模拟式检测仪表设计及实例

1、式中Ig为指针满偏max时动圈电流值。第1 2章模拟式检测仪表设计及实例模拟式检测仪表基本组成12.1“表头”的原理与刻度12.1.1 “表头”的原理一、“表头”的结构一一动圈式磁电系测量机构（最常见） 组成结构如图12-1-1所示：永久磁铁 弹性支承 动圈及指针、动圈所受力矩:1、电磁力矩 Me bF bNLBioi， o是穿过动圈的磁链。0 NbLB、弹性力矩M kk , k是弹性支承的弹性系数；B是动圈的转角。pl3 、阻尼力矩Md D , D是阻尼系数dt三、动圈的运动方程：1、动态方程:M e驱使动圈转动，而MdMk则阻止动圈转动，因此根据转动定律有:dt式中J动圈和与其固定连接的动

2、圈框架及笔尖或指针构成的惯性体的转动惯量。dt2该惯性体的转动角加速度。将M e、Md、M k代入上式得动圈的动态方程:d2dJD k 0idt2dt2、静态方程：若信号电流为直流I，在达到稳定之后，上式左边前两项均为零，于是有:-ISlk这就是动圈的静态方程。式中S）称为动圈式磁电系测量机构的静态灵敏度,S。max“表头”的灵敏度 S。与动圈的满偏电流Ig的倒数一一“Q /V”数成正比。四、直流电流表和直流电压表图12-1-21、直流电流表一一由动圈（内阻为 r）并联分流电阻 R构成，电流表量程Im为1 m 1 g （1）R直流电流Ix与指针偏角成线性正比关系：maxIxS0 I gIxSo

3、R IR r2、直流电压表一一由动圈串联分压电阻R构成，电压表的量程 um为Um Ig(r R)UmmxUxS0IgUxUmRS0rUx池12.1.2 “表头”的刻度刻度（标定）：给仪表输入标准的被测量x,在表头指针的偏转处刻上被测量的数字一、线性刻度-一适用于线性检测仪表直流电压U X与指针偏角 成线性正比关系:X。SiXxSS Sx KS1SoSxKUi xSx Ux UiK3Ux1、刻度方程:2、量程上限值为xmaxUmKSxIg(R r)KSx3、仪表的标定:1)两点标定(单极性 X) : (0, 0) , ( max,Xmax)xmax2)三点标定(双极性X) : (0, 0),(

4、max , X max ),(、非线性刻度一一适用于非线性检测仪表1、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，使测量电路输出电压 Ux与被测量x呈非线性函数关系:Ux f(x)2、刻度方程非线性刻度:SoR rf (x)3、仪表标定:1)多点标定。(xi, i), i 1,2, n,标定点n越多，刻度越精密。2)直线拟合。若f(x)的非线性不太严重，可按最佳的拟合直线刻度。12.2调零、调满度与量程切换12.2.1零点和灵敏度漂移产生的误差： 检测仪表标定时的输入一一输出关系S x式中，S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一一输出关系

5、变为o S x式中，0 仪表的零位(x=0)输出或零点漂移;s仪表的实际灵敏度。S =S+A S式中， S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X与被测量的实际值 x就有差距o S xx x x S12.2.2常见的调零电路一、传感器调零电路例1、差动自感传感器零位电压补偿电路一一图例2、霍尔传感器零位电压补偿电路一一图二、电桥调零电路如图 8-2-2、图 10-2-2、图 10-3-11 等三、放大器输入偏移调零电路0 (S S) x12-2-15-5-10SU x U a xSx式中，Ua为前级测量电路的零位输出。图12-2-2 (a)中，须调整图12-2-2 (b)中，

6、须调整图12-2-2 (c)中，须调整12.2.3常见的调满度电路Ub,使 Ub=UaUb和庫，使 Ua/R1=-Ub/R2Ub 使 Ub=U。检测仪表的总灵敏度SSxK一、调电源供电电压（或供电电流）二、调放大器的增益三、调表头量程电阻例题 12-2-1解：通常选 R仁R2=Ro, U0 5E（Rt一1）R3 RPi先调零：调 RP1使R3+RP1=RO,即卩t=0C时，Uo=O。 再调满度：调 RP2,使t=100 C时，U0=100mV,即电源电压为100mV20W 1(mV)12.2.4常见的量程切换电路1/2满度接近满度的区域，即为提高模拟仪表的读数精度，通常应使表头指针偏转在max

7、max2当表头指针超出满度时，就要切换到大一档的量程；当表头指针较小时，就要切换到小一档的量程。量程切换实质上就是以换挡方式改变仪表的灵敏度。例题 12-2-2图 12-2-4解：电路输出电压为U0 Uref巴RN电子欧姆表量程为Rxmax （Um/Uref）RN5Rn12.3模拟非线性校正非线性产生的原因：大多是由于传感器的非线性。非线性产生的危害：非线性刻度容易产生读数误差非线性校正的目的：就是使“表头”能采用线性刻度。12.3.1非线性校正的数学原理图12-3-1一、数学原理非线性校正就是在非线性环节后，串接一个线性化器，只要该线性化器的特性曲线与非线性环节的特性曲线成反函数关系，就能达

8、到线性校正的目的一一使整个仪表的输入-输出特性变成线性关系。设U1f1（X）U2KU 1若U。Sf 1(U2)则U0 xSK、反函数电路，图123-2UiU ff 1(Ui)0U ff(U。) Uiu。RR结论：将一个输出输入特性与被校正的非线性环节相同的非线性环节接入运放的反馈 环路，再将此运放与被校正的非线性环节串接起来，即可实现非线性校正。12.3.2 非线性校正实现方法 一、采用与已知传感器特性函数相反的运算电路 有些传感器电路的输出与输入呈现明确的函数关系，可以采用与该函数关系相反的运 算电路作为测量电路，以实现非线性校正。例如：电量与非电量呈现指数关系的传感器接对数电路 电量与非电

9、量呈现平方关系的传感器接开方电路 电量与非电量呈现开方关系的传感器接平方电路 电量与非电量成反比的传感器接反比电路。三、采用多项式运算电路从标定实验数据中选取3个插值点(Xk，UQ(k 1,2,3)，求解如下3个方程：a0 a1U k a2U k2 xk(k 1,2,3)求得三个系数ao,a!,a2,用乘法、加法电路组合成的多项式运算电路或AD538等集成运算电路来实现二次多项式。U 0 S(a0 a1U a2U 2) S X三、采用折线近似的函数放大器电路设被测非电量x与传感器及其接口电路输出电压U之间的函数关系为 U f (x)，在传感器接口电路后串接一个能实现U0 Sf 1(U)的函数放

10、大器电路，就可以实现非线性校正，使U0 S x。函数放大器电路一般采用由二极管开关和电阻组成非线性网络取代反相 放大器的输入电阻Rr 或反馈电阻 Rf ，使反相放大器的输出输入关系呈多段折线逼近U 0 Sf 1(U) 曲线。12.4 环境及温度误差校正12.4.1 环境及温度因素对测量的影响 一、环境因素对测量的影响 理想情况： 只有被测量 x 才是决定测量结果 y 的唯一因素， 即系统的输入输出特性 为一元函数y f(x)实际情况：除了被测量x夕卜，还有许多其它影响参量。 如温度T、气压P、电源电压E, 等等，系统的输入输出特性为多元函数y f(x,T,P,E, )厂f因 dydxx故环境误

11、差记为fdT JTf dP -PEdE ，令dy丄dxxdy dy丄dTf dPfdETPE系统输出对环境（干扰）参量的灵敏度为：St-fff，Sp-,SeJETP设计测量系统时应使系统输出对被测量x的灵敏度Sx最冋，x系统输出对环境（干扰）参量的灵敏度应限制在相对最低的水平。二、温度因素对测量的影响在影响测量结果的环境因素中，最常见的也是影响最大的环境因素是温度。线性检测系统表达式y f(x,T) a(T)ai(T)x1、线性检测系统对温度 T的有害灵敏度对温度T的有害灵敏度可表示为2、S f (x,T) 窃Tdao(T)dTdT非线性检测系统对温度T的有害灵敏度非线性检测系统表达式y f(

12、x,T) a(T)ai(T )xan(T)xn对温度T的有害灵敏度为dao(T)$ dTdTdTdan (T) nxdT3、dao(T)/dT 0, dai(T)/dT 0。减小系统对温度的有害灵敏度的原则1）减小检测系统输出零点对温度的有害灵敏度，最好使2）减小检测系统灵敏度对温度的敏感性，最好使12.4.2环境及温度误差的硬件校正法一、平衡法两个原理和特性完全相同的传感器置于同一环境中:一个既接受输入信号也接受环境影响dy1dxdTdPxTP一个不接受输入信号只接受环境影响dy2dTf dPTP二者输出相减dy- dy2 dx，保留输入x的作用，消除环境因素的影响。实例：图12-4-1补偿

13、块图5-5-1 4补偿电桥图10-1-7补偿片图11-3-1（b） 参考室二、差动法两个原理和特性完全相同的转换元件，置于同一环境中，一个接受输入量的正向变化dx,一个接受输入量的反向变化 (-dx)二者输出相减dy1 dy22 dx，输入灵敏度增加一倍，而环境影响却被消除。x实例：图10-1-13 图4 1 1 5(c)(d)三、抵消法将正温度系数的传感器或电路与负温度系数的传感器或电路串联起来，使温度变化产生的影响相互抵消。丄1丄0T T四、参比法通过比例运算消除影响输出结果的环境(干扰)变量。实例：图8-4-2 应用声速校正具图12-4-3三点取压测液位图12-4-4 ADC与电桥共用同

14、一电源12.5模拟式仪表实例12.5.1 DDZ-川型仪表简介一、DDZ仪表概述1、仪表类型按信号传输方式划分：电动仪表一一以电量为传输信号的仪表气动仪表一一使用压缩空气来传递信号的仪表 按组成系统的方式划分：基地式仪表、单元组合式仪表组件组装式仪表2、电动单元组合(DDZ仪表DDZ I 型、DDZ H 型、DDZ 川型。二、DDZ-川型系列仪表特点1、采用线性集成电路2、 采用国际标准信号制图12-5-2现场传输信号为420mA直流电流控制室联络信号为15V直流电压3、 集中统一供电统一由电源箱供给各单元24V直流电源4、整套仪表可构成安全火花型防爆系统三、电压一电流变换器图12-5-31、

15、0Umax的单极性输入电压变换成 420 mA的直流输出lout 4mA16mAU max2、一 Umax+ Umax的双极性输入电压变换成420 mA的直流输出1 out12mA16mA2U max12.5.2 MF107型万用电表剖析 结构组成：表头磁电系微安表，测量电路-转换开关-一、直流电流测量电路图 12- 5 - 4作指示用，电阻、电流和电压的测量电路切换测量电路，实现量程和测量种类的切换任务图 12-5-5R决定用阶梯分流器组成多量程电流表。电流表量程由所切换的分流电阻lg(r R) 500mVR二、直流电压的测量电路图 12-5-6是在直流电流测量电路的基础上串联电阻Rx而成。直流电压量程由所切换的串联电阻rRRx 决定Um Igr ImRx Im( Rx) Im(R。氏)式中Ror三、交流电流测量电路图直流电流表头接上整流器而成。 为rRR12-5-7在半波整流的情况下，使表头满偏的交流电流的有效值Ig0.452.22Ig交流电流有效值的测量公式为1 MIgI M2.221 gLxI四、交流电压