模擬式檢測(cè)儀表設(shè)計(jì)及實(shí)例

1、式中Ig為指針滿偏max時(shí)動(dòng)圈電流值。第1 2章模擬式檢測(cè)儀表設(shè)計(jì)及實(shí)例模擬式檢測(cè)儀表基本組成12.1“表頭”的原理與刻度12.1.1 “表頭”的原理一、“表頭”的結(jié)構(gòu)一一動(dòng)圈式磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)（最常見(jiàn)） 組成結(jié)構(gòu)如圖12-1-1所示：永久磁鐵 彈性支承 動(dòng)圈及指針、動(dòng)圈所受力矩:1、電磁力矩 Me bF bNLBioi， o是穿過(guò)動(dòng)圈的磁鏈。0 NbLB、彈性力矩M kk , k是彈性支承的彈性系數(shù)；B是動(dòng)圈的轉(zhuǎn)角。pl3 、阻尼力矩Md D , D是阻尼系數(shù)dt三、動(dòng)圈的運(yùn)動(dòng)方程：1、動(dòng)態(tài)方程:M e驅(qū)使動(dòng)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，而MdMk則阻止動(dòng)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，因此根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定律有:dt式中J動(dòng)圈和與其固定連接的動(dòng)

2、圈框架及筆尖或指針構(gòu)成的慣性體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。dt2該慣性體的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度。將M e、Md、M k代入上式得動(dòng)圈的動(dòng)態(tài)方程:d2dJD k 0idt2dt2、靜態(tài)方程：若信號(hào)電流為直流I，在達(dá)到穩(wěn)定之后，上式左邊前兩項(xiàng)均為零，于是有:-ISlk這就是動(dòng)圈的靜態(tài)方程。式中S）稱(chēng)為動(dòng)圈式磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)的靜態(tài)靈敏度,S。max“表頭”的靈敏度 S。與動(dòng)圈的滿偏電流Ig的倒數(shù)一一“Q /V”數(shù)成正比。四、直流電流表和直流電壓表圖12-1-21、直流電流表一一由動(dòng)圈（內(nèi)阻為 r）并聯(lián)分流電阻 R構(gòu)成，電流表量程Im為1 m 1 g （1）R直流電流Ix與指針偏角成線性正比關(guān)系：maxIxS0 I gIxSo

3、R IR r2、直流電壓表一一由動(dòng)圈串聯(lián)分壓電阻R構(gòu)成，電壓表的量程 um為Um Ig(r R)UmmxUxS0IgUxUmRS0rUx池12.1.2 “表頭”的刻度刻度（標(biāo)定）：給儀表輸入標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)量x,在表頭指針的偏轉(zhuǎn)處刻上被測(cè)量的數(shù)字一、線性刻度-一適用于線性檢測(cè)儀表直流電壓U X與指針偏角 成線性正比關(guān)系:X。SiXxSS Sx KS1SoSxKUi xSx Ux UiK3Ux1、刻度方程:2、量程上限值為xmaxUmKSxIg(R r)KSx3、儀表的標(biāo)定:1)兩點(diǎn)標(biāo)定(單極性 X) : (0, 0) , ( max,Xmax)xmax2)三點(diǎn)標(biāo)定(雙極性X) : (0, 0),(

4、max , X max ),(、非線性刻度一一適用于非線性檢測(cè)儀表1、非線性的產(chǎn)生：由于傳感器存在非線性，而測(cè)量電路中又沒(méi)有加入非線性校正電路，使測(cè)量電路輸出電壓 Ux與被測(cè)量x呈非線性函數(shù)關(guān)系:Ux f(x)2、刻度方程非線性刻度:SoR rf (x)3、儀表標(biāo)定:1)多點(diǎn)標(biāo)定。(xi, i), i 1,2, n,標(biāo)定點(diǎn)n越多，刻度越精密。2)直線擬合。若f(x)的非線性不太嚴(yán)重，可按最佳的擬合直線刻度。12.2調(diào)零、調(diào)滿度與量程切換12.2.1零點(diǎn)和靈敏度漂移產(chǎn)生的誤差： 檢測(cè)儀表標(biāo)定時(shí)的輸入一一輸出關(guān)系S x式中，S儀表的標(biāo)稱(chēng)靈敏度溫度變化、電源波動(dòng)等原因使檢測(cè)儀表實(shí)際的輸入一一輸出關(guān)系

5、變?yōu)閛 S x式中，0 儀表的零位(x=0)輸出或零點(diǎn)漂移;s儀表的實(shí)際靈敏度。S =S+A S式中， S儀表的靈敏度漂移。在這種情況下，被測(cè)量在儀表度盤(pán)上的讀數(shù)X與被測(cè)量的實(shí)際值 x就有差距o S xx x x S12.2.2常見(jiàn)的調(diào)零電路一、傳感器調(diào)零電路例1、差動(dòng)自感傳感器零位電壓補(bǔ)償電路一一圖例2、霍爾傳感器零位電壓補(bǔ)償電路一一圖二、電橋調(diào)零電路如圖 8-2-2、圖 10-2-2、圖 10-3-11 等三、放大器輸入偏移調(diào)零電路0 (S S) x12-2-15-5-10SU x U a xSx式中，Ua為前級(jí)測(cè)量電路的零位輸出。圖12-2-2 (a)中，須調(diào)整圖12-2-2 (b)中，

6、須調(diào)整圖12-2-2 (c)中，須調(diào)整12.2.3常見(jiàn)的調(diào)滿度電路Ub,使 Ub=UaUb和庫(kù)，使 Ua/R1=-Ub/R2Ub 使 Ub=U。檢測(cè)儀表的總靈敏度SSxK一、調(diào)電源供電電壓（或供電電流）二、調(diào)放大器的增益三、調(diào)表頭量程電阻例題 12-2-1解：通常選 R仁R2=Ro, U0 5E（Rt一1）R3 RPi先調(diào)零：調(diào) RP1使R3+RP1=RO,即卩t=0C時(shí)，Uo=O。 再調(diào)滿度：調(diào) RP2,使t=100 C時(shí)，U0=100mV,即電源電壓為100mV20W 1(mV)12.2.4常見(jiàn)的量程切換電路1/2滿度接近滿度的區(qū)域，即為提高模擬儀表的讀數(shù)精度，通常應(yīng)使表頭指針偏轉(zhuǎn)在max

7、max2當(dāng)表頭指針超出滿度時(shí)，就要切換到大一檔的量程；當(dāng)表頭指針較小時(shí)，就要切換到小一檔的量程。量程切換實(shí)質(zhì)上就是以換擋方式改變儀表的靈敏度。例題 12-2-2圖 12-2-4解：電路輸出電壓為U0 Uref巴RN電子歐姆表量程為Rxmax （Um/Uref）RN5Rn12.3模擬非線性校正非線性產(chǎn)生的原因：大多是由于傳感器的非線性。非線性產(chǎn)生的危害：非線性刻度容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差非線性校正的目的：就是使“表頭”能采用線性刻度。12.3.1非線性校正的數(shù)學(xué)原理圖12-3-1一、數(shù)學(xué)原理非線性校正就是在非線性環(huán)節(jié)后，串接一個(gè)線性化器，只要該線性化器的特性曲線與非線性環(huán)節(jié)的特性曲線成反函數(shù)關(guān)系，就能達(dá)

8、到線性校正的目的一一使整個(gè)儀表的輸入-輸出特性變成線性關(guān)系。設(shè)U1f1（X）U2KU 1若U。Sf 1(U2)則U0 xSK、反函數(shù)電路，圖123-2UiU ff 1(Ui)0U ff(U。) Uiu。RR結(jié)論：將一個(gè)輸出輸入特性與被校正的非線性環(huán)節(jié)相同的非線性環(huán)節(jié)接入運(yùn)放的反饋 環(huán)路，再將此運(yùn)放與被校正的非線性環(huán)節(jié)串接起來(lái)，即可實(shí)現(xiàn)非線性校正。12.3.2 非線性校正實(shí)現(xiàn)方法 一、采用與已知傳感器特性函數(shù)相反的運(yùn)算電路 有些傳感器電路的輸出與輸入呈現(xiàn)明確的函數(shù)關(guān)系，可以采用與該函數(shù)關(guān)系相反的運(yùn) 算電路作為測(cè)量電路，以實(shí)現(xiàn)非線性校正。例如：電量與非電量呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系的傳感器接對(duì)數(shù)電路 電量與非電

9、量呈現(xiàn)平方關(guān)系的傳感器接開(kāi)方電路 電量與非電量呈現(xiàn)開(kāi)方關(guān)系的傳感器接平方電路 電量與非電量成反比的傳感器接反比電路。三、采用多項(xiàng)式運(yùn)算電路從標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取3個(gè)插值點(diǎn)(Xk，UQ(k 1,2,3)，求解如下3個(gè)方程：a0 a1U k a2U k2 xk(k 1,2,3)求得三個(gè)系數(shù)ao,a!,a2,用乘法、加法電路組合成的多項(xiàng)式運(yùn)算電路或AD538等集成運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)二次多項(xiàng)式。U 0 S(a0 a1U a2U 2) S X三、采用折線近似的函數(shù)放大器電路設(shè)被測(cè)非電量x與傳感器及其接口電路輸出電壓U之間的函數(shù)關(guān)系為 U f (x)，在傳感器接口電路后串接一個(gè)能實(shí)現(xiàn)U0 Sf 1(U)的函數(shù)放

10、大器電路，就可以實(shí)現(xiàn)非線性校正，使U0 S x。函數(shù)放大器電路一般采用由二極管開(kāi)關(guān)和電阻組成非線性網(wǎng)絡(luò)取代反相 放大器的輸入電阻Rr 或反饋電阻 Rf ，使反相放大器的輸出輸入關(guān)系呈多段折線逼近U 0 Sf 1(U) 曲線。12.4 環(huán)境及溫度誤差校正12.4.1 環(huán)境及溫度因素對(duì)測(cè)量的影響 一、環(huán)境因素對(duì)測(cè)量的影響 理想情況： 只有被測(cè)量 x 才是決定測(cè)量結(jié)果 y 的唯一因素， 即系統(tǒng)的輸入輸出特性 為一元函數(shù)y f(x)實(shí)際情況：除了被測(cè)量x夕卜，還有許多其它影響參量。 如溫度T、氣壓P、電源電壓E, 等等，系統(tǒng)的輸入輸出特性為多元函數(shù)y f(x,T,P,E, )廠f因 dydxx故環(huán)境誤

11、差記為fdT JTf dP -PEdE ，令dy丄dxxdy dy丄dTf dPfdETPE系統(tǒng)輸出對(duì)環(huán)境（干擾）參量的靈敏度為：St-fff，Sp-,SeJETP設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)輸出對(duì)被測(cè)量x的靈敏度Sx最冋，x系統(tǒng)輸出對(duì)環(huán)境（干擾）參量的靈敏度應(yīng)限制在相對(duì)最低的水平。二、溫度因素對(duì)測(cè)量的影響在影響測(cè)量結(jié)果的環(huán)境因素中，最常見(jiàn)的也是影響最大的環(huán)境因素是溫度。線性檢測(cè)系統(tǒng)表達(dá)式y(tǒng) f(x,T) a(T)ai(T)x1、線性檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫度 T的有害靈敏度對(duì)溫度T的有害靈敏度可表示為2、S f (x,T) 竊Tdao(T)dTdT非線性檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫度T的有害靈敏度非線性檢測(cè)系統(tǒng)表達(dá)式y(tǒng) f(

12、x,T) a(T)ai(T )xan(T)xn對(duì)溫度T的有害靈敏度為dao(T)$ dTdTdTdan (T) nxdT3、dao(T)/dT 0, dai(T)/dT 0。減小系統(tǒng)對(duì)溫度的有害靈敏度的原則1）減小檢測(cè)系統(tǒng)輸出零點(diǎn)對(duì)溫度的有害靈敏度，最好使2）減小檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度對(duì)溫度的敏感性，最好使12.4.2環(huán)境及溫度誤差的硬件校正法一、平衡法兩個(gè)原理和特性完全相同的傳感器置于同一環(huán)境中:一個(gè)既接受輸入信號(hào)也接受環(huán)境影響dy1dxdTdPxTP一個(gè)不接受輸入信號(hào)只接受環(huán)境影響dy2dTf dPTP二者輸出相減dy- dy2 dx，保留輸入x的作用，消除環(huán)境因素的影響。實(shí)例：圖12-4-1補(bǔ)償

13、塊圖5-5-1 4補(bǔ)償電橋圖10-1-7補(bǔ)償片圖11-3-1（b） 參考室二、差動(dòng)法兩個(gè)原理和特性完全相同的轉(zhuǎn)換元件，置于同一環(huán)境中，一個(gè)接受輸入量的正向變化dx,一個(gè)接受輸入量的反向變化 (-dx)二者輸出相減dy1 dy22 dx，輸入靈敏度增加一倍，而環(huán)境影響卻被消除。x實(shí)例：圖10-1-13 圖4 1 1 5(c)(d)三、抵消法將正溫度系數(shù)的傳感器或電路與負(fù)溫度系數(shù)的傳感器或電路串聯(lián)起來(lái)，使溫度變化產(chǎn)生的影響相互抵消。丄1丄0T T四、參比法通過(guò)比例運(yùn)算消除影響輸出結(jié)果的環(huán)境(干擾)變量。實(shí)例：圖8-4-2 應(yīng)用聲速校正具圖12-4-3三點(diǎn)取壓測(cè)液位圖12-4-4 ADC與電橋共用同

14、一電源12.5模擬式儀表實(shí)例12.5.1 DDZ-川型儀表簡(jiǎn)介一、DDZ儀表概述1、儀表類(lèi)型按信號(hào)傳輸方式劃分：電動(dòng)儀表一一以電量為傳輸信號(hào)的儀表氣動(dòng)儀表一一使用壓縮空氣來(lái)傳遞信號(hào)的儀表 按組成系統(tǒng)的方式劃分：基地式儀表、單元組合式儀表組件組裝式儀表2、電動(dòng)單元組合(DDZ儀表DDZ I 型、DDZ H 型、DDZ 川型。二、DDZ-川型系列儀表特點(diǎn)1、采用線性集成電路2、 采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制圖12-5-2現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為420mA直流電流控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為15V直流電壓3、 集中統(tǒng)一供電統(tǒng)一由電源箱供給各單元24V直流電源4、整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)三、電壓一電流變換器圖12-5-31、

15、0Umax的單極性輸入電壓變換成 420 mA的直流輸出lout 4mA16mAU max2、一 Umax+ Umax的雙極性輸入電壓變換成420 mA的直流輸出1 out12mA16mA2U max12.5.2 MF107型萬(wàn)用電表剖析 結(jié)構(gòu)組成：表頭磁電系微安表，測(cè)量電路-轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)-一、直流電流測(cè)量電路圖 12- 5 - 4作指示用，電阻、電流和電壓的測(cè)量電路切換測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)量程和測(cè)量種類(lèi)的切換任務(wù)圖 12-5-5R決定用階梯分流器組成多量程電流表。電流表量程由所切換的分流電阻lg(r R) 500mVR二、直流電壓的測(cè)量電路圖 12-5-6是在直流電流測(cè)量電路的基礎(chǔ)上串聯(lián)電阻Rx而成。直流電壓量程由所切換的串聯(lián)電阻rRRx 決定Um Igr ImRx Im( Rx) Im(R。氏)式中Ror三、交流電流測(cè)量電路圖直流電流表頭接上整流器而成。 為rRR12-5-7在半波整流的情況下，使表頭滿偏的交流電流的有效值Ig0.452.22Ig交流電流有效值的測(cè)量公式為1 MIgI M2.221 gLxI四、交流電壓