電氣工程概論輔導資料十六
主題：第五章電氣測量技術（第2-3節）
學習時間：2023年1月15日--1月21日
內容：我們這周主要學習第五章的感測器技術和高電壓大電流測量技術。
第五章電氣測量技術
第二節感測器技術
感測器是一種能夠感受到規定的被測量，並按照一定規律再轉換成可用輸出訊號的器件或裝置，即是一種以一定的精度把被測量轉換為與這有確定對應關係的、便於應用的物理量的測量裝置。非電量測量的關鍵技術就是如何將非電量轉換成電量的技術——感測器技術。
1． 電阻式感測器
電阻式感測器是指將有關非電量變換成與電阻阻值有關的電量感測器。它包括線性電位器感測器、非線性電位器感測器、電阻應變感測器、壓力感測器和金屬電阻感測器。
電阻應變式感測器是利用元件的電阻隨著機械形變的大小而變化，其電阻應變片是用直徑為0.025mm的具有高電阻率的金屬電阻絲製成，如下圖所示。圖中，l為應變片的標距或稱為工作基長，b稱為應變片的工作寬度。
應變片的轉換原理是金屬電阻的應變效應。所謂應變效應是指金屬絲的電阻值隨其變形而發生改變的一種物理現象。
式中：k為應變靈敏係數，其物理意義為單位應變引起的電阻的相對變化。對於金屬來說，變化較小，其靈敏係數主要取決於項。
由以上討論可知，在機械力的作用下，金屬電阻絲的電阻相對變化值與受力後的金屬絲幾何尺寸的變化有關，也與電阻絲的電阻率的變化有關。
這種電阻應變感測器的特點是精度高，測量範圍廣；結構簡單，效能穩定可靠，壽命長；頻率特性好，能在高溫、高壓、振動強烈、強磁場等惡劣環境下工作。目前這種感測器被廣泛的應用於測量力和與力有關的非電量測量。
2． 電容式感測器
電容式感測器利用電容器的原理，將非電量轉化為電容量，從而實現非電量
到電量的轉化和測量。電容式感測器的基本工作原理是通過改變電容器的引數，從而實現電容量的改變。根據改變的量的不同可以分為變間隙型、變面積型和變介電常數型。
3． 氣敏感測器
氣敏感測器利用了氣體的某些物理化學性質，將被測氣體的某些特定成分轉換成便於測量的電訊號。氣敏感測器具有測量範圍寬、精確度高、靈敏度高、工作可靠、體積小，成本低等一系列特點，它廣泛地應用於工業、農業、國防、環保、醫療等各個領域中。
氣敏感測器和種類繁多，就其檢測方法來分，可分為半導體式、催化還原式、紅外吸收式等。
4． 超聲波式感測器
超聲波是一種機械波，具有穿透能力強、方向性好、定向傳播等特點。超聲波在傳播中通過兩種不同的介質時，會產生折射和反射現象，其頻率越高，反射和折射的特性愈與光波的特性相似。超聲波在同一介質內傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會減弱。
超聲波主要用於固體和液體中有關引數的測量。
5． 紅外式感測器
紅外式感測器通過檢測紅外線特徵的變化，並轉換成各種便於測量的物理量，可以測量各種非電量。目前，將紅外線轉換成便於測量的紅外敏感元件，可分為兩類，紅外熱探測器和紅外光電探測器。
6． 光電式感測器
光電式感測器通常是指對光能量敏感，並將光訊號轉換成電訊號的感測器。當光照射在某些物質上，物質的電子吸收光子的能量而釋放電子的現象，稱為光電效應。光電效應分為外光電效應、光導效應和光生伏特效應。
7． 變送器
變送器將各種物理量轉換成統一的標準訊號。變送器種類繁多，但按其應用場合可以分為電量變送器和非電量變送器兩大類，常用的電量變送器有電壓、電流、功率等變送器，而常用的非電量變送器有溫度、壓力、流量等變送器。
1） 交流電流、電壓變送器
交流電流、電壓變送器可將被測交流電流或交流電壓變換為與其成線性比例的直流電流或直流電壓。
2） 溫度變送器、
溫度變送器分為氣動和電動兩種。
3） 壓力變送器
壓力變送器分為力平衡式、位移式兩類壓力變送器。力平衡式壓力變送器是採用力平衡原理，通過深度負反饋將彈性元件測壓產生的力矩與輸出訊號的反饋力矩相平衡，有效地減小溫度變化、彈性滯後及變形非線性的影響，提高了測量精度。位移式壓力變送器是將彈性測壓元件的位移變換為電感、電容、電阻等電量，再經測量橋路、放大電路轉換為最後的輸出壓力值。
位移式壓力變送器的精度遠超過力平衡式壓力變送器，而且結構簡單、執行可靠且維護方便。
第三節高電壓大電流的測量技術
為了檢測電氣裝置對某些高電壓大電流的耐受能力，常在實驗室裡進行模擬實驗，為此介紹某些高電壓大電流的檢測方法。
1．穩態高電壓的測量
穩態高電壓，主要是指工頻交流高電壓和直流高電壓，測量高電壓的難度在於測量時往往有洩漏的影響、電暈的影響，在交流電壓下還有雜散引數的影響。電壓高達數兆伏時，難度更大。
在高壓實驗室中測量交流高電壓的方法很多，目前常用的有下列幾種：
1）利用氣體放電測量交流高電壓；
2）利用靜電力測量交流高電壓；
3）採用電容分壓器系統來測量交流高電壓。
以上前兩種均可用來直接測量穩態高電壓，即交流高電壓和直流高電壓。另外採用電阻分壓器系統也可測量直流高電壓。
各種測量儀表的量程是有限度的，常常通過分壓器來擴大儀表的量程，即讓被測電壓的大部分電壓降降落在分壓器的高壓臂上，測量儀表測得的僅是低壓臂上的電壓降，再乘上分壓比即可得被測電壓。
（1）球隙測量法
球隙測量法是利用有一定氣隙的兩金屬球產生放電時，氣隙距離與放電電壓之間的關係來測量電壓的，主要用於交流電壓、標準全波衝擊電壓和直流電壓的測量。因球隙放電與電壓峰值相關的，所以測量的是電壓的峰值。
測量球隙作為一種高電壓測量方法的優點是：
①可以測量穩態高電壓和衝擊電壓的幅值，幾乎是直接測量超高電壓的唯一裝置；
②結構簡單，容易自製或購買，不易損壞；
③有一定的準確度，一般認為測量交流及衝擊電壓時的不確定度可在3%以內。
但此測量方法也有許多缺點：
①測量時必須放電，放電時將破壞穩定狀態，可能引起過電壓；
②測量較費時間。除了因為要通過多次放電進行測量外，施壓過程也不能太快。開始應施加相當低幅值的電壓，不致因開關操作瞬間產生球隙放電，然後要緩慢公升壓，以使在球隙放電瞬間低壓側儀表能夠準確地讀數；
③實際使用中，測量穩態電壓要進行多次放電，測量衝擊電壓要用50％放電電壓法，比較麻煩；
④要校正大氣條件；
⑤被測電壓越高，球徑越大，不僅本身越來越笨重，而且影響試驗室的建築尺寸。
（2）靜電電壓表
通過測量此靜電力的大小或是由此靜電力產生的某一極板的偏移（或偏轉）來反映所加電壓大小的表計稱為靜電電壓表。
靜電電壓表可以用來測量低電壓，也可用它直接測量高電壓。
靜電電壓表有兩種型別：一種是絕對儀靜電電壓表；另一種是工程上應用的靜電電壓表，是非絕對儀。
所謂絕對儀靜電電壓表是指，當電極s已知的條件下，測量電極之間的作用力f以及極間距l，由此而計算出電極間所施加的被測電壓的一種精密而複雜的靜電電壓表。因為可以計算出被測電壓，所以不需要其他測量電壓的儀表來為之校定和刻出其電壓刻度。
工程上所應用的靜電電壓表是非絕對儀，它需要用別的測量儀表來校正和刻出它的電壓刻度。
靜電電壓表的優點是它基本上不從電路裡吸取功率，或是只吸取極小量的無功功率，用以建立極板中的電場和極板對地的雜散電場。
由於儀表極板的電容一般僅為幾個到幾十個皮法拉，所以所吸收的功率極小，可以認為靜電電壓表的內阻抗極大，這是它的最大優點。
普通高壓靜電電壓表在使用時應注意高壓源及引線對錶的電場影響，引線應水平地從接地極板後側引入。
高壓靜電電壓表不像低壓表那樣四周被封閉起來，所以不宜用於有風的環境中，否則活動電極會被風吹動，造成游標指示搖晃而形成測量誤差。
（3）電容分壓器
當電壓極高難以用其他儀器及方式測量時，可採用電容分壓器把極高電壓分壓，取其中一小部分測量即可。電容分壓器可使用於幾千伏甚至3mv的交流高電壓的廣泛範圍之內。
電容分壓器有兩種主要形式，一種稱為分布式電容分壓器，它的高壓臂由多個電容元件串聯組成；另一種稱為集中式電容分壓器，它的高壓臂使用的是乙個氣體介質的高壓標準電容器。
2．衝擊電壓的測量
在衝擊高壓試驗中，試驗波形調好之後，使用峰值電壓表直接讀出衝擊電壓的峰值，可大大簡化測量過程。但是，被測電壓的波形必須是平滑上公升的，否則就會產生誤差。
一般情況下，峰值表多與示波器併聯使用以監視被測波形。和示波器一樣，峰值表的測量誤差應不大於2％，如果保持讀數在滿刻度的50％以上，則滿刻度的誤差應不大於1％。
衝擊峰值電壓表可測出衝擊電壓的峰值，電阻分壓器測量系統可測出交、直流高電壓及衝擊電壓，數字儲存示波器用以測量各種瞬態過程。如**、衝擊、振動、電磁脈衝等。
3．衝擊電流的測量
衝擊電流的測量包括幅值的確定和波形的確定。
按現行試驗標準，要求幅值的測量誤差在±3%以內，波形時間的測量誤差在±10%以內。
衝擊電流的幅值一般在幾十千安到幾百千安，波頭長度一般為幾個微秒，最陡的波可達納秒級，但要準確測定這樣的衝擊電流還是有不少困難的。
目前最常用的方法是靠分流器和示波器來測定衝擊電流的幅值和波形。
本週要求掌握的內容如下：
本週通過學習要了解掌握感測器技術、高電壓大電流測量技術。
習題（一）填空題
1.非電量測量的關鍵技術就是如何將非電量轉換成電量的技術（ ）。
答案：感測技術
2．（ ）利用了氣體的某些物理化學性質，將被測氣體的某些特定成分轉換成便於測量的電訊號。
答案：氣敏式感測器
3．超聲波在同一介質內傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會（ ）。
答案：減弱
（二）判斷題
1．球隙測量法主要用於交流電壓、標準全波衝擊電壓和直流電壓的測量。因球隙放電與電壓峰值相關的，所以測量的是電壓的峰值正確）
2．電阻分壓器可用於測量交流高電壓、直流高電壓和衝擊電壓。 （正確）
（三）簡答題
1．簡述常用的感測器技術。
答：（1）電阻式感測器
（2）電容式感測器
（3）氣敏感測器
（4）超聲波式感測器
（5）紅外式感測器
（6）光電式感測器
（7）變送器
2．簡述穩態高電壓的測量方法。
答：（1）球隙測量法
（2）靜電電壓表測量法
（3）電容分壓器測量法
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