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1、第八讲第八讲电力设备传感技术（传感器）电力设备传感技术（传感器）1中国科学技术白皮书中国科学技术白皮书 提高供电可靠性、质量和经济性,建立设备和电网故障诊断和监测系统-改进输电在线监测技术.城市供电技术.2电力监测系统的目的和意义电力监测系统的目的和意义 电力检测系统是对温度、压力、流量、转电力检测系统是对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期的动态速、振动和噪声等多种参数进行长期的动态监测，以便及时发现异常情况，加强故障预监测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的，有助于避免严重防，达到早期诊断的目的，有助于避免严重的突发事故，保证设备和人员的安全，提高的突发
2、事故，保证设备和人员的安全，提高经济效益。经济效益。3电力设备监测技术的发展电力设备监测技术的发展传统电力设备传统电力设备维护手段维护手段采用基于时间采用基于时间的维护策的维护策.（Time-BasedMaintenance,TBM)现代电力设备现代电力设备维护手段维护手段运用状态监测运用状态监测.(Condition-BasedMaintenance,CBM)4基于时间的维护策略：基于时间的维护策略：根据检修时间表或运行时间离线检修设备，根据检修时间表或运行时间离线检修设备，可以防止许多故障，然而在检修间隔期内可以防止许多故障，然而在检修间隔期内仍会发生意外故障。仍会发生意外故障。由于没有设
3、备当前状态的任何信息，维护由于没有设备当前状态的任何信息，维护活动的安排具有盲目性，浪费了大量人力、活动的安排具有盲目性，浪费了大量人力、物力和时间。物力和时间。5状态监测：状态监测：状态监测可以让运行人员了解许多设备的状状态监测可以让运行人员了解许多设备的状态信息，清楚地知道什么时候需要何种维护，态信息，清楚地知道什么时候需要何种维护，从而在确保设备不会意外停机的情况下，减从而在确保设备不会意外停机的情况下，减少人力的消耗。少人力的消耗。借助于状态监测系统提供正确和有用的机器借助于状态监测系统提供正确和有用的机器状态信息，因此状态检测（状态信息，因此状态检测（CBM)将发展成为将发展成为一种
4、最优维护策略。一种最优维护策略。6状态监测的基本概念状态监测的基本概念 状态监测可定义为一种监测机器运行特性状态监测可定义为一种监测机器运行特性的技术或过程，通过提取故障特征信号（故障的技术或过程，通过提取故障特征信号（故障先兆），被监测特性的变化或趋势可用于在严先兆），被监测特性的变化或趋势可用于在严重故障发生前预知维护需要，或者评估机器的重故障发生前预知维护需要，或者评估机器的“健康健康”状况。状况。状态监测是为基于状态的维护状态监测是为基于状态的维护（Condition-BasedMaintenance，CBM）或预知性维护（或预知性维护（PredictiveMaintenance，PM
5、）服务的一种技术。）服务的一种技术。7一个完整的电力监控系统：一个完整的电力监控系统：1.信号检测信号检测2.数据提取数据提取3.故障检测故障检测4.趋势预测趋势预测81.信号检测：信号检测：采用传感器系统把所测得的物理量转采用传感器系统把所测得的物理量转换为电信号。换为电信号。传感器的选择取决于监控方法和设备故传感器的选择取决于监控方法和设备故障机理的有关知识，通常选用的传感器应障机理的有关知识，通常选用的传感器应适于在线测量。适于在线测量。92.数据获取：数据获取：数据获取单元用于对来自传感器的信号数据获取单元用于对来自传感器的信号进行放大和预处理。进行放大和预处理。在这一单元中，需要应用
6、数据通讯技术在这一单元中，需要应用数据通讯技术和微处理器技术。和微处理器技术。103.故障检测：故障检测：故障检测方法：特征提取和模型参考方法。故障检测方法：特征提取和模型参考方法。特征提取绝大多数采用频域和时域信号特征提取绝大多数采用频域和时域信号处理技术来获取能代表正常和故障参数的特处理技术来获取能代表正常和故障参数的特征量。征量。 模型参考方法通过把测量结果和模型（可模型参考方法通过把测量结果和模型（可以是数学仿真模型或是基于人工智能的模型）以是数学仿真模型或是基于人工智能的模型）预测值比较来检测故障。预测值比较来检测故障。114.趋势预测：趋势预测：对检测到的异常信号需要进一步处理并给
7、对检测到的异常信号需要进一步处理并给出明确的维护指示，向用户的提供诊断结果出明确的维护指示，向用户的提供诊断结果（包括故障名称、故障位置、设备状态、维护（包括故障名称、故障位置、设备状态、维护建议等等）。建议等等）。过去故障诊断通常由专家或离线分析来完过去故障诊断通常由专家或离线分析来完成，目前倾向于由计算机在线自动实施。成，目前倾向于由计算机在线自动实施。12传感技术传感技术一、传感技术的概述：一、传感技术的概述：传感技术是利用物理定律和物质的物理、传感技术是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将被测量（电量，如电压、化学或生物特性，将被测量（电量，如电压、电流、电磁等，或非电量，如位
8、移、速度、加电流、电磁等，或非电量，如位移、速度、加速度、力等）信息转换成有用的电信号的技术。速度、力等）信息转换成有用的电信号的技术。13二、传感器的一般组成：二、传感器的一般组成：14三、传感器的定义三、传感器的定义：国家标准国家标准 GB7665-87 GB7665-87 对传感器下的定义是：对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成件组成 ” 。传感器是一种检测装置，能感受到。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测
9、感受到的信息，按一被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。的首要环节。 15四、传感器的分类四、传感器的分类：、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。速度、温度、流量、气体成份等传感器。、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、按传感器工作原理分类，可分为电阻
10、、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（出为开关量（“”和和“”或或“开开”和和“关关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。16五、传感器的材料：五、传感器的材料：1.金属材料金属材料如：铜、铂、镍等如：铜、铂、镍等2.磁性材料磁性材料如：软磁性材料如：软磁性材料,磁记忆材料磁记忆材料,半硬磁材料半硬磁材料,磁磁记录介质和永磁材料记录介质和永磁材
11、料.173.陶瓷材料陶瓷材料利用热敏，气敏，湿敏，光敏，声敏，利用热敏，气敏，湿敏，光敏，声敏，力敏特性。力敏特性。4.有机材料有机材料5.半导体材料半导体材料利用外部对半导体作用导致半导体内电子的利用外部对半导体作用导致半导体内电子的运动状态和数目的变化来进行传感的。这些大小运动状态和数目的变化来进行传感的。这些大小变化可转化成电信号。变化可转化成电信号。18传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性，即输出传感器的基本特性，即输出输入特性。输入特性。传感器所感受（测传感器所感受（测量）的信号：量）的信号：静态信号静态信号静态特性静态特性动态信号动态信号动态特性动态特性1、稳定的，即不
12、随时间变化、稳定的，即不随时间变化或随时间变化及其缓慢，称为或随时间变化及其缓慢，称为静态信号；静态信号；2、不稳定的，即随时间迅速变不稳定的，即随时间迅速变化，称为动态信号。化，称为动态信号。19静态特性静态特性(性能指标性能指标)：传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量
13、作横坐标，把与间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。灵敏度、分辨力和迟滞等。20静态特性静态特性(性能指标性能指标)：1.线性度线性度传感器的线性度是用来表征传感器的输出与传感器的线性度是用来表征传感器的输出与输入之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，输入之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，又称非线性误差。又称非线性误差。2.灵敏度灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下输出增量与输入灵敏度是指传感器在稳
14、态下输出增量与输入变化量之比。变化量之比。21ya)线性传感器线性传感器xxy0xy0y1x1y2x2b)非线性传感器非线性传感器3.重复性重复性表示传感器对输入量按同一方向作全程量表示传感器对输入量按同一方向作全程量多次测试时，所得特性曲线之间不一致的程度。多次测试时，所得特性曲线之间不一致的程度。22Rmax2Rmax1x0yRmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差。传感器的重复性传感器的重复性如果传感器按相同输入如果传感器按相同输入条件测试的输出特性曲条件测试的输出特性曲线越重合，则重复性越线越重合，则重复性越好，误
15、差越小！好，误差越小！230yxHmaxYFS迟滞特性迟滞特性4.迟滞（回差滞环）现象迟滞（回差滞环）现象反应了传感器在正向（输入量增大）行程和反应了传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输入输出曲线不反向（输入量减小）行程期间，输入输出曲线不重合的程度。重合的程度。245.分辨率（力）和阈值分辨率（力）和阈值分辨率是指在规定测量范围内和规定条件下分辨率是指在规定测量范围内和规定条件下所能检测输入量的最小变化值的能力。所能检测输入量的最小变化值的能力。阈值是指能使传感器输出端产生可测变化量阈值是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨率；有的最
16、小被测输入量值，即零点附近的分辨率；有时在零点附近形成死区，此时就将死区大小作为时在零点附近形成死区，此时就将死区大小作为阈值。阈值。256.稳定性稳定性指在室温条件下，经相当长的时间后，传感指在室温条件下，经相当长的时间后，传感器输出与起始标定的输出之间的差异，差异越小，器输出与起始标定的输出之间的差异，差异越小，稳定性越好。稳定性越好。7.准确度准确度准确度又称精度，表示被测量的测量结果与准确度又称精度，表示被测量的测量结果与约定真值之间的一致程度，它是衡量传感器总误约定真值之间的一致程度，它是衡量传感器总误差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，是差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，
17、是测量精密度和正确度的综合。测量精密度和正确度的综合。26动态特性：动态特性：所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。传感器
18、的系，往往知道了前者就能推定后者。传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示27动态特性：动态特性：1.动态特性的数学模型：动态特性的数学模型：a)时域中的微分方程时域中的微分方程:其中x(t)系统的输入； y(t)系统的输出；28b)复频率中的传递函数复频率中的传递函数:c)频率域中的频率特性频率域中的频率特性:对于线性系统的动态响应的研究，最广泛对于线性系统的动态响应的研究，最广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。292.一阶系统的动态响应一阶系统的动态响应对于输入和输出信号为一阶常系数的常对于输入和输
19、出信号为一阶常系数的常微分方程描述的传感器微分方程描述的传感器.3.二阶系统的动态响应二阶系统的动态响应对于输入和输出信号为二阶常系数的常对于输入和输出信号为二阶常系数的常微分方程描述的传感器微分方程描述的传感器.任何高阶系统都可以看作若干个一阶和二阶环任何高阶系统都可以看作若干个一阶和二阶环节的串联或者并联。节的串联或者并联。30电力设备检测用非电量传感器电力设备检测用非电量传感器一、热敏传感器一、热敏传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行检测特性，对温度及与温度有关的参量进行检测的装置。的装置。31热电偶（将温度转换成电
20、势的大小）：热电偶（将温度转换成电势的大小）：利用材料的热电效应（即接触效应和温差效利用材料的热电效应（即接触效应和温差效应）应）主要电极材料：主要电极材料：1）铂铑）铂铑铂铂2）镍铬）镍铬镍硅镍硅3）镍铬）镍铬考铜考铜4）铜）铜康铜康铜1、热电偶与热电阻温度传感器、热电偶与热电阻温度传感器32热电阻（将温度转化为电阻值的大小）：热电阻（将温度转化为电阻值的大小）：利用导体或半导体的电阻值随温度变化的原理利用导体或半导体的电阻值随温度变化的原理进行测量的进行测量的主要电阻材料：主要电阻材料：1）金属热电阻（铂电阻、铜电阻）金属热电阻（铂电阻、铜电阻）2）半导体热电阻）半导体热电阻热敏电阻热敏电
21、阻332、光纤温度传感器、光纤温度传感器工作原理：工作原理：由于温度对光纤的作用，会引起光波特征由于温度对光纤的作用，会引起光波特征参量（振动、相位、频率、偏振态等）发生变参量（振动、相位、频率、偏振态等）发生变化，利用这些参量随外界因素的变化关系，制化，利用这些参量随外界因素的变化关系，制作传感元件来检测对应物理量的变化。作传感元件来检测对应物理量的变化。34结构组成：结构组成：l光导纤维光导纤维l光源（分为相干光源和非相干光源）光源（分为相干光源和非相干光源）l光源光源（作用是把传到接收端的光信号转换成（作用是把传到接收端的光信号转换成电信号，以便作进一步处理）电信号，以便作进一步处理）常
22、用的材料有：光敏二极管、光敏三极管、光常用的材料有：光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。电倍增管等。35分类（按照光纤在传感器中的功能）：分类（按照光纤在传感器中的功能）：传感型光纤传感器（功能型）：传感型光纤传感器（功能型）：利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得到再通过对被调制过的信号进行解调，从而得到被测信号。被测信号。36传光型光纤传感器（非功能型
23、）：传光型光纤传感器（非功能型）：利用其他敏感元件感受被测量的变化，与利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤值作为其它敏感元件组合而成的传感器，光纤值作为光的传输介质。光的传输介质。光纤温度传感器属于功能型光纤传感器光纤温度传感器属于功能型光纤传感器373.红外传感器红外传感器任何温度高于绝对零度的物体，都在不停的任何温度高于绝对零度的物体，都在不停的进行红外辐射。红外传感器是利用红外辐射实现进行红外辐射。红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。相关物理量测量的一种传感器。结构组成：结构组成：光学系统光学系统探测器探测器核心部分核心部分信号调节电
24、路信号调节电路显示单元显示单元38分类（根据红外探测器的工作原理）：分类（根据红外探测器的工作原理）：l热探测器：利用红外线被物体吸收后转热探测器：利用红外线被物体吸收后转化变为热能。化变为热能。l光子探测器：利用红外线入射到某种半光子探测器：利用红外线入射到某种半导体材料上，红外辐射中的光子流与半导导体材料上，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变电子的能体材料中的电子相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象。量状态，引起各种电学现象。39二二.流速和流量传感器流速和流量传感器1、流速传感器、流速传感器流速是描述流动现象的主要参数流速是描述流动现象的主要参数如：测速仪如：
25、测速仪2、流量传感器、流量传感器流量是流速积累效应的参数流量是流速积累效应的参数40三、三、压力、振动与位移传感器压力、振动与位移传感器1.压力传感器压力传感器压力是电力系统中测量参数之一。（分为：压力是电力系统中测量参数之一。（分为：机械式和电气式两类）机械式和电气式两类）2.位移传感器位移传感器电阻式，电容式，电感式位移传感器电阻式，电容式，电感式位移传感器413.振动加速度传感器振动加速度传感器在电力设备检测中，检测设备的振动或在电力设备检测中，检测设备的振动或位移，发电机线棒端部的振动，来判断设备位移，发电机线棒端部的振动，来判断设备是否正常工作。是否正常工作。42电力设备检测用电磁量
26、传感器电力设备检测用电磁量传感器电磁参量是最能反映电力绝缘状态如：电电磁参量是最能反映电力绝缘状态如：电压，电流，电阻，电感，电容等常规量。已压，电流，电阻，电感，电容等常规量。已有了许多基于电磁，磁电，电动。感应，静有了许多基于电磁，磁电，电动。感应，静电等原理的仪表和直流电桥，交流电桥等。电等原理的仪表和直流电桥，交流电桥等。技术也很成熟。技术也很成熟。431、磁敏传感器、磁敏传感器种类很多，最简单的就是线圈。种类很多，最简单的就是线圈。2、光纤电压、光纤电压/电流传感器电流传感器两种方式：两种方式：a)光纤本身的参数随电压和电流变化。光纤本身的参数随电压和电流变化。b)电磁光效应，即光纤
27、的折射率和传输损耗电磁光效应，即光纤的折射率和传输损耗随电压和电流而变化，从而光的相位和振辐随电压和电流而变化，从而光的相位和振辐也发生变化。也发生变化。443.高频电流传感器高频电流传感器在高电压测量中，特别是在测量冲击信号在高电压测量中，特别是在测量冲击信号或局部放电产生的高频信号时，经常需要用到或局部放电产生的高频信号时，经常需要用到高频电流传感器。高频电流传感器。目前常见的高频电流传感主要有高频变流目前常见的高频电流传感主要有高频变流器和罗柯夫斯基线圈。器和罗柯夫斯基线圈。4.超宽频带局部放电传感器超宽频带局部放电传感器45电力设备检测用化学量传感器电力设备检测用化学量传感器（主要用于
28、电力设备中的浸油设备和气体绝缘设（主要用于电力设备中的浸油设备和气体绝缘设备的绝缘状况进行监测。）备的绝缘状况进行监测。）常用传感器为：常用传感器为：气敏传感器气敏传感器湿敏传感器湿敏传感器46一、气敏传感器一、气敏传感器气敏传感器就是能够感气敏传感器就是能够感知环境中气体成分及其浓度知环境中气体成分及其浓度的一种敏感器件，它将气体的一种敏感器件，它将气体的种类及其浓度有关的信息的种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在的情况有气体在环境中存在的情况有关的信息。关的信息。47二、湿敏传感器二、湿敏传感
29、器湿敏传感器是能感受外界湿度变化，并湿敏传感器是能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度换成可用信号的器件或装置。度换成可用信号的器件或装置。48传感技术的发展趋势传感技术的发展趋势提高和改善传感器的技术性能提高和改善传感器的技术性能（如采用补偿和修正技术，采用适当的方法对（如采用补偿和修正技术，采用适当的方法对测量的误差进行补偿或修正；屏蔽、隔离与干测量的误差进行补偿或修正；屏蔽、隔离与干扰抑制，设法减弱或消除外界因素对传感器的扰抑制，设法减弱或消除外界因素对传感器的影响等）影响等）开展基础理论研究开展基础理论研究（寻找新原理；开发新材料；探索新功能等）（寻找新原理；开发新材料；探索新功能等）49传感器的集成化传感器的集成化（将有同样功能的传感器集成化或是将不同功能（将有同样功能的传感器集成化或是将不同功能的传感器集成化）的传感器集成化）传感器的智能化（智能电网发展对传感器的要传感器的智能化（智能电网发展对传感器的要求）求）（将传感器与微处理器结合，使其不仅具有检测（将传感器与微处理器结合，使其不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断以及功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断以及“思维思维”等人工智能）等人工智能）50谢谢谢！谢！51
