等.（4）温度传感器按其是否与被测物体接触分为接触式和非接触式两种）温度传感器按其是否与被测物体接触分为接触式和非接触式两种.（5）热电偶工作的物理基础是）热电偶工作的物理基础是“热电效应热电效应”，它是由两种不同的导体连，它是由两种不同的导体连 接成一闭合回路而制成的温度计接成一闭合回路而制成的温度计.（6）热电偶的）热电偶的4个基本定律个基本定律-均质导体定律、中间导体定律、中间温度定均质导体定律、中间导体定律、中间温度定 律和冷端延长线定律律和冷端延长线定律.它们是正确使用热电偶的条件它们是正确使用热电偶的条件.（7）“冷端延长线冷端延长线”又叫补偿线，是指在一定温度范围内和热电偶具有又叫补偿线，是指在一定温度范围内和热电偶具有相相 同热电特性的便宜材料同热电特性的便宜材料A、B做成的延长线。做成的延长线。2021/6/82728/2028/20本章小结本章小结（8）由于）由于-热电偶分度表都是以冷端温度为热电偶分度表都是以冷端温度为0时给出的，如欲直接利时给出的，如欲直接利 用分度表根据显示仪表的读数求得温度，必须使冷端温度保持用分度表根据显示仪表的读数求得温度，必须使冷端温度保持 为为0；冷端温度难以稳定在冷端温度难以稳定在0.所以要进行冷端补偿所以要进行冷端补偿.（9）冷端补偿方法有冷端延长线、冷端恒温、冷端补偿器（补偿电桥）冷端补偿方法有冷端延长线、冷端恒温、冷端补偿器（补偿电桥）.（10）热电偶使用注意事项）热电偶使用注意事项（11）热电偶的测温误差）热电偶的测温误差（12）基于热电偶的测温仪表的校准方法）基于热电偶的测温仪表的校准方法（13）集成温度传感器）集成温度传感器AD590和和LM35输出信号分别是电流信号和电压信输出信号分别是电流信号和电压信 号，前者与号，前者与K成正比（成正比（1A/K），后者与，后者与成正比（成正比（10mV/）.（14）红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、）红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，它是一种非接触测温方法显示输出等部分组成，它是一种非接触测温方法.（15）霍尔传感器基于霍尔效应的磁电式传感器，属于非接触式传感器，）霍尔传感器基于霍尔效应的磁电式传感器，属于非接触式传感器，它在电压、电流、微弱磁场、微位移等检测方面有广泛的应用它在电压、电流、微弱磁场、微位移等检测方面有广泛的应用.（16）理解霍尔元件的基本参数是正确设计和使用霍尔传感器的前提）理解霍尔元件的基本参数是正确设计和使用霍尔传感器的前提.2021/6/82829/2029/20本章小结本章小结（17）直检式霍尔传感器与补偿式霍尔传感器的区别（结构和性能）是直检式霍尔传感器与补偿式霍尔传感器的区别（结构和性能）是 （18）为了充分发挥霍尔传感器的性能，在使用霍尔电流传感器时，应尽）为了充分发挥霍尔传感器的性能，在使用霍尔电流传感器时，应尽 量使量使I1N1=额定安匝比，在使用霍尔电压传感器时，应尽量使额定安匝比，在使用霍尔电压传感器时，应尽量使 U1/R1=初级额定工作电流初级额定工作电流.（19）电磁式互感器存在磁饱和问题，电压互感器副边不允许短路，）电磁式互感器存在磁饱和问题，电压互感器副边不允许短路，必须在原副边串入保险丝或保护电阻；电流互感器副边不允必须在原副边串入保险丝或保护电阻；电流互感器副边不允 许开路，更换仪表时首先将互感器副边短路许开路，更换仪表时首先将互感器副边短路.（20）常用的信号预处理技术有信号滤波、隔离、线性化和规格化）常用的信号预处理技术有信号滤波、隔离、线性化和规格化.（21）线性化处理的基本思想）线性化处理的基本思想根据欲处理单元的非线性特性，用解析法根据欲处理单元的非线性特性，用解析法 或图解法求得线性校正环节的的特性，然后通过电路或软件实现线或图解法求得线性校正环节的的特性，然后通过电路或软件实现线 性化性化.2021/6/82930/2030/20本章思考题本章思考题（1）热电偶的）热电偶的4个基本定律是（个基本定律是（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）；）；（2）热电偶的）热电偶的4个基本定律的应用价值；个基本定律的应用价值；（3）热电偶使用中为什么要进行冷端补偿？）热电偶使用中为什么要进行冷端补偿？（4）什么是热电偶的冷端延长线？如何正确使用）什么是热电偶的冷端延长线？如何正确使用冷端延长线？冷端延长线？（5）传感器一般由（）传感器一般由（）、（）、（）和（）和（）三部分组成；）三部分组成；（6）AD590的测温原理和应用；的测温原理和应用；（7）选择传感器时，通常应注意它的那些特性与参数？）选择传感器时，通常应注意它的那些特性与参数？（8）霍尔电压、电流传感器的使用方法和注意事项。）霍尔电压、电流传感器的使用方法和注意事项。（基本参数、应用原理图、有关参数设计）（基本参数、应用原理图、有关参数设计）（9）电压互感器和电流互感器的使用注意事项）电压互感器和电流互感器的使用注意事项.电压互感器实际上是一个（电压互感器实际上是一个（）变压器）变压器.电流互感器实际上是一个（电流互感器实际上是一个（）变压器）变压器.2021/6/83031/2031/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用作业：作业：一补偿式霍尔电压传感器参数为：工作电源一补偿式霍尔电压传感器参数为：工作电源15V，输入额定电流输入额定电流10mA，输出额定电流，输出额定电流50mA，额定负载，额定负载 电压电压5V.试问如何用其测量一小于试问如何用其测量一小于500V的直流电压？的直流电压？JVV+V-+H-HM2021/6/831问题解答问题解答?
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