电气测量技术-第4章 信号的检测与变换
动力与电气工程：电气测试技术四
动力与电气工程：电气测试技术四1、填空题测量频率有很多种方法，现在除精密测量外，不论是工频还是高频，基本上都使用数字频率计。
数字频率计测量范围可达1GHZ，它具有（）、读数方便、价格便宜、生产工艺简单、整机（江南博哥）体积小的特点。
正确答案：测量速度快2、填空题电流互感器二次回路不能（）运行；电压互感器二次回路不能（）运行。
正确答案：开路;短路3、问答题万用表使用方法正确答案：①使用前的准备。
调整零点；②电流的测量。
电表必须按照电路的极性正确地串联在电路中，选择开关旋在“mA．”或“μA．”相应的量程上。
将表笔串接在被测电路中进行测量。
在仪表串联到回路之前应将回路中电源关闭。
③电压的测量。
红黑表笔分别插入＋、－插座内，将选择开关旋到电压挡（V）相应的量程上。
将选择开关旋至电压挡相应的量程进行测量。
④电阻的测量。
红黑表笔分别插入＋、－插座内，将选择开关旋在“Ω”挡的适当量程上，首先进行欧姆调零，即将两根表笔短接，调整欧姆调零旋钮，使指针对准欧姆刻度0位置上，每换一次量程，都需要重新进行欧姆调零。
测量电阻时，被测电阻器不能处在带电状态。
4、问答题请将模拟指示仪表按不同方式进行分类。
正确答案：模拟指示仪表按读数装置的结构方式不同，可以分为指针式、光指示式、振簧式、数字转盘式（如电能表）等；按工作原理分类，可以分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、振簧系等；按被测对象分类，可分为交直流电压表、电流表、功率表、电能表、频率表、相位表等；按外壳防护性能分类，可分为普通、防尘、防溅、防水、水密、气密、隔爆等；按使用方式分类，可分为固定安装式、可携式等；按准确度等级分类，可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。
5、填空题测量精度分为：正确度、精密度、准确度。
在误差理论中，（）表征系统误差的大小程度，（）表征随机误差的大小程度，（）表征系统误差和随机误差的综合结果正确答案：正确度;精密度;准确度6、问答题为何电压互感器在运行时二次绕组严禁短路？正确答案：电压互感器在运行时二次绕组短路将因为短路电流过大烧毁电压互感器。
电子信号的观察与测量
电子信号的观察与测量在电子学中，电子信号是指电子设备中传输和处理信息的电流、电压或电场强度的变化。
电子信号可以分为模拟信号和数字信号两种类型。
模拟信号是连续变化的信号，可以表示为连续的波形，例如声音、光线的强度等。
数字信号是离散的信号，只能取有限个特定的离散值，例如计算机中的二进制信号。
观察和测量电子信号的主要工具包括示波器、频谱分析仪、信号发生器等。
下面将详细介绍这些工具和观察测量电子信号的方法。
示波器是用来观察和测量电子信号波形的仪器。
它将电子信号转换成可见的波形图像，以便人们观察和分析。
示波器的工作原理是通过控制电子束在屏幕上绘制出信号的波形。
示波器可以显示信号的振幅、频率、相位、周期、上升时间、下降时间等参数。
示波器的使用可以帮助我们观察到电子信号的不稳定性、干扰、噪声等问题。
频谱分析仪是用来测量电子信号频谱特性的仪器。
它可以将一个复杂的信号分解成不同频率的成分，并显示在频谱图上。
频谱分析仪可以帮助我们观察到信号的频谱分布、频率分量、谐波、杂散等特性。
频谱分析仪在研究和设计通信系统、音频系统、无线电等领域中广泛应用。
信号发生器是用来产生特定频率、振幅、波形和模式的电子信号的仪器。
它可以模拟不同类型的信号，例如正弦信号、方波信号、脉冲信号等。
信号发生器可以帮助我们生成标准的测试信号，用于测试和校准其他电子设备和电路。
在观察和测量电子信号时首先，选择合适的测量设备和工具。
根据所要测量的信号类型和参数，选择适合的示波器、频谱分析仪、信号发生器等设备。
同时，需要根据测量范围、精度、带宽和采样率等要求进行选择。
其次，进行准确的测量配置。
在测量过程中，需要正确连接电路和设备，并设置合适的测量参数。
例如，选择合适的电压和时间刻度、触发方式和触发电平等。
最后，对测量结果进行分析和评估。
观察和测量到的信号波形、频谱图等结果需要进行分析和评估，以便了解信号的特性、性能和问题。
总之，电子信号的观察与测量在电子学领域中起着关键作用。
信号检测与变换实验教案
电子科技大学自动化学院实验教学教案汇总（实验）课程名称信号检测与变换电子科技大学教务处制表金属箔式应变片性能：单臂实验一、实验名称：金属箔式应变片性能：单臂实验二、实验目的：了解金属箔式应变片单臂实验的工作原理和工作情况三、实验器材：直流稳压电源、电桥、差动放大器、一应变片、F/V 表、主、副电源四、实验原理：（1）、实验原理图：金属箔式应变片性能：单臂实验接线原理图图中R1、R2、R3为固定电阻，R X为金属箔式应变片。
五、实验步骤：(1)、差动放大器调零（2）、电桥平衡网络调零（3）、按照原理图进行单臂电路连接并根据位移记录电压值。
注：1、测微头转动一周平行粱位移0.5mm读取一个数据。
2、做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
金属箔式应变片性能：单臂、半桥、全桥实验比较一、实验名称：金属箔式应变片性能：单臂、半桥、全桥实验二、实验目的：了解金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况三、实验器材：直流稳压电源、电桥、差动放大器、一应变片、F/V 表、主、副电源四、实验原理：（1）、实验原理图：(2)、金属箔式应变片单臂实验时图中R1、R2、R3为固定电阻、R X为金属箔式应变片。
(3)、金属箔式应变片半桥实验时图中R1、R2为固定电阻、R3、R X 为金属箔式应变片，接线时R3、R X的位置符号相反。
(4)、金属箔式应变片全桥实验时图中四个电阻均为金属箔式应变片，接线时两相邻的应变片的位置符号相反。
五、实验步骤：(1)、差动放大器调零（2）、电桥平衡网络调零（3）、按照原理图进行单臂电路连接并根据位移记录电压值。
（4）、按照原理图进行半桥电路连接并根据位移记录电压值。
（5）、按照原理图进行全桥电路连接并根据位移记录电压值。
注：1、测微头转动一周平行粱位移0.5mm读取一个数据。
2、做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
3、实验仪上所有接地线都通过实验仪内部按好了的，不需外线。
电气检测技术知识点
第一章 检测技术的基础知识1、传感器的组成功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。
一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。
敏感元件：直接感受被测量，并且输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入量转换成电参数。
转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
2、误差的基本概念及表达方式（1）绝对误差：是示值与被测量真值之间的差值，通常用实际真值代表真值，并采用高一级标准仪器的示值作为实际真值。
（2）相对误差：绝对误差与真值或实际值之比. 相对误差通常用于衡量测量的准确程度，相对误差越小，准确程度越高。
（3）引用误差：是一种实用方便的相对误差，常在多档和连续刻度的仪器仪表中应用。
选用仪表时，一般使其最好能工作在不小于满刻度值三分之二的区域。
3、误差的分类与来源（1）系统误差：在相同的条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误差，称为系统误差。
它产生的主要原因是仪表制造、安装或使用方法不正确，也可能是测量人员一些不良的读数习惯等。
（2）随机误差：服从统计规律的误差称随机误差，又称偶然误差。
误差产生的原因很复杂，所以不能用修正或采取某种技术措施的办法来消除。
应该指出，在任何一次测量中，系统误差与随机误差一般都是同时存在的，而且两者之间并不存在绝对的界限。
（3）粗大误差：在相同的条件下，多次重复测量同一量时，明显地歪曲了测量结果的误差，称为粗大误差，简称粗差。
粗差是由于疏忽大意，操作不当，或测量条件的超常变化而引起的。
含有粗大误差的测量值称为坏值，所有的坏值都应去除，但不是主观或随便去除，必须科学地舍弃。
正确的实验结果不应该包含有粗大误差。
4、随机误差的特点（1）绝对值相等，符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等；（2）在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超出某一限度；（3）绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差在多次重复测量中出现的机会多；（4）随机误差的算术平均值随测量次数的增加而趋于0。
电气测量技术-电气测试技术（1）
电气测量技术
19
绪论
1.5.4 标准电阻
标准电阻是复现和保存电阻单位“欧姆”的实体
通常标准电阻是锰铜丝绕制的， 标准电阻能够准确复现欧姆量值。
Why?
由于锰铜丝电阻系数高，电阻温 度系数小，制作工艺科学，所以锰 铜丝标准电阻的阻值稳定、结构简 单、热电效应&残余电感&寄生电 容小，能够准确复现欧姆量值。
电气测量技术
24
绪论
1.6.2 误差表达形式
; 绝对误差：如果用 Ax 表示测量结果，A0 表示被测量的 真值，则绝对误差 △ 可表示为
Δ = Ax − A0
Δ = Ax − A
; 相对误差：通常以百分数 γ 来表示，即
γ = Δ ×100%
A0
实际相对误差
因为A0难以测得，有时用 Ax 代替 A0 ，则
电气测量技术
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绪论
1.4-1 测试结果的表示
测量的结果
I=5A
单位
数值
测量单位
基本单位
独立定义的单位
一定物理关系
如米、千克、秒和安培
导出单位
电气测量技术
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绪论
1.4-1 测试结果的表示
• 测量的前提：
– 被测的量必须有明确的定义； – 测量标准必须事先通过协议确定。
• 没有明确定义 （如：气候的“舒适度”或人的“智 力”等 ）的量，在上述的意义上是不可测的。
电气测量技术
4
绪论
1.0 概述
本章节基本要求
• 掌握误差分析和数据处理的方法； • 正确理解测量和测量单位； • 了解电学基准和电学标准量具。
电气测量技术
5
绪论
1.0 概述
电气测量技术-第四章
A*
B C
*PW
对 称 负
载
A * *PW1
B
*
C
ZA
*PW3 ZB
ZC
第四节 三相无功功率的测量
一、一表法 二、两表法 完全对称三相电路 简单不对称三相电路 三、三表跨相法
PW1* iA
A*
R
B
N
C
PW2
**
iC
A
* * PW1
ZA
iA B
ZB
iB C
ZC
iC
一表法
A
* * PW1
Z
iA
Z
B
C
iB
(W1
W2
)
3U LIL sin
对 称 负 载
A B
* *PW1
对
* PW2 * * PW3
称 负
C
*
载
两表人工中性点法
Q 3(W1 W2 )
三表跨相法
Q
1 3
(W1
W2
W3
)
第五节 电动系仪表常见故障及处理
表4-1
3.功率表的量程
(1)电流量程
(2)电压量程
(3)功率量程
4.功率表的接线： 发电机端原则
*
*
*
*
+ u
i1
Rad
i
i2 zL uL
+ i1
u
i2
Rad
-
-
i
zL uL
电压线圈前接法
电压线圈后接法
前接法：电流线圈电流为负载电流，电压线圈电压为负载电压+电流线圈电压 适用于负载电阻远大于功率表电流线圈电阻的情况。
电气测量技术第四章-信号的检测与变换
R2
R3
将VA、VB代入（1 ）式整理可得：
Vout
(1
2R1 RG
)
R3 R2
(VIN 1
VIN 2) VREF
或 Vout KV *VIN VREF
结论： 1.差分输入，单端输出。 2.差分放大倍数为KV。 3.输出被平移了 VREF。
Reference在一般的应用中可以接电源地,也可接一直流电压VREF ，用于将输出平移VREF伏。
模拟 输入
采样脉冲 (开关S的控 制信号）
采样 输出
采样脉冲 的频率应满足 采样定理，即 采样频率应大 于等于被采样 的模拟信号中 的最高频率分 量的2倍。
采样保持电路的主要参数：
1、捕捉时间（Acquisition Time） 采样保持器处于保持模式时，当发出采样命令，采样保持
器的输出从所保持的值到当前输入信号的值所需时间 2、 孔径时间 （Aperture Time）
4.2 放大器
在现代电气测量系统中，调理电路是一个重要组成部 分，它位于传感器和ADC之间，其功能可以概括成以下几 点： 1．放大作用：将传感器的输出的小信号放大成ADC所需
要的单端（single-ended）电压信号 2．共模抑制：针对含共模分量的差分信号输入，调理电
路的输出应只放大输入的差模信号，输出信号中共模 分量理想情况下应为零。
辐射法
此法可用于测量温度及与温度有关的参数
遮挡法
此法可用于测量物体的几何尺寸、振动位移和膨 胀系数
用反射式光电传感器测转速
R(B) 0 0 1 1
S(A) 0 1 0 1
Q 不定 0 1 不变
增量编码器(一种脉冲计数式数字传感器) 用开关式光电传感器测转速
电气与电子测量技术——电气测量技术
C2
220/ 3 kV T 1a 1n 2a 2n da N 接载波装置 X F L D dn
CVT组成示意图
CVT优点： 1.体积小、重量轻、造价低 （110 kV及以上产品）； 2.不含铁芯，无磁饱和，具 备优良的瞬变响应特性等 3.可兼顾电压互感器和电力 线路载波耦合装置中的耦 合电容器两种设备的功能； 4.短路不会产生大电流，能 可靠阻尼铁磁谐振；
0
W2
E1 4.44 fW10 108 8 E2 4.44 fW20 10
V
E1 W1 KU E2 W2 理想电压互感器变比为： U1N E1 W1 K KU U 2 N E2 W2
5
工作原理
电压互感器相当于空载变压器，与电压表联用，被测 电压等于接在二次绕组的电压表读数乘以电压互感器的 电压变比。
10
0.2 20 100～120 10 0.5 20 100～120 10 1 20 100～120 3 50～120
0.5
0.35 0.20 1.0 0.75 0.50 2.0 1.5 1.0 3.0
20
15 10 60 45 30 120 90 60 未规定 50～100 25～100 25～100 25～100
RS R
Ls
i1 (t )
M
上式可略去最右边一项，变为
M
di1(t ) di (t ) Ls dt dt
i (t )
u 0(t ) R
Rs
两边同时对t积分得
ui (t )
i (t )
Cs
R
uo (t )
R uo (t ) M i1(t ) Ls
输出电压与被测电流成比例关系
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传感器的分类（3）
化学传感器：对各种化学物质敏感并将其浓度转换 为电信号进行检测的仪器
具有对被测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能 （接受器功能） 将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。
化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官。
电气测量技术
第四章 信号的检测与变换
1
第四章：信号的检测与变换
4.1 传感器
2
传感器的定义
传感器：能够感受规定的被测量，并按照一定规律转换成 可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。
根据国家标准GB7665-87 是一种以一定精度把被测量转换为与之有确定对应关系、便于应用 的某种物理量的测量装置。 传感器是一种装置，能完成检测任务。 输出量是与被测量有对应关系的量，且具有一定精度。
15
频率变送器
频率变送器：将被测信号频率与所选中心频率的偏差，转换 成与偏差成线性比例的直流输出电流或电压
两种输出形式 1）单极性：负向额 定偏差对应直流零， 正向额定偏差对应 直流满度值 2）双极性：中心频 率对应直流零，正 向和负向额定偏差 对应直流正、负满 度值。
被测信号→互感器耦合→ 整形倍频电路，矩形波+晶振分频 后的标准信号，中心频率→鉴频电路，比较频率差异→滤波、 放大→输出直流电流或电压输出
8
第四章：信号的检将各种物理量转换成统一标准信号的传感器
变送器属于传感器，是输出标准信号的传感器
传感器是借助于敏感元件，接受物理量形式的信息，并按一定规律将其 转化成同种或另一种物理量形式的仪表
DDZ组成的过程控制系统、DCS集散控制系统中大量应用
过程控制系统：以表征生产过程的参量为被控制量，使之接近给定值或 保持在给定范围内。在石工、电力、冶金等部门有广泛应用 DDZ：电动单元组合仪表
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交流电压、电流变送器（2）
电流变送器：将被测交流电流转换成按线性比例输出的 DC4～20mA恒流标准信号，输送到接收装置（计算机或显 示仪表）。
通过250Ω电阻转换DC 1～5V，或通过500Ω电阻转换DC2～10V
两线制输出接线，辅助工作电源(+24V)与输出信号线 DC4～20mA共用
电流变送器原副边高度绝 缘隔离
按应用场合，变送器可分为：电量变送器和非电量变送器
常用电量变送器：电压、电流、功率等 常用非电量变送器：温度、压力、流量等
信号标准：仪表之间的通讯协议
国标标准信号：4~20mA.DC电流的HART协议，1~5V.DC电压。（模拟） 变送器-现场总线标准。数字信号取代模拟信号 发展趋势：带有微处理器的智能化现场变送器。输出数字信号
输出量一般是电量
被测量包括物理量、光、电气、化学量、生物量等。
温度传感器
霍尔传感器
超声波传感器 3
传感器的组成
• 敏感元件：
直接感受被测量，输出 量与被测量有确定关系
• 转换元件：
将敏感元件输出转为其 他方便检测的物理量
• 转换电路：
进一步转换、调理
• 并非均含三部分
如热电偶
转换元件：磁芯位移引起电感量变化
敏感元件：
将压力变化转 换为气膜位移
转换电路： 电感变化 引起电量 变化
4
传感器的分类（1）
按工作原理：物理型、化学型、生物型 按构成原理：
结构型：通过传感器结构参量的变化实现信号变换。例如，电容式传感器依 靠极板间距离的变化引起电容量的改变。 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换的。例如压 电式传感器是利用石英晶体的压电效 应实现测量等。
精度高，体积小、功耗小、 频响宽、抗干扰等优点。
适用发电机、电动机、智 能低压配电柜、空调、风机、 路灯等负载电流监测；
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交流电压、电流变送器（3）
交流电压变送器：将被测交流电压转换成按线性比例 输出直流电压或直流电流的仪器
广泛应用于电力、邮电、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等 部门的电气装置、自动控制以及调度系统。 具有单路、三路组合结构形式。
按能量转换：能量控制型、能量转换型
能量控制型，传感器从外部获得能量使其工作，被测量控制外部能量的变化
如：应变电阻、热阻、光阻
能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作的
如：压电效应、热电效应、光电效应，等
按物理型分类：电参量、磁电式、压电式、光电式、气电式、热电式、 波式（超声波、微波）、射线式、半导体式 按用途分类：位移、压力、温度、振动、电流、电压、功率，等 按输出类型分：模拟量、数字量、开关量 按工作方式：接触式、非接触式
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直流电压变送器
直流电压变送器：将各种幅值的直流电压变换成标准的直流 电流或直流电压
被测直流电压→分压器，较低的直流电压→自激振荡调制式 放大器，利用交流放大→直流电压或电流输出。
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直流电流变送器
直流电流变送器：将各种幅值的直流电流变换成标 准的直流电流或直流电压
被检测直流电流→分流器，直流电压→直流毫伏放 大器→直流电压变送器。
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交流电压、电流变送器（1）
将被测量交流电流或电压，变换成与其幅值成线性比例的直 流电流或电压
被测量→互感器耦合→整流滤波电路，转成单向脉动电流→ 有源滤波→稳定的直流。
补偿电路：补偿互感器铁心磁化曲线的非线性，改善整机温度特性
分为有效值变送器、峰值变送器、超低频电流电压变送器、
展开式电压变送器等
并不是单纯的人器官的模拟，还能感受人的器官不能感受 的某些物质，如H2、CO。
7
传感器的一般特性
传感器的一般特性：传感器输入与输出之间的关系特性
静态特性：对应输入量为常量，或缓慢变化的信号 动态特性：对应输入量随时间变化较快的信号
特性与参数
线性度以及线性化处理：产生系统误差 迟滞：产生系统误差 重复性：产生随机误差 灵敏度与灵敏度误差： 分辨力与阈值：传感器能检测到的最小输入增量 分辨率：分辨力用满量程的百分数表示 稳定性：温度、抗干扰、时间等 静态误差（精度）： 动态误差：
5
传感器的分类（2）
物理传感器：基于力、热、光、电、磁和声等的物 理效应，检测物理量的传感器
利用某些物理效应，把被测物理量转化成为便于处理的能 量形式的信号 常见物理传感器：光电式传感器、压电传感器、压阻式传 感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等
• 例如：光电传感器，把光 信号转换成为电信号