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1、电气工程概论辅导资料十六主 题：第五章 电气测量技术（第 2-3 节）学习时间：2018 年 1 月 15 日-1 月 21 日内 容：我们这周主要学习第五章的传感器技术和高电压大电流测量技术。第五章 电气测量技术第二节 传感器技术传感器是一种能够感受到规定的被测量，并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或装置，即是一种以一定的精度把被测量转换为与这有确定对应关系的、便于应用的物理量的测量装置。非电量测量的关键技术就是如何将非电量转换成电量的技术传感器技术。1 电阻式传感器电阻式传感器是指将有关非电量变换成与电阻阻值有关的电量传感器。它包括线性电位器传感器、非线性电位器传感器、电阻应变传感器
2、、压力传感器和金属电阻传感器。电阻应变式传感器是利用元件的电阻随着机械形变的大小而变化，其电阻应变片是用直径为 0.025mm 的具有高电阻率的金属电阻丝制成，如下图所示。图中， l 为应变片的标距或称为工作基长，b 称为应变片的工作宽度。应变片的转换原理是金属电阻的应变效应。所谓应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。 式中：k 为应变灵敏系数，其物理意义为单位应变引起的电阻的相对变化。对于金属来说， 变化较小，其灵敏系数主要取决于 项。由以上讨/d )2(1论可知，在机械力的作用下，金属电阻丝的电阻相对变化值与受力后的金属丝几何尺寸的变化有关，也与电阻丝的电阻率的变化有
3、关。 这种电阻应变传感器的特点是精度高，测量范围广；结构简单，性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境下工作。目前这种传感器被广泛的应用于测量力和与力有关的非电量测量。2 电容式传感器电容式传感器利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，从而实现非电量到电量的转化和测量。电容式传感器的基本工作原理是通过改变电容器的参数，从而实现电容量的改变。根据改变的量的不同可以分为变间隙型、变面积型和变介电常数型。3 气敏传感器气敏传感器利用了气体的某些物理化学性质，将被测气体的某些特定成分转换成便于测量的电信号。气敏传感器具有测量范围宽、精确度高、灵敏度高、工作可靠、体积
4、小，成本低等一系列特点，它广泛地应用于工业、农业、国防、环保、医疗等各个领域中。气敏传感器和种类繁多，就其检测方法来分，可分为半导体式、催化还原式、红外吸收式等。4 超声波式传感器超声波是一种机械波，具有穿透能力强、方向性好、定向传播等特点。超声波在传播中通过两种不同的介质时，会产生折射和反射现象，其频率越高，反射和折射的特性愈与光波的特性相似。超声波在同一介质内传播时，随着传播距离的增加，其强度会减弱。超声波主要用于固体和液体中有关参数的测量。5 红外式传感器红外式传感器通过检测红外线特征的变化，并转换成各种便于测量的物理量，可以测量各种非电量。目前，将红外线转换成便于测量的红外敏感元件，可
5、分为两类，红外热探测器和红外光电探测器。6 光电式传感器光电式传感器通常是指对光能量敏感，并将光信号转换成电信号的传感器。当光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象，称为光电效应。光电效应分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应。7 变送器变送器将各种物理量转换成统一的标准信号。变送器种类繁多，但按其应用场合可以分为电量变送器和非电量变送器两大类，常用的电量变送器有电压、电流、功率等变送器，而常用的非电量变送器有温度、压力、流量等变送器。1） 交流电流、电压变送器交流电流、电压变送器可将被测交流电流或交流电压变换为与其成线性比例的直流电流或直流电压。2） 温度变送器、温度变送
6、器分为气动和电动两种。3） 压力变送器压力变送器分为力平衡式、位移式两类压力变送器。力平衡式压力变送器是采用力平衡原理，通过深度负反馈将弹性元件测压产生的力矩与输出信号的反馈力矩相平衡，有效地减小温度变化、弹性滞后及变形非线性的影响，提高了测量精度。位移式压力变送器是将弹性测压元件的位移变换为电感、电容、电阻等电量，再经测量桥路、放大电路转换为最后的输出压力值。位移式压力变送器的精度远超过力平衡式压力变送器，而且结构简单、运行可靠且维护方便。第三节 高电压大电流的测量技术为了检测电气设备对某些高电压大电流的耐受能力，常在实验室里进行模拟实验，为此介绍某些高电压大电流的检测方法。1稳态高电压的测
7、量稳态高电压，主要是指工频交流高电压和直流高电压，测量高电压的难度在于测量时往往有泄漏的影响、电晕的影响，在交流电压下还有杂散参数的影响。电压高达数兆伏时，难度更大。在高压实验室中测量交流高电压的方法很多，目前常用的有下列几种：1）利用气体放电测量交流高电压；2）利用静电力测量交流高电压；3）采用电容分压器系统来测量交流高电压。以上前两种均可用来直接测量稳态高电压，即交流高电压和直流高电压。另外采用电阻分压器系统也可测量直流高电压。各种测量仪表的量程是有限度的，常常通过分压器来扩大仪表的量程，即让被测电压的大部分电压降降落在分压器的高压臂上，测量仪表测得的仅是低压臂上的电压降，再乘上分压比即可
8、得被测电压。（1）球隙测量法球隙测量法是利用有一定气隙的两金属球产生放电时，气隙距离与放电电压之间的关系来测量电压的，主要用于交流电压、标准全波冲击电压和直流电压的测量。因球隙放电与电压峰值相关的，所以测量的是电压的峰值。测量球隙作为一种高电压测量方法的优点是：可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接测量超高电压的唯一设备；结构简单，容易自制或购买，不易损坏；有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时的不确定度可在 3%以内。但此测量方法也有许多缺点： 测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态，可能引起过电压；测量较费时间。除了因为要通过多次放电进行测量外，施压过程也不能太快。开始应施加相
9、当低幅值的电压，不致因开关操作瞬间产生球隙放电，然后要缓慢升压，以使在球隙放电瞬间低压侧仪表能够准确地读数；实际使用中，测量稳态电压要进行多次放电，测量冲击电压要用 50放电电压法，比较麻烦；要校正大气条件；被测电压越高，球径越大，不仅本身越来越笨重，而且影响试验室的建筑尺寸。（2）静电电压表通过测量此静电力的大小或是由此静电力产生的某一极板的偏移（或偏转）来反映所加电压大小的表计称为静电电压表。静电电压表可以用来测量低电压，也可用它直接测量高电压。静电电压表有两种类型：一种是绝对仪静电电压表；另一种是工程上应用的静电电压表，是非绝对仪。所谓绝对仪静电电压表是指，当电极 S 已知的条件下，测量
10、电极之间的作用力 f 以及极间距 l，由此而计算出电极间所施加的被测电压的一种精密而复杂的静电电压表。因为可以计算出被测电压，所以不需要其他测量电压的仪表来为之校定和刻出其电压刻度。工程上所应用的静电电压表是非绝对仪，它需要用别的测量仪表来校正和刻出它的电压刻度。静电电压表的优点是它基本上不从电路里吸取功率，或是只吸取极小量的无功功率，用以建立极板中的电场和极板对地的杂散电场。由于仪表极板的电容一般仅为几个到几十个皮法拉，所以所吸收的功率极小，可以认为静电电压表的内阻抗极大，这是它的最大优点。普通高压静电电压表在使用时应注意高压源及引线对表的电场影响，引线应水平地从接地极板后侧引入。高压静电电
11、压表不像低压表那样四周被封闭起来，所以不宜用于有风的环境中，否则活动电极会被风吹动，造成光标指示摇晃而形成测量误差。（3）电容分压器当电压极高难以用其他仪器及方式测量时，可采用电容分压器把极高电压分压，取其中一小部分测量即可。电容分压器可使用于几千伏甚至 3MV 的交流高电压的广泛范围之内。电容分压器有两种主要形式，一种称为分布式电容分压器，它的高压臂由多个电容元件串联组成；另一种称为集中式电容分压器，它的高压臂使用的是一个气体介质的高压标准电容器。2冲击电压的测量在冲击高压试验中，试验波形调好之后，使用峰值电压表直接读出冲击电压的峰值，可大大简化测量过程。但是，被测电压的波形必须是平滑上升的
12、，否则就会产生误差。一般情况下，峰值表多与示波器并联使用以监视被测波形。和示波器一样，峰值表的测量误差应不大于 2，如果保持读数在满刻度的 50以上，则满刻度的误差应不大于 1。冲击峰值电压表可测出冲击电压的峰值，电阻分压器测量系统可测出交、直流高电压及冲击电压，数字存储示波器用以测量各种瞬态过程。如爆炸、冲击、振动、电磁脉冲等。3冲击电流的测量冲击电流的测量包括幅值的确定和波形的确定。按现行试验标准，要求幅值的测量误差在3%以内，波形时间的测量误差在10%以内。冲击电流的幅值一般在几十千安到几百千安，波头长度一般为几个微秒，最陡的波可达纳秒级，但要准确测定这样的冲击电流还是有不少困难的。目前
13、最常用的方法是靠分流器和示波器来测定冲击电流的幅值和波形。本周要求掌握的内容如下：本周通过学习要了解掌握传感器技术、高电压大电流测量技术。习题（一）填空题1.非电量测量的关键技术就是如何将非电量转换成电量的技术（ ） 。答案：传感技术2 （ ）利用了气体的某些物理化学性质，将被测气体的某些特定成分转换成便于测量的电信号。答案：气敏式传感器3超声波在同一介质内传播时，随着传播距离的增加，其强度会（ ） 。答案：减弱（二）判断题1球隙测量法主要用于交流电压、标准全波冲击电压和直流电压的测量。因球隙放电与电压峰值相关的，所以测量的是电压的峰值。 （正确）2电阻分压器可用于测量交流高电压、直流高电压和冲击电压。 （正确）（三）简答题1简述常用的传感器技术。答：（1）电阻式传感器（2）电容式传感器（3）气敏传感器（4）超声波式传感器（5）红外式传感器（6）光电式传感器（7）变送器2简述稳态高电压的测量方法。答：（1）球隙测量法（2）静电电压表测量法（3）电容分压器测量法
