电气绝缘测试技术课件-第4课 传感器

信号预处理方法
抑制漂移 信号放大 滤 波
峰值保持
抑制漂移
传感器输出
Rx=kx+R0
传感器
R1 E
+
Rx Vo
x 为输入信号, k 为比例系数， Rx 为输出电阻， R0 为x=0时输出电阻
系统输出电压
Rx Vo E Rx R1
-
电阻式传感器及其变换电路
x=0 时的零位电压
Vo(0) R0 E R0 R1
随机误差以标准偏差的形式给出，
( yi )2
i 1 P
一次测量共m点 共进行n次测量 P=m· n
=2~3
标准偏差

P 1
综合静态误差
( y) max es 100 % yFS
传感器动态特性
由于传感器总存在惯性、阻尼等因素，使传感器的输 出不仅与输入量有关，而且与输入量的变化速度和加速度 有关。
2 2 i i 2 i
x y x x y b n x ( x )
i 2 i i
i
通常情况下，推荐使用最小二乘法。
迟滞效应
迟滞效应表示在输入值增长（正行程）或减小（逆行程） 过程中，统一输入量得到不同的输出。
迟滞大小通常由实验确定：
y
H=(yH)max / yFS *100%
如果超过传感器的上限 xH 响应的线性性变差
传感器损坏
如果低于传感器的下限 xL 低于噪声或误差限制，y f(x)
线性度
灵敏度 S=dy/dx
线性传感器灵敏度 S 不随输入 x 变化。
y yFS
线性度
max eL 100 % yFS
max
o
xm x
y
y
o
x
o
x
(a) y = a1x
Is
Rs
Is
热电偶等效电路
光电二极管等效电路
电压放大电路
Rs I + e Vf + R2 R1 Vo
R2 Vf V0 R1 R2
Vs
e 0
V f Vs
由于运算放大器采用深度负反馈，e为0，所以I也为0， 因此传感器内阻Rs不会对放大结果产生任何影响。
放大器的放大倍数
G V0 Vs 1 R1 R2
传感器的动态模型
dy d n1 y dny a0 y a1 an1 n1 an n dt dt dt dx d m1 x dmx b0 x b1 bm1 m1 bm m dt dt dt
系数a0, a1, •••, an和b0, b1, •••, bn均与传感器的结构 有关
传感器的传递函数
H ( S ) L[ h( t )] L[ y( t )] Y ( S ) L[ x ( t )] X ( S )
b0 b1S bm 1S m 1 bm S m a0 a1S an1S n1 an S n
y( t )e jt dt x ( t )e jt dt
0
因此，可将H( j )定义为传感器的频率响应特性
H ( j ) H ( j ) e j A( )e j
（1）幅频特性:
增益A — 传感器对检测信号的放大或衰减倍率。 带宽 — 传感器的增益保持在一定值上的频率范围。 时间常数 ：一阶传感器特征量， 越小，频带越宽。 固有频率0：二阶传感器特征量。 （2）相频特性
理想传感器
y = kx
非线性传感器
y = f(x)
f(x) 通常是单调的.
实际传感器
y=f(x,N)
N 为环境变量，包括温度、湿度、振动、大 气情况等。
传感器在任一基准状态（x0 , N0）处的变化
f f y x N x N
传感器灵敏度 传感器的漂移
f S F ( x0 , N 0 ) x f y0 N N
电桥法
输出电压
传感器
R1 E R2
+
Vo Rx R3
Vo (
Rx R3 )E Rx R1 R2 R3
-
选择R2和R3满足条件
R3 R0 R2 R3 R0 R1
电桥变换电路
这样Rx=R0时输出为0，零位电压被抵消。 但如果R0随环境而变化，则输出电压仍会出现漂移。
y
(b) y = a2x2+ a4x4 + •••
y
o
x
o
x
(c) y = a3x3+ a5x5 + •••
(d) y = a1x1+ a2x2+ a3x3 •••
1. 理论直线法
以零点O作为理论直线的零点，满量程输出100% 作为终点。所以理论直线与实际测试点无关。优点简 单、方便，但通常Lmax很大。
( yh ) max
o
x
输出特性
传感器的输出特性主要参数为输出阻抗Zo Zo = 输出开路电压 输出短路电流
输出阻抗是衡量传感器带负载能力的重要参数，一般要 求输出阻抗越小越好。
分辨率
分辨率指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输 入量的最小相对变化。
( x ) min 100 % xm
1. 误差合成 将非线性误差eL、滞后误差eH和重复性误差eR进行 综合。 代数法 几何法
es ( e L e H e R )
es (eL eH eR )
2 2 2
2. 统计法 将系统误差与随机误差进行综合。 系统误差的极限值(y)max为实测曲线相对拟合直线 的最大偏差。
yFS
Lmax
o
xm
2. 端点直线法
将传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输
出平均值的连线作为拟合直线。直线方程为
y = kx + b
方法简单，Lmax相对较小。
yFS
Lmax
o
xm
3. 最佳直线法
使所选拟合直线相对于实际输出特性的最大正偏 差等于最大负偏差。
Lmax Lmax eL 100 % 2 yFS
2
n
b)]2 0 k i 1 n [ yi ( kxi b)]2 0 b i 1
i 1
据此即可确定拟合直线的参数，

k
n xi yi xi yi n xi ( xi )2
传感技术
Sensor Technology
在线监测的基本框架
运行技术措施
电力设备
传感器 信号变送系统 （设备近区）
信号 预处理
数据采集
信号传输 信号传输 系统
数据处理
故障诊断
数据采集系统 （设备近区）
处理和诊断系统 （主控室）
传感什么？
超声波
电 信 号
气体含量
脉冲电流
温度
远红外
温度 光强度 机械振动
y=f(x,N)
y ( t )= f [ x( t ), N( t ) ]
动态模型
传递函数 传感器无失真检测条件
动态模型
传感器简化为线性常系数时不变系统，因此传感器具 有以下两个重要特性：
可加性
x ( t ) y ( t )
i i i 1 i 1
n
n
因此，分析线性时不变系统时，总是可以将复杂的激 励信号分解成若干简单的激励。 频率保持特性 当线性时不变系统的输入为某一频率时，则系统的 稳态响应也为同频信号。
热电偶 光电二极管 超声传感器 罗克夫斯基线圈 气体传感器
直流电压
直流电流
交流电压
放电脉冲
气体含量
交流电流
电阻
位移
液位
电感式位移传感器
电容式液位计 水晶厚度传感器
电感
电容 频率
厚度
传感器工作原理
测量环境 被测信号
检出器
xi
狭义传感器 广义传感器
输入匹配
放大、变换
输出 yo
信号预处理部分
传感器的特性
y
Lmax
Lmax
o
x
4. 最小二乘直线法
按最小二乘法原理求取拟合曲线，该拟合结果能
保证传感器的校准数据的残差平方和最小。
假设传感器校准数据为yi（i =1,2, • • • ,n），而拟 合直线方程为y = kx + b，则相应残差为
i yi ( kxi b)
由于最小二乘法原理要求 i 最小，故有
任意信号都可通过傅立叶变换分解成 正弦信号 各次谐波来分析。主要用于分析系统 的频率特性，称为“频率响应法”。
标准测试信号
阶跃信号是瞬间突变信号，是测试信 阶跃信号 号中最难以复现的一种，主要用于分 析系统的时域特性，称为“瞬态响应 法”
1. 传感器的频率响应特性 当输入信号为正弦时，且传感器是稳定的则可用j 代替 传感器传递函数H(s)中的变量s。
x
b0 b1S bm 1S m 1 bm S m a0 a1S an1S n1 an S n
y
动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特 性，我们总是希望传感器的输出量随时间的变化关系能够 完全复现输入量随时间的变化关系。 实际的被测信号是多种多样的，无法一一模仿。工程 上通常采用标准信号函数的方法来评定传感器的动态特性 指标。
2. 传感器的瞬态响应特性
y x
xi
yo
b
a
t
trs
t tst


上升时间trs：由稳定值的10%到90%所需时间。
响应时间tst ：由开始输入到输出稳定所需的时间。 过调量（过冲）：第一次超过稳定值出现的最大偏差。 衰减度 ：振荡幅值衰减的速度。