第7章测量和数据采集系统概要
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o 用霍尔元件可以制成霍尔电流传感器、霍尔电 压传感器及霍尔功率传感器
o 另外，霍尔元件可用于位置及位移检测，转速、 转角及移动速度检测等。
电梯智能称重变送装置
*7.4 有源滤波器和测量放大电路
7.4.1 有源滤波电路 7.4.2 测量放大电路
7.4.1 有源滤波电路 1.低通有源滤波电路
R
ui
信
号
模拟显示 A/D转换
原理框图
数字显示 计算机
数据采集系统的组成
传 模拟 感 信号1 器
1
传 模拟 感 信号2 器
2
传 模拟 感 信号n 器
n
滤波放大1 滤波放大2 滤波放大n
… …
S/H 1 S/H 2 S/H n
多
路
转 换 A/D
微机 系统
开
关
原理框图
7.3 传感器
传感器是一种以测量为目的，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。
按被测对象的参数分类：温度、速度、力…
按被变换原理分类: 电阻式、电容式、…
正确合理选择传感器: 精度、可靠性、稳定性、 抗干扰性。
几种常用传感器介绍
温度传感器 金属热电阻、半导体热电阻（热敏电阻）、热电 偶、集成稳度传感器。
热敏电阻又分：PTC（阻值随温度成正比变 化）、NTC（阻值随温度成反比变化）。
C RC滤波环节
一阶低通有源滤波电路
同相输入比例 放大电路
Rf
负反馈网络
R1
.
UO
=
(1+ Rf
R1
)
1
j ωC
R jω1C
.
Ui
=
(1+ Rf
R1
)
1+
.
Ui jωRC
=A f
.
Ui
1
+
j
ω ωc
H(jω) =
.
U. O Ui
√ =Af
1
1+j
ω ωc
=
Af 1 + ( ωωc)2
ω –arctan ωc
7.1.2 测量误差和仪表准确度
在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被 测量的实际值之间总要存在一定的误差。
误差的表示方法主要有绝对误差和相对误差：
绝对误差是指仪表的指示值Ax与被测量实际值A0
之间的差值，即
△A = AxA0
之间的相差对值误，差即是指绝γ对=误差△AA0△×A与10被0%测量的实际值A0
仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来 分级的，即：
相对额定误差：γm=
△Am Am
×100%
目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如 表7.1.2所示五个等级。
表7.1.2 各级仪表的最大基本误差
仪表的准确度等级 0.1
基本误差%
±0.1
0.2 ±0.2
0.5 ±0.5
1.0 ±1.0
1.5 2.5 ±1.5 ±2.5
5.0 ±5.0
7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量
1. 电流和电压的测量
测量直流电流常用 磁电式电流表
测量直流电压常用 磁电式电压表
F
F 圆柱型铁心
磁电式仪表的结构示意
测量交流电 流常用电磁式 电流表，测量 交流电压常用 电磁电压表。
电磁式仪表 常采用推斥式 结构。
固定线圈 固定铁片
可动铁片 电磁式仪表结构示意
Is
+
处理
+
RT
常用测温电路
力传感器
胶膜衬底
硅条
内引线 焊接电极
R+∆R R1
R
+ 放大
R U和
显示
R
外引线
半导体应变片
Us + 应变测量电路
DR = Dl k Rl
U » U s DR 4R
热释电红外线传感器
双探测元件
D
滤光片 +
RG
S
信号
处理
电路
+
UDD
+ E
待测 目标
光学系统 （菲涅尔透镜）
√ H(jω)
Af = 1 + ( ωωc)2
幅频特性
j（ω）=– arctan（ωωc）
相频特性
H(j ω)
√ H(jω)
Af = 1 + ( ωωc)2
幅频特性
0.707 Af
0
ωc
ω
j (ω)
j（ω）=– arctan（ωωc）
0
π
ω0
ω
相频特性
4
π
2
2. 高通滤波电路
C
ui
R
一阶高通滤波电路
7.1.1 常用电工测量仪表的分类
电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。
直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟 式仪表和数字式仪表。
比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电 桥）是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。
表7.1.1 电工测量仪表上的几种符号及其意义
热释电红 外传感器
信号 处理
报警 电路
气体传感器
B
气敏传感器
加热器
电极
6
R
1
4
2
3
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
~220V 氖管
BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
霍尔传感器
o 霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿 器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔 磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线 性的电压信号输出。
.
UO
= (1+ Rf )
R1
R R + jω1 C
.
Ui
Rf
=
Af R R + jω1 C
.
Ui
R1
=
Af
.
1 j ω ωc Ui
H(jω) =
.
U. O Ui
1
=A f
1j
ω ωc
√ H(jω)
Af = 1 + ( ωωc)2
j（ω）=– arctan（ωωc）
H(j ω)
0.707 Af
符号
意义
符号
意义
-
~
_ ~
1.5 或 1.5
直流仪表
交流仪表 交直流仪表 准确度等级1.5级
2或 2kV
⊥或↑ ︹或→
BC
绝缘强度实验电压2kV
仪表直立放置 仪表水平放置 工作环境等级 1
1 工作环境等级分A、B、C三组，其中A组（温度0℃~+40℃,相对湿度80% 以下）不在面板上标出；B——温度20℃~+50℃，相对湿度85 %以下；C— —温度40℃~+60℃，相对湿度98 %以下。
0
j (ω) π
2
π
4 0
Байду номын сангаас
ωc
ω
ωc
ω
7.4.2 测量放大电路
2. 功率和电能的测量
功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用 的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。
F
*
可动线圈
固定 固定 F
线圈 线圈
电动式仪表结构示意
* + i1 u
i2
功率计接线
i
负载
感 应 式 电 度 表 结 构
*7.2非电量电测法和数据采集系统的组成
非电量电测法
非
电
量
传感器 信号处理
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 7.8 非电量测量系统举例
7.1 电量测量
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
o 另外，霍尔元件可用于位置及位移检测，转速、 转角及移动速度检测等。
电梯智能称重变送装置
*7.4 有源滤波器和测量放大电路
7.4.1 有源滤波电路 7.4.2 测量放大电路
7.4.1 有源滤波电路 1.低通有源滤波电路
R
ui
信
号
模拟显示 A/D转换
原理框图
数字显示 计算机
数据采集系统的组成
传 模拟 感 信号1 器
1
传 模拟 感 信号2 器
2
传 模拟 感 信号n 器
n
滤波放大1 滤波放大2 滤波放大n
… …
S/H 1 S/H 2 S/H n
多
路
转 换 A/D
微机 系统
开
关
原理框图
7.3 传感器
传感器是一种以测量为目的，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。
按被测对象的参数分类：温度、速度、力…
按被变换原理分类: 电阻式、电容式、…
正确合理选择传感器: 精度、可靠性、稳定性、 抗干扰性。
几种常用传感器介绍
温度传感器 金属热电阻、半导体热电阻（热敏电阻）、热电 偶、集成稳度传感器。
热敏电阻又分：PTC（阻值随温度成正比变 化）、NTC（阻值随温度成反比变化）。
C RC滤波环节
一阶低通有源滤波电路
同相输入比例 放大电路
Rf
负反馈网络
R1
.
UO
=
(1+ Rf
R1
)
1
j ωC
R jω1C
.
Ui
=
(1+ Rf
R1
)
1+
.
Ui jωRC
=A f
.
Ui
1
+
j
ω ωc
H(jω) =
.
U. O Ui
√ =Af
1
1+j
ω ωc
=
Af 1 + ( ωωc)2
ω –arctan ωc
7.1.2 测量误差和仪表准确度
在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被 测量的实际值之间总要存在一定的误差。
误差的表示方法主要有绝对误差和相对误差：
绝对误差是指仪表的指示值Ax与被测量实际值A0
之间的差值，即
△A = AxA0
之间的相差对值误，差即是指绝γ对=误差△AA0△×A与10被0%测量的实际值A0
仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来 分级的，即：
相对额定误差：γm=
△Am Am
×100%
目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如 表7.1.2所示五个等级。
表7.1.2 各级仪表的最大基本误差
仪表的准确度等级 0.1
基本误差%
±0.1
0.2 ±0.2
0.5 ±0.5
1.0 ±1.0
1.5 2.5 ±1.5 ±2.5
5.0 ±5.0
7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量
1. 电流和电压的测量
测量直流电流常用 磁电式电流表
测量直流电压常用 磁电式电压表
F
F 圆柱型铁心
磁电式仪表的结构示意
测量交流电 流常用电磁式 电流表，测量 交流电压常用 电磁电压表。
电磁式仪表 常采用推斥式 结构。
固定线圈 固定铁片
可动铁片 电磁式仪表结构示意
Is
+
处理
+
RT
常用测温电路
力传感器
胶膜衬底
硅条
内引线 焊接电极
R+∆R R1
R
+ 放大
R U和
显示
R
外引线
半导体应变片
Us + 应变测量电路
DR = Dl k Rl
U » U s DR 4R
热释电红外线传感器
双探测元件
D
滤光片 +
RG
S
信号
处理
电路
+
UDD
+ E
待测 目标
光学系统 （菲涅尔透镜）
√ H(jω)
Af = 1 + ( ωωc)2
幅频特性
j（ω）=– arctan（ωωc）
相频特性
H(j ω)
√ H(jω)
Af = 1 + ( ωωc)2
幅频特性
0.707 Af
0
ωc
ω
j (ω)
j（ω）=– arctan（ωωc）
0
π
ω0
ω
相频特性
4
π
2
2. 高通滤波电路
C
ui
R
一阶高通滤波电路
7.1.1 常用电工测量仪表的分类
电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。
直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟 式仪表和数字式仪表。
比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电 桥）是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。
表7.1.1 电工测量仪表上的几种符号及其意义
热释电红 外传感器
信号 处理
报警 电路
气体传感器
B
气敏传感器
加热器
电极
6
R
1
4
2
3
SnO2烧结体
5
瓷绝缘管
（a）结构
（b）符号
旁热式气敏器件结构及符号
~220V 氖管
BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
霍尔传感器
o 霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿 器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔 磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线 性的电压信号输出。
.
UO
= (1+ Rf )
R1
R R + jω1 C
.
Ui
Rf
=
Af R R + jω1 C
.
Ui
R1
=
Af
.
1 j ω ωc Ui
H(jω) =
.
U. O Ui
1
=A f
1j
ω ωc
√ H(jω)
Af = 1 + ( ωωc)2
j（ω）=– arctan（ωωc）
H(j ω)
0.707 Af
符号
意义
符号
意义
-
~
_ ~
1.5 或 1.5
直流仪表
交流仪表 交直流仪表 准确度等级1.5级
2或 2kV
⊥或↑ ︹或→
BC
绝缘强度实验电压2kV
仪表直立放置 仪表水平放置 工作环境等级 1
1 工作环境等级分A、B、C三组，其中A组（温度0℃~+40℃,相对湿度80% 以下）不在面板上标出；B——温度20℃~+50℃，相对湿度85 %以下；C— —温度40℃~+60℃，相对湿度98 %以下。
0
j (ω) π
2
π
4 0
Байду номын сангаас
ωc
ω
ωc
ω
7.4.2 测量放大电路
2. 功率和电能的测量
功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用 的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。
F
*
可动线圈
固定 固定 F
线圈 线圈
电动式仪表结构示意
* + i1 u
i2
功率计接线
i
负载
感 应 式 电 度 表 结 构
*7.2非电量电测法和数据采集系统的组成
非电量电测法
非
电
量
传感器 信号处理
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 7.8 非电量测量系统举例
7.1 电量测量
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