测量和数据采集系统

1第7章

测量和数据采集系统7.1电量测量7.2非电量电测法和数据采集系统的组成7.3传感器7.4有源滤波和测量放大电路7.5模拟开关和取样—保持电路7.6数—模（D/A）转换器7.7模—数（A/D）转换器8.7非电量测量系统举例主要内容27.1电量测量主要内容7.1.1常用电工测量仪表的分类7.1.2测量误差和仪表准确度7.1.3电流、电压、功率和电能的测量3电工测量仪表按测量方法分为：直读式和比较式7.1.1

常用电工测量仪表的分类直读式：它能直接指示被测量的大小。模拟式：用指针在刻度盘上指示出被测量的数值，指示值可随被测量的改变而连续地变化。数字式：将被测模拟量先转换为数字量，用离散的数字来显示被测量的大小，可消除人为的读数误差。直读式仪表按被测量的不同分为：电流表、电压表、功率表、瓦时计（电能表）、频率计、电阻表、功率因数表等。按工作原理不同可分为：磁电式、电磁式、电动式等。按电流种类分为：直流表、交流表、交直流两用表。按显示方式分为模拟式和数字式。4电工测量仪表按测量方法分为：直读式和比较式7.1.1

常用电工测量仪表的分类常用的比较仪表有：直流电桥、直流电位差计、交流电桥等。比较式仪表：将被测量和已知的标准量进行比较，从而确定被测量的数值。特点是：测量准确，但价格较贵，使用较繁。5电工测量仪表上的符号及意义7.1.1

常用电工测量仪表的分类符号意义−直流仪表∽交流仪表−∽交直仪表1.5准确度等级1.5级绝缘强度试验电压为2kV⊥或↑仪表直立放置或→仪表水平放置工作环境等级:A—温度0℃—+40℃，相对湿度80%以下B—温度为-20℃—+50℃，相对湿度85%以下C—温度-40℃—+60℃，相对湿度98%以下22kV或BC67.1.2

测量误差和仪表准确度1、误差：用于反映仪表的测量值与被测量的实际值之间的差别。附加误差：因外界因素不符合仪表的规定工作条件引起的误差。如环境温度与湿度、仪表安放位置、周围外磁场等不符合规定的要求。（由人为因素决定）2、误差分为：基本误差和附加误差。基本误差：由仪表构造和制作上的不完善所引起的误差。如磁场分布不理想、轴和轴承间的摩擦、弹簧变形、零件安装移位、标尺刻度不准确等。（由仪表本身决定）77.1.2

测量误差和仪表准确度绝对误差ΔA：仪表的指示值Ax与被测量实际值A0之间的差值。即3、误差的表示方法：绝对误差和相对误差。相对误差：绝对误差ΔA与被测量的实际值A0的比值，通常用百分数表示。即注意：相对误差可以用来评价测量结果的准确程度，但不能反映仪表的准确程度。反映仪表的准确程度的量是：准确度等级（精度等级）87.1.2

测量误差和仪表准确度4、准确度等级（精度等级）最大相对额定误差：在规定工作条件下进行测量时可能产生的最大绝对误差ΔAm与仪表的量程(满标值)Am之比的百分数。即仪表的准确度（精度等级）：将仪表的相对额定误差分成不同的级别。我国直读式仪表的准确度分为七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0精密测量或校验用工程测量用最大相对额定误差又称为最大引用误差97.1.2

测量误差和仪表准确度不同精度等级仪表的最大基本误差[例题7.1.1]若选用1.0级量程为10A的电流表,分别测量2A和8A的电流,求两次测量的最大相对误差.仪表的准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差%±0.1±0.2±0.5±1.0±1.5±2.5±5.0解:测量2A电流的最大相对误差测量8A电流的最大相对误差可见:同一仪表，测量值较小时,相对误差大;而测量值较大时,相对误差小。因此，一般应使被测值超过仪表量程的一半。107.1.2

测量误差和仪表准确度[例题]有一量程为200V,精度为1.0级的电压表,试问：(1)该表测量过程中,产生的最大绝对误差是多少？(2)若用它测量50V的电压,这时的最大相对误差是多少；(3)若用同样量程的电压表测量100V的电压,要求测量相对误差不得大于1.5%，应选精度等级为多少的电压表？解:(1)该表的最大绝对误差(2)测量50V电压时的最大相对误差(3)测100V、相对误差不大于1.5%时,最大绝对误差为:最大绝对误差为±1.5V,量程为200V时,仪表精度应为:故应选精度等级为0.5、量程为200V的电压表。117.1.3

电流、电压、功率和电能的测量一、磁电式仪表结构及工作原理结构：结构如图，由永久磁铁、可动线圈、指针、刻度盘等组成。特点:灵敏度和准确度高、标尺刻度均匀；过载能力较弱。用于测量直流电压和直流电流工作原理结构图工作原理：在永久磁铁产生的磁场中，当线圈中有电流流过时，线圈的两边受到大小相等、方向相反的电磁力F，使线圈偏转，并带动指针偏转，其偏转角与该电流成正比。电流入电流出127.1.3

电流、电压、功率和电能的测量

二、电磁式仪表结构及工作原理工作原理：当线圈中有电流时，产生的磁场使两铁片磁化，两铁片磁化的极性相同，从而相互推斥，使可动铁片受到斥力，带动仪表指针偏转。特点:结构简单、具有较大的过载能力；当线圈中电流为交流时，两铁片的极性同时改变，仍然产生斥力，所以可测直流，也可测交流。缺点：因偏转角与电流的平方成正比，所以刻度不均匀；易受外界磁场影响，准确度不高。结构图结构：结构如图，由固定线圈、固定铁片、可动铁片、阻尼机构等组成。137.1.3

电流、电压、功率和电能的测量三、电动式仪表结构及工作原理工作原理：当固定线圈通有电流时，产生磁场，若可动线圈中也通有电流时，可动线圈的两边受到大小相等、方向相反的电磁力F，使线圈偏转，并带动指针偏转，其偏转角与两个线圈电流的乘积成正比，当通过的是交流电时，偏转角还与两个电流的相位差有关。特点:准确度较高、但受外界磁场的影响较大。用于测量交直流电压、电流、功率结构图结构：结构如图，由固定线圈、可动线圈、指针、显示盘等组成。147.1.3

电流、电压、功率和电能的测量1.电流和电压的测量直流电流和电压的测量常用磁电式仪表交流电流和电压的测量常用电磁式仪表测量时应选择合适的仪表和量程；测量直流大电流（103-104A）时，选用霍尔效应大电流测量仪表；测量交流大电流时要用电流互感器；测量交流高电压时要用电压互感器；测量微电流和电压时常采用精密放大器将它们放大后再测量。

测量电流时，电流表应串联在电路中，电流表的内阻必须很小。测量电路如图

测量电压时，电压表应和电路中所测部位相并联，电压表的内阻必须很大。测量电路如图AV注意：157.1.3

电流、电压、功率和电能的测量2.功率的测量功率测量分为：间接测量法和直接测量法间接测量法：用电压表测电压为U，用电流表测电流为I，用功率因数表测功率因数为cosφ，则直接测量法：用功率表测量；它是电动式仪表,固定线圈用较粗的导线绕成,匝数少,与负载串联,反映负载电流的大小,称为电流线圈；可动线圈用较细的导线绕成,匝数多,串联附加电阻后与负载并联,反映电压的大小,称为电压线圈。接线如图注意：＊同名端，它们应接在电源的同一侧，若接反指针会反向偏转；R为附加电阻。直流时交流时+uI＊U＊-R负载167.1.3

电流、电压、功率和电能的测量3.电能的测量电能的测量：常用感应式或电子式电度表测量感应式电度表：基本原理是：把电压、电流、相位转变为磁力矩,推动铝制圆盘转动,转矩与负载消耗功率UIcosφ成正比；铝盘转动时受到永久磁铁的制动作用,制动力矩正比于铝盘的转速；当旋转力矩与制动力矩相平衡时,铝盘转速正比于负载功率；铝转盘带动计数器计数,计数器的指示值就是所消耗的电能。结构原理特点：结构简单直观，价廉可靠，停电时不丢失数据。但精度低，自身能耗大，防窃电能力弱，且不易管理。177.1.3

电流、电压、功率和电能的测量3.电能的测量电子式电度表：运用模拟或数字电路得到电流和电压相量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能。测量由电子模块来完成，计算结果由软件实现。特点：防窃电能力强,计量精度高,自身功耗低,计量参数灵活性好,可与计算机连网,实现远距离记录。电度表有：单相电度表、三相电度表。电度表接线方法如图+-ui接线端电流线圈电压线圈电源187.2非电量电测法和

数据采集系统的组成主要内容一、非电量的电测法二、数据采集系统的组成197.2.1

非电量的电测法非电量的电测法：把非电量（如温度、湿度、压力、速度等）通过传感器，将其变换成电量再进行测量。示意图非电量信号传感器信号处理模拟显示A/D转换数字显示计算机电压、电流频率等信号模数转换电路207.2.2

数据采集系统组成数据采集系统组成示意图（多输入、多参量系统）模拟信号1传感器1A/D转换微机系统滤波放大1S/H1模拟信号2传感器2滤波放大2S/H2模拟信号n传感器n滤波放大nS/Hn取样—保持（S/H）控制开关选通控制多路转换开关············采样保持电路显示记录存储217.3传感器主要内容一、传感器概述二、湿度传感器三、力传感器四、热释电红外线传感器五、气体传感器六、霍尔传感器22传感器的基本概念传感器：以测量为目的，能够感受规定的被测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器分类：按被测对象的参数分：温度、湿度、压力、位移、流量、液位、力、力矩、速度、加速度、振动、位置等传感器。精度高、可靠性好、稳定性强、抗干扰能力强、线性好。按变换原理分：电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、光栅式、热电式、红外线、光纤、超声波、激光等传感器。新型传感器：数字式传感器、非接触式传感器、仿生传感器。测量对传感器的基本要求：237.3.1

温度传感器常用的有：热电阻、热电偶、集成温度传感器1.热电阻传感器(分为金属热电阻、半导体热电阻)基本原理：利用电阻阻值随温度变化而变化的原理来测量温度。②铜电阻：测量范围-50℃—150℃（1）金属热电阻（铂电阻、铜电阻、镍电阻）其中:RT为温度为t时的电阻值；R0是温度为0℃时的电阻值；A=3.9×410-3/℃；B=-5.8×10-7/(℃)2①铂电阻：测量范围-200℃—660℃阻值与温度之间关系：常用的铂电阻有：Pt100、Pt50、Pt10三种，R0分别为100Ω、50Ω、10Ω阻值与温度之间关系：常用的铂电阻有：Cu100、Cu50两种，R0分别为100Ω、50Ω温度系数α为247.3.1

温度传感器1.热电阻传感器(分为金属热电阻、半导体热电阻)②负温度系数（NTC）：（2）半导体热电阻（热敏电阻，由单晶、多晶半导体材料制作）常用钛酸钡（BaTiO3），锶（Sr），锆（Zr）等材料制作。当温度升高时电阻值增大。①正温度系数（PTC）：半导体热电阻的特点：对温度反映较敏感、体积小、响应快；电阻值随温度呈非线性变化，稳定性及互换性差，不能用于高温条件下。常用锰(Mn)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，铝(AI)等金属的氧化物采用陶瓷工艺制成。当温升高时电阻值减小。257.3.1

温度传感器2.热电阻传感器测量温度电路原理铂电阻两端电压铂电阻++-A0ISUXRTθ放大和显示恒流源测量电路跟随器原理：当温度变化时，热敏电阻阻值随之变化，UX与温度一一对应，经跟随器隔离后再经放大，最后用显示器显示出对应的温度。267.3.2

力传感器1.半导体应变片式力传感器结构半导体应变片结构图胶膜衬底硅条内引线焊接电极外引线2.应变效应当电阻体的尺寸发生变化时，阻值随之变化的现象称为应变效应。3.应变片的灵敏系数k设应变片的电阻长度为l，阻值为R，当长度改变Δl时，电阻值变化ΔR，则有k称为应变片的灵敏系数，半导体应变片的灵敏系数在100—150之间。或

277.3.2

力传感器4.半导体应变片测力原理应变片测力原理图支架构件将半导体应变片粘贴在被测构件的表面，当构件受力变形时，应变片同时变形，阻值发生变化，测出阻值就能反映力的大小。原理：在应变片未受力时,ΔR＝0,电桥平衡,输出电压U＝0。当应变片受力时,应变片将力的变化转换成电阻的变化,电桥将电阻的变化转换成电压的变化,通过放大显示电路显示出力的大小。实际中，ΔR<<R，输出电压U为：应变片5.应变测量电路FRRRR+ΔRR1USU+-+-放大显示R为固定电阻R1为应变片电阻输出电压U为：287.3.3

热释电红外线传感器1.热释电红外线传感器(PIR)菲涅尔透镜结构：由传感探测元件、干涉滤光片、场效晶体管三部分组成。RGESUDDD+-+-PIR+-G信号处理电路滤光片双探测元件探测元件：由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷或钽酸锂、硫酸三甘铁等晶体制作。热释电效应：即其受热产生温度变化时，其原子排列发生变化，晶体自然极化，在其表面产生电荷。PIR工作原理：探测元件受热后表面产生电荷，该电荷由场效晶体管构成的源极跟随器放大，由源极输出信号。297.3.3

热释电红外线传感器2.PIR的应用菲涅尔透镜由PIR构成的报警系统结构图PIR探测元件波长灵敏度在0.2—20μm范围。人体辐射的红外线中心波长为9—10μm范围。用于人体红外探测时，选择通过光的波长范围为7—10μm的滤光片。利用菲涅尔透镜，将热释的红外线信号聚焦到PIR上，提高灵敏度。用红外线热释电处理芯片(如BISS0001)进行信号处理，电路简单可靠。光学系统(菲涅尔透镜)待测目标热释电红外线传感器信号处理报警电路说明:307.3.3

热释电红外线传感器3.热释电红外线传感器应用电路红外自动干手机红外感应探头光电耦合器（开关）317.3.3

热释电红外线传感器SIB0001内部电路4.红外线热释电处理芯片BISS0001引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1--输出延迟时间Tx的调节端4RC1--输出延迟时间Tx的调节端5RC2--触发封锁时间Ti的调节端6RR2--触发封锁时间Ti的调节端7VSS--工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当Vc<VR时禁止触发；当Vc>VR时允许触发(VR≈0.2VDD)10IB--运算放大器偏置电流设置端11VDD--工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统327.3.3

热释电红外线传感器

图中R6可以调节放大器增益的大小，可以提高电路增益改善电路性能。5.红外线热释电处理芯片BISS001应用电路

图中,R3为光敏电阻,检测环境照度。当作为照明控制时,若环境较明亮,R3的电阻值会降低,使9脚的输入保持为低电平,从而封锁触发信号Vs。

SW1是工作方式选择开关,当SW1与1(上)端连通时,芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2(下)端连通时,芯片则处于不可重复触发工作方式。

输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1μF。337.3.4

气体传感器1.主要用途：检测气体类别、浓度、成份，常用于环境监测、安全预警系统中。2.分类：按气敏材料及特性分为：半导体式、固体电解式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。3.半导体气敏传感器：是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化而制成。

半导体气敏电阻在常温下吸附气体，电导率变化不大，所以，气敏元件使用时要加热。加热方式有直热式和旁热式两种。

有：氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO2)、三氧化铁(Fe2O3)等。

它们对可燃气体（甲烷、液化石油气、煤气等）、有毒气体（一氧化碳、硫化氢、氨气等）、环境气体（氧气、二氧化碳、水蒸汽等）、酒精、烟气均有气敏效应。347.3.4

气体传感器4.旁热式气敏器件结构及工作原理：如图1(2)端和3(4)端为测量电极；5、6端为加热丝；当气体浓度增加时，气敏元件阻值减小，根据阻值的不同，可得到气体浓度的高低。旁热式消耗功率小，性能稳定，安全可靠，应用广泛。气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂，可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。特点：工作原理：357.3.4

气体传感器5.旁热式气敏器件应用：家用可燃气体报警器电路∽220VRBZ123456氖管蜂鸣器气体传感器

MQ—2广谱型气敏元件,MQ—3型(酒精),MQ—4型(天然气),MQ—5型(煤气),MQ—6型(液化气),MQ—7型(一氧化碳),MQ—8型(氢气),MQ—135型(甲醛)3,MQ—214型(烟雾两个引脚),MQA137氨气,MQA138甲醛,MGA811二氧化碳固体电解质式,MC110(用于煤气报警器),MC112(适用于固定式甲烷),MC113用便携式瓦斯检测议,ME2—02检测氧气,ME3—CO检测一氧化碳,ME3—CO检测一氧化碳工作原理：随着可燃气体浓度增加，气敏元件阻值减小，当阻值减小到一定值时，蜂鸣器工作发出报警信号。367.3.5

霍尔传感器1.霍尔效应：在半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电位差，此现象称为霍尔效应。IdBE+-式中：I为通过的电流，B为磁感应强度，d为薄片厚度，K为霍尔系数。

霍尔效应是美国物理学家霍尔(A.H.Hall,1855-1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导体等也有这种效应，半导体的霍尔效应比金属强的多。此电位差称为霍尔电势，大小为：377.3.5

霍尔传感器2.霍尔元件及器件：霍尔元件是由半导体材料锑化铟或硅的薄片制成。将霍尔元件、放大电路、温度补偿电路及稳压电路集成在一个芯片上，构成了霍尔器件。

它是一种集成电路，又是一种磁敏感传感器，如图。霍尔传感器的种类：电流、电压、功率、位置、转速、转角、力、力矩等传感器。用于测量各种模拟量，也有很多开关量传感器。霍尔器件常用于：无刷直流电机、电动车助力传感器、汽车里程表、转速表、点火器、热水器、电动滑板车、电动缝纫机、电脑绣花机、空调风机、空调轴流风扇、全自动麻将机、安全报警装置、测量设备、仪器仪表。

387.3.5

霍尔传感器适当选取电路参数，可直接读出电流的大小。主电路与测量显示电路相隔离，使用方便。既可测量直流，也可测量交流。特点：3.霍尔器件应用：电流测量原理V1234ixI通电导线导线电流产生的磁通平行于导线的霍尔片通过霍尔片的恒定电流由霍尔效应产生的与ix成比例的霍尔电势E被测电流397.3.5

霍尔传感器A44E123RUCC计数器或频率计光电耦合器3.霍尔器件应用：测量转速原理旋转体磁条集成霍尔开关元件+12V2kΩ123集成霍尔开关S引脚1为电源端引脚2为地端引脚3为输出端A44E407.4有源滤波和测量放大器主要内容7.4.1有源滤波电路7.4.2测量放大电路417.4.1

有源滤波电路滤波电路：允许某一频率范围内的信号顺利通过，抑制此频率范围以外的其它频率信号的电路，称为滤波电路。（1）按通过或抑制的信号频率范围分为：低通、高通、带宽、带阻滤波电路。

有源滤波电路特点：具有放大作用，通过运放使输入与负载隔离，带负载能力强。滤波电路的分类：（2）按滤波元件性质分：无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波电路由无源元件R、L、C构成；有源滤波电路由含有晶体管或集成运放等有源元件构成。|A||A||A||A|ffff低通高通带宽带阻427.4.1

有源滤波电路一.低通有源滤波电路：1.电路结构：RC构成一阶滤波环节-+A0+uiuoRfR1RC2.输出与输入关系式中：3.电路的频率特性：即和之比称为电路的频率特性，为幅频特性：相频特性：为放大倍数为特征(截止)角频率437.4.1

有源滤波电路一.低通有源滤波电路：5.低通滤波器特点|H(jω)|4.电路的频率特性曲线：当相频特性曲线时,0.707Afωcωφ(ω)ωcω幅频特性曲线低于截止频的信号可以通过。高于截止频率的信号衰减很大，不能通过。通带阻带00-+A0+uiuoRfR1RC447.4.1

有源滤波电路二.高通有源滤波电路：-+A0+uiuoRfR1RC2.高通滤波器特点|H(jω)|1.电路的频率特性：相频特性曲线0.707Afωcωφ(ω)ωcω幅频特性曲线高于截止频的信号可以通过。低于截止频率的信号衰减很大，不能通过。通带阻带00幅频特性相频特性Af457.4.2

测量放大电路1.集成运放构成的测量放大电路：电路如图-+A0+ui1uoR2ipRp特点：由理想集成运放特点得：放大倍数为-+A