1、王永强,电气设备状态监测与故障诊断,传 感 技 术,Sensor Technology,在线监测的基本框架,什么是传感器？,传感什么？,超声波,脉冲电流,远红外,气体含量,温度,电信号,传感器工作原理,xi,yo,传感器的特性,f(x) 通常是单调的.,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,传感器灵敏度,传感器的漂移,传感器的静态特性,静态特性表示传感器在输入量处于稳定状态时的输出-输入关系。,使用环境要求,温度范围 湿度范围 海拔高度或大气压 振动,可测量范围,任何传感器都有其相应的测量范围：,如果超过传感器的上限 xH响应的线性
2、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。线性度,o,y,x,yFS,xm,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。,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。,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。,4. 最小二乘直线法 按最小二乘法原理求
3、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,由于最小二乘法原理要求 最小，故有,据此即可确定拟合直线的参数，,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： H=(yH)max / yFS *100%,输出特性,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。,阈值 xmi
4、n指传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量。,非线性“死区” 噪声水平,稳定性,稳定性指传感器在长时间内保持原有性能的能力。,漂移 y =f ( x, t ,T ),t 时间 T 温度,漂移的指标,零点漂移 灵敏度漂移,静态误差,是评价传感器静态特性的综合指标，指传感器在满量程内，任一点输出值相对其理论值的可能偏离程度。,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,2. 统计法 将系统误差与随机误差进行综合。,标准偏差,综合静态误差,综合静态误差,随机误差以标准偏差的形式给出，,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。,=
5、23,一次测量共m点共进行n次测量P=mn,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。,传感器动态特性,动态模型 传递函数 传感器无失真检测条件,动态模型,可加性 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。,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：,传感器的动态模型,系数a0, a1, , an和b0, b1, , bn均与传感器的结构有关,传递函数,如果y(t)是时间变量t 的函数，并且当t 0
6、时，y(t) =0，则函数y(t)的拉普拉斯变换Y(S)的定义为,传感器的动态模型的拉氏变换,传感器的传递函数,x,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。,任意信号都可通过傅立叶变换分解成各次谐波来分析。主要用于分析系统的频率特性，称为“频率响应法”。,阶跃信号是瞬间突变信号，是测试信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
7、，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。,因此，可将H( j )定义为传感器的频率响应特性,（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,2. 传感器的瞬态响应特性,过调量（过冲）：第一次超过稳定值出现的最大偏差。,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。,衰减度 ：振荡幅值衰减的速度。,传感器无失真检测条件,如果传感器的输出y ( t )和x ( t
8、 ) 输入满足以下关系,A0和0为常数，则输出波形无失真的复现输入波形。,即 A() = A0 = 常数 () = - 0 ,传感器无失真条件为：幅频特性应当是常数；相频特性应当是线性关系。,传感器基本性能指标,信号预处理方法,抑制漂移,电阻式传感器及其变换电路,系统输出电压,x=0 时的零位电压,电桥法,选择R2和R3满足条件,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。,输出电压,电桥变换电路,差动法,被测量,信号放大,传感器的输出电压一般都很小（毫伏级），通常必须经过放大后，才能进行传输和数字处理。,热电偶等效电路,电压放大电路,由于运算放大
9、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,电流-电压变换放大电路,由于e为0，传感器的等效电流源相当于短路。由信号源流出的电流Ii与Is 相等，这个电流全部通过Rf ,得到输出电压为。,这个放大器的输入阻抗为0，可进行理想的电流测量。放大倍数取决于反馈电阻Rf 。,滤波,传感器的输出信号都含有不同程度的噪声，滤波的目的就是要减小噪声对真实信号的影响。,任何信号都可以用正弦级数的形式表示,滤波器可由简单的R、C电路构成，当性能要求较高时，可采用由运算放大器构成的有源滤波器。,高通滤波器 保存高频信号，使低频成分衰减的滤波器。如工频滤
10、波。,低通滤波器 保存低频信号，使高频成分衰减的滤波器。如热电偶滤波。,带通、带阻滤波器 允许一定频率范围内信号通过的滤波器，带阻滤波器与之相反。,峰值保持,在检测中，往往对被测信号的最大值及其出现的时刻最感兴趣。由于脉冲信号有时会非常短暂，就需要对该脉冲信号进行适当的扩展。,传感器的校准,传感器校准测试条件： 温度20 + 5 C ；标准大气压101.3 + 8kPa ；相对湿度不大于85% ；无震动、冲击和加速度。,传感器校准：是指在明确传感器输入与输出关系的前提下，利用标准仪器对传感器进行标定。,利用标准仪器产生的已知量作为被标定传感器的输入，将传感器的输出与标准量做比较，即可了解传感器
11、的性能。,标准仪器的精度等级确定,传感器特性标定步骤,1.将传感器全量程（测量范围）分成若干等间隔点。,2.根据传感器量程分点情况，由小到大逐一输入标准量值，并记录相应的输出值。,3.将输入值再由大到小逐点减小，同时记录相应的输出。,4.按（2）、（3），对传感器进行正、反行程反复循环多次测试。,5.对测试数据进行必要处理，确定传感器的线性度、灵敏度和迟滞等特性。,在线监测用传感器,超声波,电流,远红外,气体含量,温度,非接触性：测量系统不能影响一次系统的运行。 强的抗干扰性 对环境的耐受性。 高的可靠性,在线监测用传感器的特殊要求,罗可夫斯基线圈型电流传感器,在线检测中罗可夫斯基线圈型电流传
12、感器用于测量包含丰富频率成分的局部放电脉冲电流，以及工频小电流。,由于这种传感器是通过磁耦合来感应被测设备中的电流信号的，没有电气上的直接联系，非常适用于在线监测的情况。,被测电流i1(t)通过导线时，线圈产生感应电势,可见， e(t)与被测电流的变化率成正比，对e(t)进行积分，即可得到被测电流信号。,依据加入的积分环节不同，构成两种不同类型的传感器：外积分型和自积分型。,罗可夫斯基线圈示意图,RL - 线圈电阻L - 线圈电感,由等值电路，可得,外积分线圈等值电路,假设i1( t ) 是频率为f 的正弦函数，则当满足条件,时，电路发生谐振，,此时有,电容C上输出电压为,比例系数K 即为灵敏
13、度系数,因此，外积分线圈是选频型电流传感器，电路的谐振频率f0 即为传感器的中心频率 。,灵敏度与互感M成正比，与外接电容及回路电阻成反比，为提高外积分型传感器的灵敏度，可使外接电阻 R = 0 。,由等值电路，可得,因线圈导线电阻RL和取样电阻R0都很小，当满足条件,时，得,进一步可以得到,取样电阻R0 上的输出电压,灵敏度系数为,灵敏度系数与取样电阻的阻值R0成正比，与线圈的匝数w成反比。,自积分线圈通常用于宽带型电流传感器，在分析其频率特性时应考虑线圈以及外接电路的杂散电容C0 。,传感器的传递函数,对于自积分线圈 ，因此,由此可以得出自积分线圈的上、下限截止频率为,上限截止频率,下限截
14、止频率,用电流传感器作为电气设备绝缘在线检测系统的采样单元，已得到业内人士的共识。目前，电流传感器有多种类型，如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自旋共振电流传感器等。由于电力系统使用环境的特殊性，许多传感器存在自身的局限性。,零磁通传感器,目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的。 从采样方式上分，这类传感器主要有直接串入式、钳式、闭环穿芯式三种。 为保证采样的准确性，使输出、输入信号间的比值差和相角差尽量小，研究人员采用的误差补偿方法有：短路有源补偿法、纯电阻误差补偿法、二次阻抗完全补偿法、自平衡电子补偿法等。,零磁通传感器,小电流传感
15、器必须能高精度、高稳定性地完成采样工作。然而，由于被采信号小，它极易受电磁场、温度、湿度等因素的干扰影响。为了能在电力系统强噪声干扰环境下准确采样，用于在线检测的小电流传感器应满足以下条件： 采样范围在几百A级至几mA级。灵敏度高，输出能灵敏反应输入量的微小变化；输出信号尽可能大。 在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，输出信号与被测信号间的比值差、角差小，并且其差值稳定，不随温度等因素的变化而变化。 抗干扰能力强，电磁兼容性好。,零磁通传感器,电流互感器的零磁通原理： 穿芯式小电流互感器的原理如下: 设I1为小电流互感器一次侧电流，I2为二次侧电流，I0为激磁电流。N1、N2分别为一、二次绕
16、组匝数。因此，该小电流互感器的磁势平衡方程为：I1N1+I2N2=-I0N1 当激磁安匝I0N1为零时，I1N1=-I2N2即付边安匝变化能完全反映原边安匝变化，误差为零。一般称I0N1为绝对误差，I0N1/I1N1为相对误差。电流互感器的误差为复数误差，可用比值差f和角差表示。,零磁通传感器,电流互感器的误差为复数误差，可用比值差f和角差表示。 =-I0N1/I1N1=f+j式中f=(I2N2/I1N1)/I1100%，为I2逆时针180后与I1的夹角。 由此可见，由于I0N1的存在，使I2N2与I1N1存在角差和比值差f。若I0=0，则激磁磁势为0，误差为零。此时的铁芯处于“零磁通”状态，
17、它工作于磁化曲线的起始段（线性段）。这时，电流互感器输出波形就不会畸变，保持良好的线性度。此即为“零磁通原理”。 因此，若能使互感器铁芯始终处于零磁通状态，就能从根本上消除电流互感器的误差。,零磁通传感器,但是，由互感器的工作原理可知，靠互感器自身是不可能实现零磁通的，必须靠外界条件的补偿或调整。为此，采用动态平衡电子电路对其进行动态调整，使铁芯始终处于“动态零磁通状态”。小电流传感器的原理 设ND为检测绕组，D为动态检测单元，G为产生二次电流的有源网络。本回路的磁势平衡方程为： I1N1+I2N2+IDND=I0N1 I1产生的激磁磁通在ND两端产生感应电势，并加到动态检测单元D的输入端，通过G产生二次电流I2提供给二次绕组，I2所产生的磁通对铁芯去磁，使铁芯达到磁势平衡。,零磁通传感器,因此，理想状态时，该传感器的二次绕组电流I2全部由有源网络G供给，而不从感应电势取电流。D高速动态检测ND两端的电势差，当电势差足够小（近似为零的允许值）时，铁芯中的磁通即近似为零磁通。若检测值偏离允许值，G则自动高速调整。如此高速跟踪调整，使铁芯能始终保持在逼近零磁通状态，传感器达到较高的精度。,零磁通传感器,
