目录
浅谈应用在电力行业局部放电检测中的传感器 (2)
1引言 (2)
1.1在线监测与状态维修的意义 (2)
1.2传感器技术促进在线监测技术的发展 (3)
1.3在线监测技术在我国的基本应用情况 (3)
1.4局部放电监测 (4)
2超声传感器 (5)
2.1超声传感器（ultrasonic sensor）的简介与原理 (5)
2.2超声波传感器在局部放电故障监测中的应用 (8)
2.2.1变压器局部放电超声定位 (8)
2.2.2真空开关真空度超声检测 (9)
2.2.3电力变压器绕组变形的超声检测 (10)
3红外传感器技术 (11)
3.1红外传感器的分类与原理 (11)
3.2红外传感器应用于高压电力设备温度的测量 (13)
4气体传感器 (15)
4.1气体传感器的分类与原理 (15)
4.2 新型燃料电池气体传感器在油中气体监测的应用 (17)
5光学传感器 (21)
5.1光纤传感器的分类与原理 (21)
5.2光纤传感器在局部放电监测中的应用 (23)
6.参考文献 (26)
浅谈应用在电力行业局部放电检测中的传感器
1引言
1.1在线监测与状态维修的意义
电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效，必将引起局部甚至全部地区的停电。
大量资料表明，导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化[1]。例如我国1984-1986年，110kv及以上等级电力变压器事故的统计分析表明，由于绝缘劣化引起的事故的台次占总事故台次的68%和总事故容量的74%。而1990年的统计分别为76%和65%。1971-1974年，我国6kv及以上的电机事故的统计分析表明，绝缘损坏事故占事故总台次的66%。1980年，电力部对36台故障电流传感器进行分析，结果是绝缘事故占92%。1990年，全国110kv 及以上等级互感器中，绝缘故障占总事故台次的55%。国外的统计结果也类似。例如，北美电力系统曾因绝缘故障引起至少三个电力局的230kv电流互感器爆炸。对美国某4.8kv配电系统在1980-1989年失效电容器的统计分析表明，其中92%是因绝缘劣化引起失效等等事故。
由以上论述可见，电气设备的多数故障时绝缘性故障。不仅是电应力作用引起绝缘劣化，导致绝缘故障，而且机械力或热的作用，或者和电场的共同作用，最终页会发展为绝缘性故障。例如，变压器短路故障产生的巨大电磁力会引起绕组变形，也使绝缘受损伤而导致发生匝间击穿；变压器内部过热可导致油温上升，使绝缘过热而发生裂解，最后发展为放电性绝缘故障。
电力设备，特别是大型设备故障会造成巨大的经济损失。有些非大型设备虽自身价值不昂贵，但故障后果严重，例如，以往互感器、电容器、避雷器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会波及临近设备，且由于故障的突发性，会因爆炸而造成人员伤亡。
鉴于绝缘故障在故障检测中所占得比重及后果的严重性，电力运行部门历来十分重视电气设备的绝缘监督，并规定每年春天对设备进行一次全面的绝缘性能检查。对电气设备进行绝缘监督的主要手段，以往是一直采用定期进行绝缘预防性试验，即根据电力部所颁发的《电力设备预防性试验规程》，对不同设备所规定的项目和相应的试验周期，定期在停电状态下进行绝缘预防性试验。这无疑在预防设备事故的发生，保证供电安全可靠方面，起着很好的作用，但是长期工作经验表明，这样一个维修体系有着一定得局限性。从经济学角度来看，定期试验和大修均需停电，不仅会造成很大的直接和间接的经济损失，而且增加了工作安排的难度。加以定期大修和更换部件也需要投资，而这种投资是否必要尚不好确定。因为设备的实际状态可能完全不必作任何维修，而仍能够继续长时间运行。若维修水品不高，反而可能使设备维修越坏，从而产生新的经济损失。其次，虽然绝缘的劣化和缺陷的发展是有统计特性的，绝缘劣化发展速度有快有慢，但总有一定的潜伏和发展时间。
20世纪70年代以来，随着世界上装机容量的迅速增长，对供电可靠性的要求越来越高。考虑到原有预防性维修体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出预知性维修和状态维修这一新概念。气具体内容是对运行中的电力设备的绝缘状况进行连续的在线监测，随时获得能反映绝缘状况的信息。在进行分析处理后，对设备的绝缘状况作出诊断，并根据诊断的结论安排必要的维修，也即是做到有的放矢进行维修。故状态维修应包括三个步骤，即在线监
测---分析诊断----预知性维修。
状态维修有以下优点：
1）可更有效的使用设备，提高设备的利用率
2）降低维修费用
3）有目标的进行维修，可以提高维修水平，使设备运行更安全可靠
4）可系统地对设备制造部门反馈设备的质量信息，用以提高产品的可靠性
1.2传感器技术促进在线监测技术的发展
传感器技术是信息获取科学与技术的核心技术[2]。信息获取科学与技术又是构成信息技术的三大支柱之一，是信息的源头和基础。但是传感器技术，现在又是信息技术发展的瓶颈，仍然是拖后腿的角色。信息获取技术（传感/监测技术）大大落后于信息处理技术（计算机技术）与信息传输技术（通信、网络技术），所以传感器仍然是称为推动科学技术进步的关键和基础，是吸引众多科学技术工作者攻坚的热点。那么，我们就回顾一下，传感技术在电力行业局部放电在线监测中的历史进程，以分析传感器技术在现在行业中的重要应用和对工程应用领域的巨大作用。
20世纪60年代，美国最先使用可燃性气体总量（TCG）监测装置，来测定变压器储油柜油面上的自由气体，以判断变压器的绝缘状态。但是在潜伏故障阶段，分解气体大部分溶于油中，故这种装置对潜伏性故障无能为力。
针对这一局限，日本研究了使用气相色谱仪，在分析自由气体的同时，分析油中溶解气体，这有利于发现早期故障。其缺点是要取油样，需在实验室进行分析，试验时间长，故不能在线连续监测。20世纪70年代中期，能使油中气体分离的高分子塑料渗透膜的发明和应用，解决了在线连续监测问题。气相色谱仪技术日趋成熟，并为长期的实践所证明，是一种行之有效的监测和诊断技术。其局限性事气体的生成有一个发展的过程，故对突发性故障不灵敏，这就要借助于局部放电监测。
近20年来，由于压电元件灵敏度的提高和低噪声集成放大器的应用，大大提高了超声传感器的信噪比和监测灵敏度，使其得以广泛用于局部放电的在线监测。传感器技术、信号处理技术、电子和光电技术、计算机技术的发展，提高了局部放电监测的灵敏度和抗干扰水平。
20世纪70年代末，日本先后研究了油中气体传感器，研制了油中H2、三组分气体（H2、CO、CH4）和六组分气体（H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6）的油中气体监测装置。随后研制了变压器局部放电自动检测仪。
那么，这些传感监测技术的发展，使得在线连续监测系统监测精度越来越高、故障检测率也越来越高，在工程中的应用也越来越广泛。
1.3在线监测技术在我国的基本应用情况
我国开展电力设备在线监测技术的开发应用已有10多年了，对提高电力设备的运行维护水平，及时发现事故隐患，减少停电事故的发生起到了积极作用。
我国从50年代开始，几十年来一直是根据电力设备预防性试验规程的规定，对电力设备进行定期的停电试验、检修和维护。定期试验不能及时发现设备内部的故障隐患，而且停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些缺陷反映不够灵敏。
随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，如何保证电力设备的安全运行就更为重要，一旦发生停电事故，将给生产和生活带来巨大的影响和损失。因此迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测，及时反映电力设备如绝缘等的劣化程度，以便采取预防措施，避免停电事故发生。
进入80年代，特别是近10多年来，在线监测技术发展很快，绝大多数变电站设备及发电机、电缆、线路绝缘子等都有在线监测的项目。随着电子技术的进步，传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术的发展和向各领域的渗透，系统的监控技术中广泛应用了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶段。与预防性试验相比，在线监测系统采用高灵敏度的传感器采集运行中设备绝缘劣化的信息，信息量的处理和识别依赖于丰富的软件支持的计算机网络，不仅可以把某些预试项目在线化，而且还引进了一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备向状态检修过渡的进程。
1.4局部放电监测
对电力设备进行在线监测和故障诊断，是实现设备预知性维修的前提，是保证设备安全可靠运行的关键，也是对传统的离线预防性试验的重大补充和拓展。
局部放电信号的监测仍是以伴随放电产生的电、声、光、温度和气体等各种理化现象为依据，通过能代表局部放电的这些物理量来测定。测量的方法大体分为电测法和非电测法。
电测法利用局部放电所产生的脉冲信号，即测量因放电时电荷变化所引起的脉冲电流，称为脉冲电流法。脉冲电流法是离线条件下测量电气设备局部放电的基本方法，也是目前在线监测局部放电的主要手段。
脉冲电流法的优点是灵敏度。如果监测系统频率小于1000khz（一般 500khz一下），并且按照国家标准进行放电量的标定后，可以得到变压器的放电量指标。其缺点是由于现场存在严重的电磁干扰，将会大大降低监测灵敏度和信噪比。
非电测法有油中气体分析、红外监测、光侧法和声测法。其中应用最广泛的是声测法，它利用变压器发生局部放电时发出的声波来进行测量。其优点是基本不受现场磁场干扰的影响，信噪比高，可以确定放电源的位置；缺点是灵敏度低，不能确定放电量。
声测法和脉冲电流法配合使用，是局部放电的重要监测手段。
广泛应用在局部放电监测中的传感器就根据电测法和非电测法分为两大类：
电测法传感器脉冲电流法超高频法[3]（在此文不做详细介绍）
非电测法传感器
1超声传感器2红外传感器3新型燃料电池气体传感器4光学传感器
2超声传感器
2.1超声传感器（ultrasonic sensor）的简介与原理
定义：利用超声波检测技术，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。
简介：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。结构与工作原理
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ 范围内，超过20KHZ 称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声传感器
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。
由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将
陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。
利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为
2.6×107kg/m2s，而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工作。
超声波距离传感器技术原理与应用
超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。
1、超声波测距仪：
超高能声波测距技术使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣的工作环境），而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户无后顾忧。
优秀的回波处理技术，5－50KHZ的超高强波频率使物位计最大量程可达到120米，适用介质温度为–20℃— +175℃。智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更
加稳定可靠。HpAWK系列产品还拥有灵活多变的工作方式（供电电源可为12VDC、24VDC、110VAC、 220VAC;二/三/四线制同一仪表中可随意组合。它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。
2.2超声波传感器在局部放电故障监测中的应用
目前对电气设备进行状态检测和故障诊断通常采用电气量测量法。由于电气量所包含的故障信息一般性不明显、难以检测且无先兆性，使得准确地故障诊断十分困难。实际上在电气设备故障前，尽管电气量还没有明显改变，设备尚能工作，但有些非电气量的变化信息（如各种气体的含量、温度、压力和机械变形等或者伴随故障出现的发声、发光、发热等）却包含了故障将要发生或者已经发生的信息。因此，与电气量测量法相比，利用非电气量检测法对电气设备进行故障诊断更为有效。结合长期从事电气设备故障诊断的研究，介绍了超声传感技术在电力系统电气设备故障诊断中的主要应用成果[4] 。
超声传感器结构及原理简介
超声检测技术涉及到超声波的发射和接收，这一功能主要由超声传感器来实现。超声传感器主要由传感器外壳、压电晶片、前置电路、吸附用磁铁以及输出端子等组成，其结构如图1所示。
超声传感器结构
传感器的核心元件是压电晶片，一般采用锆钛酸铅压电陶瓷（PZT-5）。这种压电晶片具有较高的机电耦合常数，能有效地发射和接收超声波。超声传感器的原理是基于压电晶片的逆压电效应（承受电场时产生应力和应变）和压电效应（受到应力在材料中产生电场）。用适当的发射电路可以将电能施加到压电晶片上使其作机械振动而发射超声波（逆压电效应）；反之，超声波作用于传感器的压电晶片，由压电晶片将其转换成电信号（压电效应），再经前置电路中的带通滤波器滤波和放大器放大，对压电晶片输出的微弱电信号就近进行放大处理，以提高超声传感器的信噪比，同时有效地解决超声传感器与检测仪器信号匹配的问题。
2.2.1变压器局部放电超声定位
局部放电是在电场作用下，绝缘体中只有局部区域发生的、尚未贯穿于施加电压的导体之间放电现象。大型电力变压器中，对局部放电量的测量是检测变压器绝缘特性的有效方法。测量局部放电量同时准确判断局部放电点的位置，有利于对变压器绝缘缺陷的发现和及时维修。
大型变压器绝缘结构内部发生的局部放电现象通常采用测量局放产生的电脉冲或者检测局放现象产生的溶解于变压器油中的化学裂解产物来判断。同时，局部放电发生时，必然伴随
超声波信号发射，即所谓超声发射。由文献［5］可知，大型变压器局部放电时发射的超声波信号的频谱分布约为60-300khz，其中心频率约为90khz。通过检测此超声波信号可实现局部放电量的测量及定位。需要特别指出的是，尽管目前超声传感器的输出信号与局部放电量在数值上还不成比例关系，但是传感器的输出信号的幅值仍然可以定性的反映出局部放电量的大小及其突变情况。此外，局部放电超声定位方法简述如下：将超声波传感器分别安装在变压器油箱外壳的不同位置上，并在变压器外壳接地线上接入电流传感器；当变压器内部发生局部放电时，安装在变压器油箱外壳上的超声波传感器接收到局部放电点发射的超声波信号并将其转换为电信号。经运算处理后与设定值比较，即可判定变压器正常与否。通过多个超声传感器测得的局部放电的超声波信号，由计算机对所采集的数据进行处理和分析，根据球面定位法、双曲面定位法以及多点放电定位法计算出放电点的位。由于用于电力变压器局部放电超声定位系统的超声传感器的性能指标直接影响定位的结果，因此，必须严格选择超声传感器的频带宽度、灵敏度、增益以及信噪比等特性，例如文献[6］选用0-1（高频段超声传感器）。此外，超声波在电力变压器内部传播途径及媒介和温度对定位结果的影响是一个十分复杂的问题，有待于进一步深入研究。
2.2.2真空开关真空度超声检测
真空开关（真空断路器、真空接触器和真空负荷开关等）以高真空作为灭弧介质和绝缘介质，其触头与灭弧系统简单，具有使用寿命长、检修间隔时间长、易于维护、适合频繁操作、体积小、质量轻等优点，在电力系统得到了广泛应用。但是，当其真空度降低后，若不及时发现，在带负荷拉闸时，由于不能灭弧很可能会发生爆炸，造成大面积停电，严重威胁电力系统的安全运行和现场人员生命安全。因此，目前迫切需要一种适合于现场使用的真空开关真空度检测装置。常见的电压检测、放电电流检测、放电干扰检测、中间电位变化检测、直接检测（用离子泵磁控元件传感器），包括外壳玻璃内壁表面的钡吸气计颜色变化粗略判定［!］等方法尚不能满足现场要求。通常要求真空灭弧室内真空度高于5*10-6Pa，一般在
10-7~10-9Pa之间。当真空度符合要求时，其电极与中间保护屏之间有足够的绝缘强度，不会发生放电现象；而真空度严重降低时（低于10E-5Pa），真空灭弧室内电极与中间保护屏之间会发生连续击穿或持续放电］。在此击穿或放电的过程中，必然伴随着发光、发热以及发声等物理现象。检测击穿或放电时产生的超声波，即可实现对真空度的检测。真空开关结构及检测原理示意图如图*所示
Schematic diagram of the vacuum breaker structure and its detecting principle 当其真空度降低时，系统电压通过电极与中间保护屏之间发生放电现象，产生超声波。与真空开关外壳紧密接触的超声传感器感受到超声信号后，将其转换为电脉冲信号送至检测
仪器。通过输出电路输出接点信号送至控制室报警，提示值班人员采取相应处理措施。该检测方法具有以下优点：检测装置与真空开关之间无电气联接，且操作人员不需接近真空开关，安全性好；无需停电操作；可巡回检测变电站真空开关，易于实现现场检测诊断。
2.2.3电力变压器绕组变形的超声检测
电力变压器在运输或系统故障等情况下，通常会受到较大的外力冲击，使其绕组发生位移或变形。其结果可能会使绕组绝缘损伤，引起变压器故障，进而威胁电力系统的安全运行。图& 为电力变压器绕组变形超声检测装置的电气原理框图。
电气原理框图
检测装置的工作原理如下：将超声传感器置于变压器油箱外侧，用高压电脉冲激励传感器中的压电晶片发射超声波；该超声波穿过变压器箱体钢板，进入变压器，在油与绕组的交界面处发生反射后返回超声传感器；传感器接收到该反射超声信号，再将其转换为电脉冲信号。此电脉冲信号经上述电路处理，即可在示波器荧屏上显示出发射超声脉冲波和反射超声脉冲波随时间变化的波形，供操作人员进行监视诊断。检波电路输出的另一路信号经放大整形，再由脉冲’ 方波变换电路将其转换为方波信号。此方波的宽度对应超声波在变压器油箱外壳与绕组表面之间传播往返所用的时间。方波信号经接口电路送至单片机，由单片机根据发射波和对应的反射波在箱体表面与绕组之间总的传播时间和超声波在油中已知的传播速度即可计算出该绕组与箱体表面的实测距离L.式中L为油箱外壳与绕组表面之间的实际测量距离；c为超声波在油中传播速度；t为发射波和对应的反射波在箱体表面与绕组之间总的传播时间。绕组变形检测的具体步骤如下：首先将超声传感器辐射面涂上耦合剂（如黄油等），保持传感器与模拟变压器油箱表面紧密接触，以绕组上端为起始位置沿纵向缓慢等间隔向下移，每移动一个间隔就测量一次，直至沿纵向测完一条线；然后将传感器沿水平方向移动一个间隔，再沿纵向从绕组上端向下慢慢移动并逐点测量完纵向各点；依此类推，直至扫完绕组全部表面，即可获得绕组表面各点相对于油箱体表面距离的数据。这些数据经计算机处理后，可在显示器上绘出绕组表面形状展开的平面图形。比较各点实测距离与变压器出厂时各点初值，就可以得出绕组变形情况。图) 给出了对一变压器绕组模拟变形（人为使绕组纵向上若干饼线圈向内凹陷发生变形）进行检测得出的结果，由图可以清楚地看出绕组变形的部位（图中对应的突出部分）及程度（线圈饼凹陷的幅度愈大，对应的测量距离L愈大）。
理论分析和实验结果表明，这种检测方法的测量绝对误差小于1mm，能准确地检测绕组变形程度及部位，且具有直观性、能带电操作。在进一步研究完善后，将成为一种新型检测手段。
8 结束语
随着电力系统规模和容量的不断扩大，电力系统的稳定与安全运行显得越来越重要，对电气设备的要求也越来越高。常见的大型电气设备故障直接威胁着电力系统的稳定和安全运行，并且影响供电质量。而解决这一问题最有效的手段就是对电气设备进行状态检测。超声传感技术综合利用了新材料、微电子和微机械加工技术，与先进的信号处理技术相结合后，不仅具有高可靠性，高灵敏度和高精度等优点，而且经济安全、安装方便，是设备状态检测和故障诊断的一种重要手段。特别是在电力系统电气设备故障检测和诊断方面，超声传感技术不仅可实现目前电气诊断方法已经进行或尚难进行的工作，而且具有更优良的性能和更高的可靠性，是电气设备预防性维修和故障诊断的有效手段。所以，在进一步实验研究后，将超声传感技术用于电力系统电气设备状态检测和故障诊断的研究工作不仅十分有意义，而且有着广泛的应用前景。
参考文献：
超声传感技术在电气设备故障诊断中的应用
舒乃秋，胡芳，周粲
（武汉大学电气工程学院，湖北武汉!"##$%）
3红外传感器技术
3.1红外传感器的分类与原理
任何物体只要其温度高于绝对零度，随着原子或分子的热运动，都会以电磁波形式释放能量，称为热辐射。物体温度不同，其辐射出的能量和波长都不同，但总是包括红外线的波普在内，且峰值波长将随温度的降低而增加。红外线所占电磁波波谱范围的波长为0.76um~1000um，当它在大气中传播时，大气会有选择地吸收红外辐射而使之衰减，仅有三
个较小的波段（1~2.5um，3~5um，8~14um）能穿透大气，这三个波段称为红外线的大气投射窗口。
红外线传感器可接受这些波段的红外辐射，并转化为相应的电信号，从而测得物体的温度。故红外线测温是一种非接触式的温度测量，它不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制。它的测温速度快、范围广，测量的灵敏度高；对被测物体温度场没有干扰，课测量各种物体的温度，包括液面和微笑的、运动的、远距离的目标。故红外线传感器特别适用于在线监测。
红外线传感器又称为红外探测器，它的主要技术参数为：
1响应度，即灵敏度，是探测器的输出信号电压与入射到探测器的辐射功率之比。
2响应时间，指传感器受辐射照射时，输出信号上升到稳定值的63%时所需的时间
3噪声等效功率，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器的噪声淹没时的功率，它代表了探测器的探测极限
4探测率，当探测器的敏感元件具有单位面积，放大器的测量宽带为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号电压噪声比
5光谱效应，指传感器的响应度随入射波长的变化
红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。
1热探测器
热探测器的测量机理是热效应，即利用敏感元件因接受红外辐射而使温度升高，从而引起一些参数变化，以达到测量红外辐射的目的。它的响应时间一般较长，在毫秒级以上，探测率也低于光子探测器2~3个数量级。但热探测器的光谱响应宽，可在室温下工作，使用方便，故仍有广泛的应用。常用的热探测器有以下两种，热敏电阻型探测器和热点偶型探测器。（1）热敏电阻型探测器
（2）热电偶型探测器
（3）热释电探测器
热释电探测器是一种新型红外探测器，与其他热探测器相比，响应时间短，甚至可制成响应时间小于微秒级的快速热释电探测器。与光子探测器相比，虽然其灵敏度较低，但光谱响应宽，可从可见光到亚毫米区（响应的波长为0.4~1000um），且可在室温下工作。故改探测器颇受重视，发展迅速。
热释电探测器根据热释电效应工作，所用材料是热电晶体中的铁电体。这种极性晶体由于其内部晶胞的正、负电荷重心不重合，在外电场作用下，会出现类似磁滞回线那样的电滞回线。其极化强度会随电场强度而增大，但在外加电压去除后，仍有一定的极化强度，
称为自发极化强度。它是温度的函数，随温度升高而降低，相当于释放了一部分面电荷。当温度高于居里温度时，则将为零。
居里温度是铁电相转变为顺电相时的温度。由于自发极化。热电晶体表面上应出现束缚电荷，平时这些束缚电荷常被晶体内和外来的自由点和所中和，故晶体并不显示存在有电场。但由于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间较长，约为数秒至数小时。而晶体自发极化的弛豫时间极短，约为皮秒级。故当热电晶体温度以一定频率发生变化时，由于面束缚电荷来不及中和，晶体的自发极化强度或面束缚电荷，依然以同样的频率出现周期性变化，而在垂直于极化强度的两端面间，产生一个交变电场，这种现象就是热释电效应。
利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的一种热敏型红外探测器。热释电材料是一种具有自发极化的电介质,它的自发极化强度随温度变化,可用热释电系数p来描述,p=dP/dT（P为极化强度，T为温度）。在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱。1938年就有人建议利用热释电效应制造红外探测器,直到1962年,J.库珀才对此效应作了详细分析，并制成红外探测器。热释电型红外探测器都是用硫酸三甘酞(TGS)和钽酸锂(LiTaO3)等优质热释电材料(p的数量级为10-8C/K.cm2)的小薄片作为响应元，加上支架、管壳和窗口等构成。它在室温工作时，对波长没有选择性。但它与其他热敏型红外探测器的根本区别在于，后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号。而热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号。这种探测器在室温工作时的探测率可达D≈1～2×109厘米·赫/瓦。70年代中期以来,这种探测器在实验室的光谱测量中逐步取代温差电型探测器和气动型探测器。
2光子探测器
(1)光电导探测器（光敏电阻）
(2)光伏探测器
(3)多元阵列探测器
3.2红外传感器应用于高压电力设备温度的测量
基于红外辐射原理, 研制开发用于高压电力设备温度在线监测的非接触式传感器；重点研究探测距离、外界热源、被测物体表面状况以及探测器本体温度等因素对传感器工作可靠性和精度的影响，给出提高传感器工作性能的措施，这些措施包括确定合适的探测距离、采用热源屏蔽筒屏蔽外界热源的干扰以及采用特殊涂料消除表面状况的影响等。本研究对提高基于红外辐射的非接触式传感器工作可靠性和精度方面有一定的创新，对提高高压电力设备运行可靠性乃至电力系统运行可靠性都有一定的实用价值。
电力工业中的许多设备，都在高电压、大电流的状态下运行，与热度有着极其密切的联系。在众多的停电事故中，因设备局部过热引起的停电检修时有发生[1]。因此，对电力设备温度的监测管理是国内外一直进行的工作。电力系统中，存在着数量众多的接头，为保证连接的可靠性，过去常采用“测直阻法”和“贴温度标签法”。随着电压等级的提高，这两种方法表现出明显的局限性。近年来，红外热成像仪在电力系统中得到了广泛的应用，但其价格
昂贵且需要人工操作，不适宜在线监测和自动化控制。由于被监测对象处于高电位，沿用通常的接触式测温方法是很困难的，因此近几年来，国内外开发了一些新的非接触型监测装置。例如ABB 公司研制的‘Safe Guard’装置[2]，主要用于配电开关柜中关键部位温度的在线监测，该装置采用石英晶体声表面波元件作为温度敏感元件，将其粘贴在待测部位，由其组成的振荡回路输出与温度有关的频率信号，采用红外调制发射技术，将高电位处温度值发送到低电位处的红外接受器上。日本电力工业研究中心通过监测由于异常接触引起电流路径改变而导致的磁场畸变，直接判断接头处的异常接触。一些学者提出一种非接触式智能激光温度计，它采用不导电的石英晶体传感器解决了高电压隔离问题，利用石英晶体旋光性和温度的关系，对采集到的电压信号进行处理, 得到对应的温度[3]。还有学者提出了采用电工功能材料作为热敏元件的测温方案[4]。上述各种方法，都有各自优缺点, 如ABB的方案结构较复杂，成本较高；其它或因工作可靠性低或因成本较高等原因，未在现场大面积推广。本文基于红外辐射原理，研制开发了用于高压电力设备温度在线监测的非接触式传感器；重点研究了探测距离、外界热源、被测物体表面状况以及探测器本体温度等因素对传感器工作可靠性和精度的影响，给出了提高传感器工作性能的措施。本研究对提高基于红外辐射的非接触式传感器工作可靠性和精度方面有一定的创新。所开发的测温传感器具有较强的通用性，可用于各种高电压电力设备中接头或其它部位温度的在线监测。对提高电气设备运行可靠性乃至电力系统运行可靠性都有一定的实用价值[7]。
2.1 红外测温基本原理
凡存在于自然界的物体均会向外辐射能量，这一能量主要决定于物体的温度。而对于“黑体”物质而言，也就是对波长没有选择性吸收和发射的物体，辐射的光谱就完全决定于该物体的温度。黑体的光谱辐射特性可以通过理论计算得出，图1 为黑
体辐射的波谱图，记录了黑体在不同温度下向外发射的各段波长及其强度。在图中可以明确看出，曲线互不相交，这意味着辐射强度在每一个波长下是严格的温度函数，通过测定辐射强度即可确定物体的温度。
对于黑体物质而言, 在单位时间、单位面积上发射的全部能量M(W/m2)与温度T 之间满足Stefan-Boltzmann 定律[5]
M =esT 4 (1)
式中ε为被测物体的表面发射率；σ为Stefan-Boltzmann 常数，W?m-2?K-4；T 为
物体的绝对温度，K。一般工程材料的辐射光谱是连续的，而且其辐
射强度曲线和同一温度下绝对黑体的辐射强度曲线相似，组成这种材料的物质称为灰体。根据基尔霍夫定律：
a+b+c=1 （2）
式中a 为吸收率；b 为反射率；c 为穿透率。对于灰体，c=0, 故有a=1-b, 在同一温度下，其发射率跟吸收率相等，即e =1-b。对于金属而言,其反射率较高，故发射率较低，尤其对抛光或有镀层的表面，更是如此。由式(1)可以看出，对于较低的发射率，在同样的温度下，物体辐射的能量大大减小。这会增加传感器探测难度并影响测量精度。例如，开关柜的接头通常是有镀层的铜，其发射率低于0.5, 因此必须采取措施提高其发射率。因为黑体的红外辐射中含有各种波长的分量,各波长段的能量大小不同，辐射能量最大的波长——峰值波长l max(μm)与黑体温度T 有如下关系
l max=a/T (3)式中a =2897.8μm ?K；
随着绝对温度的升高，峰值波长向短波方向移动。测量范围在273~473K, 对应的峰值波长为6.13~10.61μm。由于红外辐射能量微弱，为防止在大气传输中的损失，考虑到大气窗口(大气对某些波段的红外线吸收甚少)存在2~2.6μm，3~5μm，8~14μm三个波段，结合被测温度的要求，选取8~14μm 的频带宽度。
4气体传感器
4.1气体传感器的分类与原理
定义：能感受气体(组分、分压)并转换成可用输出信号的传感器。
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。
气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。气体传感器包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。气体检测仪的关键部件是气体传感器。气体传感器从原理上可以分为三大类：
A、利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式（表面控制型、体积控制型、表面电位型）、催化燃烧式、固体热导式等。
B、利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。
C、利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。
根据危害，我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。由于它们性质和危害不同，其检测手段也有所不同。
1可燃气体
可燃气体是石油化工等工业场合遇到最多的危险气体，它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体：如一氧化碳等。可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件，那就是：一定浓度的可燃气体，一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源，这就是爆炸三要素（如上左图所示的爆炸
三角形），缺一不可，也就是说，缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。当可燃气体（蒸汽、粉尘）和氧气混合并达到一定浓度时，遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。我们把可燃气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸浓度极限，简称爆炸极限，一般用%表示。实际上，这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。如上右图所示的阴影部分。当可燃气体浓度低于LEL（最低爆炸限度）时（可燃气体浓度不足）和其浓度高于UEL（最高爆炸限度）时（氧气不足）都不会发生爆炸。不同的可燃气体的LEL和UEL 都各不相同，这一点在标定仪器时要十分注意。为安全起见，一般我们应当在可燃气体浓度在LEL的25%或以下和50%时发出警报，这里，25%LEL称作低限报警，而50%LEL称作高限报警。这也就是我们将可燃气体检测仪又称作LEL检测仪的原因。需要说明的是，LEL检测仪上显示的100%不是可燃气体的浓度达到气体体积的100%，而是达到了LEL的100%，即相当于可燃气体的最低爆炸下限，如果是甲烷，100%LEL=5%体积浓度（VOL）。检测可燃性气体可使用半导体、催化燃烧式（抗中毒型）、热传导式和红外式传感器。
2.毒气体的检测
目前，对于特定的有毒气体的检测，我们使用最多的是专用气体传感器。
检测毒气的传感器主要有半导体式，电化学式和电解电池式三种。定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。半导体式传感器的灵敏度高，分辨率低。此种原理的传感器几乎已被淘汰，用户在选用此种传感器时要极为慎重。
电解电池式传感器
固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。电化学式传感器是目前被广泛应用的检测毒气的传感器。它利用氧化还原反应，通过不同的电解质可检测几十种有毒气体。根据电解质的质量，其寿命一般为2~4年。电化学传感器的构成是：将两个反应电极--工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中（如上图如示），然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。目前，电化学传感器是被广泛应用的检测无机有毒气体的传感器，可以检测到特定气体的电化学传感器包括：一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。
3.挥发性有机化合物的检测
对挥发性有机化合物的检测还有一种光离子化检测器(photo-ionization detector 简称PID)，它可以测量低至ppm(并万分之一)的有机有毒气体和蒸气浓度。PID 可以检测大多数的挥发性有机化合物（volatile organic compound ，简称VOC），简单地讲，PID可以测量含碳数从1（比如，CH2Cl2）一直到10（比如萘）的挥发性有机化合物。PID可用于各类使用、生产、存储、运输各类有机化合物企业的安全卫生。同时，它也可以用于环保行业的应急事故、工业卫生咨询、公安检查、防化等等各个领域。
4.氧气检测仪
氧气也是在工业环境中，尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量(富氧)，此时很容易发生爆炸的危险；而氧气含量低于19.5%为氧气不足（缺氧），此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。
4.2 新型燃料电池气体传感器在油中气体监测的应用
新型燃料电池气体传感器在变压器油中的应用
在线监测是状态维修的重要组成部分。长期以来，变压器油中气体在线监测的重要性和必要性在电力系统运行和维护人员中形成共识。应用中，监测设备的自身故障较多，其中，传感器和测量单元占了较大的比例另外，用户在选用在线监测装置时，往往忽视了有些监测装置本身固有的维护量要求。
燃料电池是一种通过电化学反应直接把化学能(气体或液体燃料)转换成电能，而无需通过热能或机械能转换的高效能量转换装置。其主要特点是节能和环保。
燃料电池气体传感器通过检测燃料电池两电极之间的电流信号(电流强度与气体浓度成正比)监测变压器油中气体的变化。燃料电池气体传感器成功应用于变压器油中气体在线监测已有近30年的历史，但由于传感技术的瓶颈，效果一直不理想。2003年，深圳市奥特迅传感技术有限公司自主开发了具有国际先进水平的复合型燃料电池气体传感器，在随后的几年中又陆续开发了国际首创的选择性氢气和乙炔燃料电池气体传感器，使变压器油中气体在线监测装置的低维护、高可靠性得以实现。
1一般燃料电池传感器的特点及存在的问题
1.1特点
(1)能监测与变压器故障有关的特征组分，即氢气、一氧化碳、乙炔和乙烯(这几种组分的增长几乎伴随着所有的故障机理)原理及构件简单，技术成熟，无消耗材料(消耗材料是空气中的氧气)，无易损件。
(2)对气体灵敏度高，响应速度快，动态测定范围大，重复性好。
1.2存在的问题
燃料电池型油中气体在线监测装置是全世界范围内用户最广、使用数量最多的在线监测装置(近3万套安装使用)，有许多成功的案例，获得了广泛认可。但市场上常用的燃料电池型油中气体在线监测装置由于受到当时的技术限制，也出现了一些问题。在传感器
方面问题主要表现在：
(1)油气分离膜破损导致传感器失灵。据统计，原有的传感器在现场使用过程中失灵的约80%是由于油气分离膜不耐负压受损而造成的，目前国内一些装置退出运行也主要是由于这原因。由于任何油中气体在线监测都离不开油气分离，膜的变形或破损实际上存在于所有使用膜分离技术的在线监测装置中。
(2)监测仪误报警。电力系统习惯于将电力设备修试规程中的油中溶解气体注意值设定为监测仪的报警值，例如氢气(H2)的注意值为150L/L。但由于早期的燃料电池型油中气体在线监测装置监测的是复合(混合)气体信号，变压器油中一氧化碳(CO)的相对灵敏度较高，因此即使H2含量很低，在变压器油中存在高浓度CO的情况下，监测仪的读书仍有可能超过报警值。
2 新型燃料电池气体传感器的结构及特点
是新型一体化燃料电池气体传感器结构示意图。
一体化燃料电池气体传感器结构示意图
它主要由传感器外壳、油气分离膜、微型燃料电池、温度传感器(未标出)、传感器盖及传感器信号输出接头等组成。这里的一体化机构是指油气分离(油气分离膜)、气体检测(燃料电池)、温度补偿为一体的物理集成，可直接安装于单个变压器阀门上。不同型号传感器检测气体的差别在于油气分离膜和燃料电池电极不同的化学性能。
一体化燃料电池气体传感器最突出的特点是油气分离、气体检测和温度补偿完全是自发进行，无需外界干预和激发，整体来说属于无源器件。其原理是：油中溶解气体在油气分离膜两侧分压的作用下自动渗透透过膜后的气体分子直接在一体化气体传感器电极上转换为电信号、电信号经微处理器换算出气体浓度及其变化趋势，通过网络实时地传送到监测终端。它便于对所有被监测的变压器进行集中在线监测。如变压器在运行中有异常，监测系统测量故障气体的浓度或其变化趋势超过设定的注意值时，会自动启动警报，使运行、检修人员能及时掌握变压器的状况并采取相应措施。
3新型燃料电池气体传感技术在在线监测装置中的应用
3.1可靠性的提高
新型复合式油气分离膜的开发成功克服了过去油气分离膜不能耐真空负压的技术难关，极大地提高了气体传感器的可靠性。是复合式油气分离膜示意图。高分子膜本体分离如PTFE与多孔金属烧结片在多孔粘接剂的作用下经300~400℃高温烧结成一个复合式油气分离膜。高透气性的粘结层的透气率比高分子膜的透气率高2~3个数量级，基本不影响
整体透气速率。它既保留了本体高分子膜的透气性能，又具备了金属材料的机械性能。
复合式油气分离膜结构示意图
从现场实际使用情况来看，还没有发现因复合式油气分离膜破损造成的传感器故障。新型燃料电池气体传感器特有的自我测试和诊断能力是高可靠性的另一个有利因素，它充分利用了燃料电池原理上的特性，采用类似于电容器的充放电试验，即给传感器两极反向接通一定时间直流电源，同时检测传感器的响应。是两个使用中KG2100A型传感器的自我测试响应曲线对比。其中，损坏传感器的自我测试，结果会显示：立即更换传感器。现场使用过程中，在线监测仪会定期自动地对传感器进行自我测试，并与仪器出厂时的测试值进行比较，确保长期监测过程中传感器始终处于正常工作状态。
另外，选择性燃料电池气体传感器是化学气体传感器的一个重要突破。它克服了复合气体传感器不能直接读出单一气体浓度的不足。
表1 选择性燃料电池传感器与复合气体传感器的性能比较
传感器的高可靠性还得益于近十几年来材料科学的发展，例如，早期气体传感器有中毒现象，即油中大量的一氧化碳气体会降低传感器的灵敏度，现已通过合金电催化剂得到了解决。
3.2免维护性
新型燃料电池传感技术免维护的概念主要有以下两方面。
(1)无需易损件和消耗品，燃料电池的燃料是被监测气体，而燃烧过程是在电催化剂作用下不见火焰的常温氧化反应，唯一的消耗品是空气中源源不断的氧气。另外，一体化燃料电池传感器也不需要油泵、气泵和阀门等易损件。
(2)在运行周期内无需进行校准，也就是说，传感器本身有足够的稳定性，在长期偏差
允许的范围之内不需要再进行校准。
是KG2100A燃料电池型油中气体传感器在使用3年多时间内的零漂变化。有些在线气象色谱仪的高精度指标只是短期偏差，是要以频繁的校准、维护作为代价的。因此，建议用户在购买在线色谱仪时要关注达到精度要求所需的校准周期。
型传感器零漂随时间的变化
4 燃料电池技术与气相色谱技术产品的比较
目前，市场上常见的油中气体在线监测装置主要有两种，它们分别采用气象色谱技术和燃料电池气体传感技术，两者各有特点。前者可以监测6~7种组分(即全组分)，便于在线利用经验模型(如比值法)等进行故障类型分析。但由于其原理及构件复杂，要长期用于在线监测具有一定的局限性，虽然近年来，有些部件的可靠性有了明显提高，但整体技术的局限性依然存在。例如在油气分离、气气分离，气体检测及环境控制四个步骤上，在线气象色谱仪常采用机械方法脱气、色谱柱分离组分及相应的定量系统和控温单元。因其构件、单元复杂，这对其零部件的可靠性要求是一个很大的挑战。因为系统的可靠性几乎是各个单元的可靠性的乘积。另外，在线气象色谱仪的构件中有易损件和消耗件，要更换载气、标气，色谱分离柱老化再生，空调过滤网清洗，更换检测器、油泵、气泵、电磁阀、流量开关等，要有相应的基本维护量。表2是在规划安装50台气相色谱类在线监测装置或50台燃料电池类产品时的维护工作量对照。
从表2可以看出，在线气象色谱仪维护要求高，它适合于需要重点呵护的变压器而燃料电池在线监测装置基本上不需要维护，成本(购买及使用成本)低，因此适合于作为更多变压器的看门狗或哨兵。
在线气象色谱仪的工作模式为间歇式(与此相对应的是燃料电池技术工作模式为连续式)，其维护周期还与检测分析周期的长短有关。以增加检测间隔或牺牲监测精度来延长维护的间隔，例如每天甚至更长时间测一次，从某种意义上讲已经达不到在线监测的要求。
自考“机电一体化”专业衔接考试《传感器与检测技术》课程 实验环节实施方案 一、实验要求 根据《传感器与检测技术》课程教学要求，实验环节应要求完成3个实验项目。考虑到自考课程教学实际情况，结合我院实验室的条件，经任课教师、实验指导教师、教研室主任和我院学术委员会认真讨论，确定开设3个实验项目。实验项目、内容及要求详见我院编制的《传感器》课程实验大纲。 二、实验环境 目前，我院根据编制的《传感器》课程实验大纲，实验环境基本能满足开设的实验项目。实验环境主要设备为： 1、486微机配置 2、ZY13Sens12BB型传感器技术实验仪 三、实验报告要求与成绩评定 学生每完成一个实验项目，要求独立认真的填写实验报告。实验指导教师将根据学生完成实验的态度和表现，结合填写的实验报告评定实验成绩。成绩的评定按百分制评分。 四、实验考试 学生在完成所有实验项目后，再进行一次综合性考试。教师可以根据学生完成的实验项目，综合出3套考试题，由学生任选一套独立完成。教师给出学生实验考试成绩作为最终实验成绩上报。 五、附件
附件1 《传感器与检测技术》课程实验大纲 附件2 实验报告册样式 以上对《传感器与检测技术》课程实验的实施方案，妥否，请贵校批示。 重庆信息工程专修学院 2009年4月14日
附件1 《传感器与检测技术》课程实验教学大纲 实验课程负责人：段莉开课学期：本学期 实验类别：专业课程实验类型：应用性实验 实验要求：必修适用专业：机电一体化 课程总学时：15 学时课程总学分： 1分 《传感器与检测技术》课程实验项目及学时分配
实验一 金属箔式应变片性能—单臂电桥 一、 实验目的 1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。 2、测试应变梁变形的应变输出。 3、比较各桥路间的输出关系。 二、 实验内容 了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。（用测微头实现） 三、 实验仪器 直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、电压表、主、副电源。 四、 实验原理 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： R Ku R ?=式中 R R ?为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数, l u l ?=为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换 被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压 14 O EKu U = 。 五、 实验注意事项 1、直流稳压电源打到±2V 档，电压表打到2V 档，差动放大增益最大。 2、电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。 3、做此实验时应将低频振荡器的幅度旋至最小，以减小其对直流电桥的影响。 六、 实验步骤 1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 2、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与电压表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源，拆去实验连线。 3、根据图１接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R X =R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V 档，电压表置20V 档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使电压表显示为零，然后将电压表置2V 档，再调电桥W1（慢慢地调），使电压表显示为零。
读书破万卷下笔如有神 一、1.1什么是传感器？传感器特性在检测技术系统中起什么作用？ 答：（1）能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。（2）传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。 1.2画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。 答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息 其中转换元件、信号调理电路都需要再接辅助电源电路；（2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用电路。 1.3什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？ 答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。（3）灵敏度：s=&y/&x；非线性度=B/A*100%；回程误差=Hmax/A*100%；不重复性 Ex=+-&max/Yfs*100%；精度：A=&A/ Yfs*100%； 1.4什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？ 答：（1）指传感器在稳定工作情况下输出量变化&y对输入量变化&x的比值；（2）灵敏度越高，测量精度就越大，但灵敏度越高测量范围就越小，稳定性往往就越差。 1.5什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？ 答：(1)通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线，在实际工作中，为使仪器（仪表）具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。（2）方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 二、2.1什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：（1）由于测量过程的不完善或测量条件的不理想，从而使测量结果偏离其真值产生测量误差。（2）有绝对误差、相对误差、引用误差、分贝误差。（3）绝对误差用来评价相同被测量精度的高低；相对误差可用于评价不同被测量测量精度的高低；为了减少仪器表引用误差，一般应在满量程2/3范围以上进行测量。 2.2按测量手段分类有哪些测量方法？按测量方式分类有哪些测量方法？ 答：（1）按测量手段分类：a、绝对测量和相对测量；b、接触测量和非接触测量；c、单项测量和综合测量；d、自动测量和非自动测量；e、静态测量和动态测量；f、主动测量和被动测量。（2）按测量方式分类：直接测量、间接测量和组合测量。 2.3产生系统误差的常见原因有哪些？常见减少系统误差的方法有哪些？ 答:原因有：a、被检测物理模型的前提条件属于理想条件，与实际检测条件有出入；b、检测线路接头之间存在接触电动势或接触电阻；c、检测环境的影响；d、不同采样所得测量值的差异造成的误差；e、人为造成的误读等等。 2.4什么是准确度、精密度、精确度？并阐述其与系统误差和随机误差的关系？ 答：测量的准确度是指在一定的实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，以误差来表示；它表示系统误差的大小。精密度是指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致程度。反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度高。精确度是指被测量的测得值之间的一致程度以及与其真值的接近程度，即精密度与正确度的综合概念。从测量误差的
!知识目标：掌握接近开关的基本工作原理，了解各种接近开关的环境特性及使用方法，掌握应用接近开 T丨关进行工业 技术检测的方法 教学■ 口h I能力目标：对不同接近开关进行敏感性检测，使用霍尔接近开关完成转动次数的测量。 目标！ i素质目标： ■ ■ ■ W ■?Fr??T??* 教学 重点 .■该学…t 难点i接近开关的基本工作原理 I ---一一 ^—--十一- ——一一-一-一一--- —一-- . - — - - _-一- --- 教学］理实一体千 輕丨实物讲解手段!小组讨论、协作 接近开关的应用 教学! 学时丨10 教学内容与教学过程设计 1理论学习〗 项目一开关量检测 任务一认识接近开关 一、霍尔效应型接近开关 1.霍尔效应 霍尔效应的产生是由于运动电荷在磁场作用下受到洛仑兹力作用的结果。把N型半导体薄片放在磁场中，通以固定方向的电流i图1-2霍尔效应 么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流方向相反的方向运动。 如图1-2所示，i || （从a点至b点），那\ I讲解霍尔效应基i本原 理，及霍尔电 I动势。 2.霍尔元件 霍尔元件的结构简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图1-3 所示。 图1-3 霍尔元件
—H ■ ——= H H H —H ■ ■ H H H H — H I 3.霍尔原件的性能参数 1）额定激励电流 2）灵敏度KH 3）输入电阻和输出电阻 4）不等位电动势和不等位电阻 5）寄生直流电动势 6）霍尔电动势温度系数 4.霍尔开关 霍尔开关是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。 图1-6霍尔开关 5.霍尔传感器的应用 1）霍尔式位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，有功功率及电能 参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。 1-7 霍尔式位移传感器的工作原理图 2）霍尔式转速传感器 图1-8所示的是几种不同结构的霍尔式转速传感器。 图1-8 几种霍尔式转速传感器的结构 3）霍尔计数装置 图1-9所示的是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通过霍尔开关传感器 时，传感器可输出峰值20 mV的脉冲电压，该电压经运算放大器（卩A741）放大后，驱动半导 蒞H尤 ｛牛 吐n惑坳强屢曲同的传黑 器 霜晦疋件 \ -Av 骷］罰腋的怖楞传想 器 雷耳朮件 At 畑铀构柑同的拉牌传感盟 1 了解霍尔传感器 I i的应用。 它不仅用于磁感应强度、 U) 2
2003年4月重庆大学学报Apr.2003 第26卷第4期JOurnaI Of ChOngging University VOI.26 NO.4文章编号：l000-582X（2003）04-0086-04 用于GIS局部放电检测的电容型传感器! 许高峰，侍海军，唐炬，朱伟，魏钢，唐治德 （重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆400044） 摘要：气体绝缘组合电器（GIS）的同轴结构有利于局部放电激发的电磁场传播，为内部传感器检测局部放电提供了有利的条件，针对GIS结构及其中局部放电的特点，设计了用于局放信号检测的圆板型和圆环型两种内置电容耦合式传感器，描述了该传感器的结构。通过方波响应试验仿真与试验实测研究了传感器频率响应特性，并采用方波信号输入输出关系曲线分析了传感器对暂态信号耦合的输入输出特性。用所设计的传感器进行GIS模拟装置中电晕放电脉冲实测，实测结果表明设计的传感器性能可靠，灵敏度较高，可用于GIS局部放电的测量。 关键词：气体绝缘组合电器；局部放电；传感器；方波响应 中图分类号：TM835文献标识码：A 气体绝缘组合电器内部有时会存在一些绝缘缺 陷［l-2］，如内部杂质、导电体上毛刺、浮电位和固体绝 缘表面脏物等。这些缺陷通常比较微小和隐蔽，不足以在工频耐压试验时被发现，但投入运行后在正常运行电压作用下会发生局部放电，在长期运行过程中绝缘缺陷会逐渐发展扩大，最终导致绝缘事故，因此有必要对GIS进行局部放电检测。 GIS内部局部放电总是在小范围里发生，且具有极快的击穿特性［2］，这种局放陡脉冲包括从高频到超高频的频率成分。通过安装于GIS内部的传感器［3-5］，耦合局放信号，就可以有效地监视GIS绝缘状况，并及时发现内部绝缘缺陷。由于局部放电信号微弱，而且等值频率极高，因而要求传感器有很高的灵敏度和良好的频率响应特性。 笔者设计了两种结构的内置传感器，安装在GIS 模拟装置内部不同位置，通过传感器方波信号耦合试验分析传感器的信号耦合线性度，通过传感器方波响应分析传感器的频率响应特性，并采用该传感器对GIS模拟装置中实际局放脉冲进行了测量。 l 传感器结构 为了进行GIS局部放电检测的研究，结合实验室的GIS模拟装置尺寸，设计了用于检测GIS局部放电的圆板型和圆环型两种内置传感器，其结构如图l 所示。内置传感器安装在模拟装置外壳上，其结构和安装不影响GIS内部的电场分布。 图l 电容传感器结构示意图 圆板或圆环对内导体和对金属接地外壳都具有一定的耦合电容作用，分别用! l 、! 2 来表示，如图2。对 于圆板传感器，其对地耦合电容! 2 为圆板电极与凹形底面和传感器安装孔侧壁之间的耦合电容；对于圆环 !收稿日期：2002-l2-l8 基金项目：重庆市应用基础基金资助项目（2002-45） 作者简介：许高峰（l975-），男，湖南衡南人，重庆大学博士生，主要从事电气设备在线监测及故障诊断研究。
“传感器与检测技术”实验报告 学号： 913110200229 姓名：杨薛磊 序号： 83
实验一电阻应变式传感器实验 （一）应变片单臂电桥性能实验 一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。 二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流 1位数显万用表（自备）。 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4 2 四、实验步骤： 应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。
传感器与自动检测技术 一、填空题（每题3分） 1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。 2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。 3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化。 5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。 7、固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。 8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用
UHF局部放电传感器的设计 本文首先阐述了局部放电的原理，分为常见原因、频带范围及技术瓶颈；其次给出了局部放电信号接收原理，即接收天线的设计理念；然后给出了传感器的结构设计，分为内置式和外置式；最后进行了讨论。相关内容还需进一步的分析研究。 1UHF检测局部放电的原理 变压器 超高频法（UHF法）是通过超高频信号传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。研究认为：变压器每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油－隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数GHz。荷兰KEMA 实验室的Rutgers 等人和英国Strathclyde 大学的Judd 等人的研究表明：油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激励起1GHz 以上的超高频电磁信号。它可以通过超高频传感器加以耦合接收，这就为进一步研究超高频检测技术在电力变压器中的应用提供了依据。在超高频范围内（300MHz～3000 MHz）提取局部放电产生的电磁波信号，外界干扰信号几乎不存在，因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高变压器局部放电检测（特别是在线检测）的可靠性和灵敏度。 GIS GIS内部发生局部放电时，由于放电点处电荷的迅速转移，形成持续时间很短的电流脉冲（ns级），并产生频率分量极其丰富的电磁信号（高达GHz），通过传感局部放电所产生的电信号进行局部放电检测，有可能实现较高的灵敏度，并能够及时发现早期的局部放电。 局部放电电信号传感面临的关键困难是电磁干扰问题。GIS局部放电在线检测要求在GIS运行的现场条件下进行检测，由于电晕放电等原因，现场条件下存在大量的电磁干扰信号。尤其常规局部放电检测所使用的频段（几十kHz~几百kHz），干扰信号的强度有可能远远大于所要检测的局部放电信号，使得局部放电检测的电信号传感器无法实现。GIS局部
精品资料 “传感器与检测技术”实验报告 序号实验名称 1 电阻应变式传感器实验 2 电感式传感器实验 学号： 3 电容传感器实验913110200229 姓名：杨薛磊 序号：83
实验一电阻应变式传感器实验 （一）应变片单臂电桥性能实验 一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。 二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感 器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元 件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。 它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在 机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 三、需用器件与单元：主机箱中的± 2V ～± 10V （步进可调）直流稳压电源、±15V 直 流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4 12位数显万用表（自备）。 四、实验步骤： 应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器 +5V 电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模 板中的 R1( 传感器的左下 )、R2( 传感器的右下 )、R3( 传感器的右上 )、R4( 传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的 5 个电阻符号是空的无实体，其中 4 个电阻 符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R 6、R7是 350 Ω固定电阻， 是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器 上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应 变片输入口，做应变片测量振动实验时用。 1、将托盘安装到传感器上，如图 1 —4 所示。
电力设备高频局部放电测试仪一般由高频电流传感器、相位信息传感器、信号采集单元、信号处理单元和数据处理终端和显示交互单元等构成。高频局部放电检测仪器应经具有资质的相关部门校验合格，并按规定粘贴合格标志。 a)按照设备接线图连接测试仪各部件，将传感器固定在盆式绝缘子非金属封闭处，传感器应与盆式绝缘子紧密接触并在测量过程保持相对静止，并避开紧固绝缘盆子螺栓，将检测仪相关部件正确接地，电脑、检测仪主机连接电源，开机。 b)开机后，运行检测软件，检查仪器通信状况、同步状态、相位偏移等参数。 c)进行系统自检，确认各检测通道工作正常。 d)设置变电站名称、检测位置并做好标注。对于GIS 设备，利用外露的盆式绝缘子处或内置式传感器，在断路器断口处、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处均应设置测试点。一般每个GIS间隔取2~3点，对于较长的母线气室，可5~10米左右取一点，应保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析。e)将传感器放置在空气中，检测并记录为背景噪声，根据现场噪声水平设定各通道信号检测阈值。 f)打开连接传感器的检测通道，观察检测到的信号，测试时间不少于30秒。如果发现信号无异常，保存数据，退出并改变检测位置继续下一点检测。如果发现信号异常，则延长检测时间并记录多组数据，进入异常诊断流程。必要的情况下，可以接入信号放大器。测量时应尽可能保持传感器与盆式绝缘子的相对静止，避免因为传感器移动引起的信号而干扰正确判断。 g)记录三维检测图谱，在必要时进行二维图谱记录。每个位置检测时间要求30s，若存在异常，应出具检测报告（格式见附录A）。
h)如果特高频信号较大，影响GIS 本体的测试，则需采取干扰抑制措施，排除干扰信号，干扰信号的抑制可采用关闭干扰源、屏蔽外部干扰、软硬件滤波、避开干扰较大时间、抑制噪声、定位干扰源、比对典型干扰图谱等方法。
局部放电检测原理介绍 超声波检测法 GIS设备局部放电的超声波检测法是利用安装在GIS外壳上的超声波传感器接收局部放电产生的振动信号以达到检测内部局部放电的目的。在GIS 中，除局部放电产生的声波外，还有微粒碰撞绝缘子或外壳、电磁振动、操作引起的机械振动等也会发出的声波。气体和液体中只传播纵波，固体中传播的声波除纵波外还有横波。故在GIS中沿SF6气体传播的声波和在变压器油中一样只有纵波，但其传播速度很慢，要比油中低10倍，衰减也大，且随频率的增加而增大。测量超声波信号的传感器主要有加速度和声发射两种。当采用加速度传感器时，要采用高通滤波器以消除较低频率的背景干扰；声发射传感器的原理是利用谐振方式，其频率特性中已经包含了高通特性，因此无需另外附加相应的滤波器件。 由于声音的传播速度比电磁波慢很多，时间差更容易进行测量，定位更加准确，并且定位后还可通过敲击GIS外壳的方法进行验证，所以在放电定位方面，声学检测法比电学的方法更优越，加之超声波传感器与GIS设备的电气回路之间无任何联系，抗电磁干扰性较好，因此人们对超声法的研究较为深入，技术手段较为成熟。但是超声波检测法的灵敏度不仅取决于局部放电的能量，而且取决于超声波信号在传播路径上的衰减，在大多数情况下，超声传感器的灵敏度不是很高。近年来，由于声—电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高[66-77]，但是超声传感器的有效检测范围仍然较小，完成一个较大规模GIS变电站的检测通常需要数天的时间，检测效率不高。 特高频法 特高频法(Ultra High Frequency，简称UHF) 是近年发展起来的一种新的GIS设备局部放电的检测技术。它是利用装设在GIS内部或外部的天线传感器接受局部放电辐射出的300～3000MHz频段的特高频电磁波信号进行局部放电的检测和分析[56~63]。运行中的GIS内部充有高气压SF6气体，其绝缘强度和击穿场强都很高。当局部放电在很小的范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流，并向四周辐射出特高频电磁波。GIS设备的腔体结构相当于一个良好的同轴波导，非常有利于电磁波的传播。特高频传感器的安装方式目前应用较为广泛的主要有两种：外置式和介质窗口式。外置式传感器将传感器贴在GIS设备盆式或盘式绝缘子的外表面，依靠绝缘子表面电磁波的泄露进行UHF信号的检测，此方法可带电安装。介质窗口式传感器是将传感器安装在检修手孔或CT端子箱处，此方法需停电安装或在设
传感器与自动检测技术验 指导书 张毅李学勤编著 重庆邮电学院自动化学院 2004年9月
目录 C S Y-2000型传感器系统实验仪介绍 (1) 实验一金属箔式应变片测力实验（单臂单桥） (3) 实验二金属箔式应变片测力实验（交流全桥） (6) 实验三差动式电容传感器实验 (9) 实验四热敏电阻测温实验 (12) 实验五差动变压器性能测试 (14) 实验六霍尔传感器的特性研究 (17) 实验七光纤位移传感器实验 (21)
CSY-2000型传感器系统实验仪介绍 本仪器是专为《传感器与自动检测技术》课程的实验而设计的，系统包括差动变压器、电涡流位移传感器、霍尔式传感器、热电偶、电容式传感器、热敏电阻、光纤传感器、压阻式压力传感器、压电加速度计、压变式传感器、PN结温度传感器、磁电式传感器等传感器件，以及低频振荡器、音频震荡器、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、涡流变换器等信号和变换器件，可根据需要自行组织大量的相关实验。 为了更好地使用本仪器，必须对实验中使用涉及到的传感器、处理电路、激励源有一定了解，并对仪器本身结构、功能有明确认识，做到心中有数。 在仪器使用过程中有以下注意事项： 1、必须在确保接线正确无误后才能开启电源。 2、迭插式插头使用中应注意避免拉扯，防止插头折断。 3、对从各电源、振荡器引出的线应特别注意，防止它们通过机壳造成短路，并 禁止将这些引出线到处乱插，否则很可能引起一起损坏。 4、使用激振器时注意低频振荡器的激励信号不要开得太大，尤其是在梁的自振 频率附近，以免梁振幅过大或发生共振，引起损坏。 5、尽管各电路单元都有保护措施，但也应避免长时间的短路。 6、仪器使用完毕后，应将双平行梁用附件支撑好，并将实验台上不用的附件撤 去。 7、本仪器如作为稳压电源使用时，±15V和0~±10V两组电源的输出电流之和 不能超过1.5A，否则内部保护电路将起作用，电源将不再稳定。 8、音频振荡器接小于100Ω的低阻负载时，应从LV插口输出，不能从另外两个 电压输出插口输出。
一、1.1什么是传感器？传感器特性在检测技术系统中起什么作用？ 答：（1）能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。（2）传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。 1.2画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。 答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息 其中转换元件、信号调理电路都需要再接辅助电源电路； （2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用电路。 1.3什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。（3）灵敏度：s=&y/&x；非线性度=B/A*100%；回程误差=Hmax/A*100%；不重复性Ex=+-&max/Yfs*100%；精度：A=&A/ Yfs*100%； 1.4什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？ 答：（1）指传感器在稳定工作情况下输出量变化&y对输入量变化&x的比值；（2）灵敏度越高，测量精度就越大，但灵敏度越高测量范围就越小，稳定性往往就越差。 1.5什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？ 答：(1)通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线，在实际工作中，为使仪器（仪表）具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。（2）方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 二、2.1什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：（1）由于测量过程的不完善或测量条件的不理想，从而使测量结果偏离其真值产生测量误差。（2）有绝对误差、相对误差、引用误差、分贝误差。（3）绝对误差用来评价相同被测量精度的高低；相对误差可用于评价不同被测量测量精度的高低；为了减少仪器表引用误差，一般应在满量程2/3范围以上进行测量。 2.2按测量手段分类有哪些测量方法？按测量方式分类有哪些测量方法？ 答：（1）按测量手段分类：a、绝对测量和相对测量；b、接触测量和非接触测量；c、单项测量和综合测量；d、自动测量和非自动测量；e、静态测量和动态测量；f、主动测量和被动测量。（2）按测量方式分类：直接测量、间接测量和组合测量。 2.3产生系统误差的常见原因有哪些？常见减少系统误差的方法有哪些？ 答:原因有：a、被检测物理模型的前提条件属于理想条件，与实际检测条件有出入；b、检测线路接头之间存在接触电动势或接触电阻；c、检测环境的影响；d、不同采样所得测量值的差异造成的误差；e、人为造成的误读等等。 2.4什么是准确度、精密度、精确度？并阐述其与系统误差和随机误差的关系？ 答：测量的准确度是指在一定的实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，以误差来表示；它表示系统误差的大小。精密度是指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致程度。反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度高。精确度是指被测量的测得值之间的一致程度以及与其真值的接近程度，即精密度与正确度的综合概念。从测量误差的角度来说，精确度（准确度）是测得值的随机误差和系统误差的综合反映。正确度是指被测量的测得值与其真值的接近程度。反映的是测得的系统误差。
《传感器与检测技术》课程教学大纲 一、课程的性质、课程设置的目的及开课对象 本课程是机械设计制造及其自动化专业（机械电子工程方向）学生的重要专业课程。本课程设置的目的是通过对传感器的一般特性与分析方法，传感器的工作原理、特性及应用，检测系统的基本概念的学习，通过本课程的学习，使学生掌握检测系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的传感器，并能够对检测系统的性能进行分析、对测得的数据进行处理。 开课对象：机械设计制造及其自动化专业（机械电子工程方向）本科生。 二、先修课程：高等数学、工程数学、电子技术、数字电子技术等。 三、教学方法与考核方式 1.教学方法：理论教学与实验教学相结合。 2.考核方式：闭卷考试。 四、学时分配 总学时48学时。其中：理论38学时，实验10学时 五、课程教学内容与学时 （一）传感器与检测技术概念 传感器的组成、分类及发展动向，技术的定义及应用。 重点：传感器与检测技术的目的和意义。 教学方法：课堂教学和现场认识教学相结合。 （二）传感器的特性 1.传感器的静态特性 2.传感器的动态特性及其响； 重点：传感器的静态特性与动态特性的性质。 难点：工艺计算与平面布置；微机联网控制系统。 广度：本章主要讲述传感器特性的基础知识。 深度：主要讲述传感器的特性，不涉及复杂的内容。 教学方法、手段：课堂教学、多媒体教学，强化实际操作。 （三）电阻式传感器 1.电位器式传感器的主要特性及其应用 2.应变片的工作原理 3.应变片式电阻传感器的主要特性及应用 重点：理解电位器式传感器、应变片式传感器的工作原理，掌握它们的性能特点，了解其常用结构形式及应用。 难点：线性与非线性电位器的测量原理，应变片式传感器的测量原理、温度误差及其补偿。
局部放电中超声波传感器的选型 应用范围：检测开关柜、GIS、变压器、电缆等电力设备局放产生的超声波信号，表征设备的局放状态与性质。 相关标准： ?IEC/TS 62478,Ed.1:高压试验技术.通过电磁和声学法进行局部放电测量 ?DL/T 1250-2013 气体绝缘金属封闭开关设备带电超声局部放电检测应用导则 ?DL/T 1416-2015 超声波法局部放电现场测量技术条件 ?Q/GDW 11061-2013 局部放电超声波检测仪技术规范 检测原理：将局部放电产生的超声波信号通过AE传感器转换为电信号传输给测量主机，通过定量和定位测量，对电气设备内的局部放电水平进行表征。 检测频带： 用于SF6气体绝缘电力设备的超声波检测仪，一般在20KHz~80KHz范围内；对于充油电力设备的超声波检测仪，一般在80KHz~200KHz范围内； 对于非接触式的超声波检测仪，一般在20KHz~60KHz范围内。 基本结构： 部分产品图片
一、差分传感器AE503D 关键词：差分输出、日本原装、噪音低、一致性好、适合高端应用。 谐振频率：50kHz±20% 接口：差分输出双芯BNC接口 尺寸(mm)：Φ20*28H ================================================= 二、谐振传感器PXR03/PXR07/PXR15/AE303S/AE503S/AE104S/AE144S 关键词：单端输出、频段齐全。 ∴针对不同主设备超声波信号频段的差异，可配置对应型号的超声波传感器。 ∴国产PXR系列产品价格实惠、批量更多折扣，10个9折，20个85折。。。100个75折接口：单端输出M5接口 ================================================= 三、自带吸附装置的传感器PXR15RMH、PXR03RMH 关键词：自带磁吸附装置、方便安装。 PXR03RMH30kHzΦ25*20H长沙鹏翔
实验一压阻式压力传感器的压力测量实验第一部分：压阻式压力传感器 一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。 三、需用器件与单元：压力源(已在主控箱)、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±4V、±15V。 四、实验步骤： 1、这里选用的差压传感器两只气咀中，一只为高压咀，另一只为低压咀。本实验模板连接见图1-1，压力传感器有4端：3端接+2V电源，1端接地线，2端为U0+，4端为U0-。1、 2、 3、4端顺序排列见图1-1。端接线颜色通过观察传感器引脚号码判别。 2、实验模板上R w2用于调节零位，R w2可调放大倍数，按图1-1接线，模板的放大器输出V02引到主控箱数显表的V i插座。将显示选择开关拨到合适档位，反复调节R w2(R w1旋到满度的1/3)使数显表显示为零。 3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。 图1-1 压力传感器压力实验接线图 4、合上主控箱上的气源开关K3，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠
浮起悬于玻璃管中。 5、逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度。 6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮，使在4～14KP之间每上升1KP 分别读取压力表读数，记下相应的数显表值列于表(1-1) 表(1-1)压力传感器输出电压与输入压力值 思考题 1、计算本系统的灵敏度和非线性误差。 2、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法如下：输入4KPa气压，调节R w2(低限调节)使数显表显示0.400V，当输入12KPa气压，调节R w1(高限调节)，使数显表显示1.200V这个过程反复调节直到足够的精度即可。 3、利用本系统如何进行真空度测量？ 第二部分： 扩散硅压阻式压力传感器差压测量 一、实验目的：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。 二、基本原理：压阻式压力传感器的硅膜片受到两个压力P1和P2作用时由于它们对膜片产生的应力正好相反，因此作用在压力膜片上是ΔP=P1-P2，从而可以进行差压测量。 三、需用器件与单元：实验八所用器件和单元、压力气囊。 四、实验步骤： 请同学们自拟一个差压测量的方法，并记录实验数据。
第三章特高频局部放电检测技术 目录 第1节特高频局放检测技术概述 (2) 1.1 发展历程 (2) 1.2 技术特点 (4) 1.2.1 技术优势 (4) 1.2.2 局限性 (5) 1.2.3 适用范围 (6) 1.2.4 技术难点 (6) 1.3 应用情况 (8) 1.3.1 国外应用情况 (8) 1.3.2 国内应用情况 (8) 第2节特高频局放检测技术基本原理 (10) 2.1 特高频局放电磁波信号基本知识 (10) 2.1 GIS内部电磁波的传播特性 (10) 2.3 特高频局放检测技术基本原理 (12) 2.3 特高频局放检测装置组成及原理 (13) 第3节特高频局放检测及诊断方法 (16) 3.1 检测方法 (16) 3.1.1 操作流程 (16) 3.1.2 注意事项 (18) 3.2 诊断方法 (19) 3.2.1 诊断流程 (19) 3.2.2 现场常见干扰及排除方法 (20) 3.2.3 放电缺陷类型识别与诊断 (22) 3.2.4 放电源定位 (25) 3.2.5 局部放电严重程度判定 (26) 第4节典型案例分析 (27) 4.1 220kV GIS盆式绝缘子内部气隙缺陷检测 (27) 4.2 110kV电缆-GIS终端绝缘内部气隙缺陷检测 (29) 4.3 220kV GIS内部刀闸放电缺陷检测 (34) 参考文献 (39)
第1节特高频局放检测技术概述 1.1 发展历程 电力设备内发生局部放电时的电流脉冲（上升沿为ns级）能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，特高频（Ultra High Frequency，UHF）局部放电检测技术就是通过检测这种电磁波信号实现局部放电检测的目的。特高频法检测频段高（通常为300M～3000MHz），具有抗干扰能力强、检测灵敏度高等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、定位和故障类型识别[1]。特高频法过去曾被称为“超高频法”。但是按照中华人民共和国无线电频率划分规定，300MHz~3000MHz频带划分为特高频，因此该检测方法的正式名称为特高频法。 特高频局部放电检测技术是20世纪80年代初期由英国中央电力局（Central Electricity Generating Board，CEGB）首先提出来的，该方法由Scottish Power于1986年最先引进并应用于英国的Torness 420kV的GIS设备上[2]。Torness电站的多年运行经验验证了该方法的可行性，并得到了人们的认可。随后UHF法也被用于变压器等其他电力设备的局部放电检测中。经过三十余年的发展，该方法逐渐成熟，相关的技术标准也相继形成。期间英国Strathclyde大学、德国Stuttgart 大学、荷兰Delft大学和日本Nagoya大学的研究工作最为突出[3]。此外，英国的Rolls Royce工业电力集团、QualitrolDMS，德国的Siemens AG、Doble-Lemke，瑞士的ABB，荷兰的KEMA，法国的ALSTOM T&D，日本的Kyushu Institute of Technology、东京电力、三菱、东芝、日立、AEPower Systems，韩国的Power System Diagnosis Tech、HYOSUNGCorporation，澳大利亚的New South Wales大学、Powerlink Queensland Ltd作了大量的基础理论研究与技术开发工作。自20世纪90年代末以来，国内的西安交通大学、清华大学、重庆大学、华北电力大学、上海交通大学等高校和公司也开展了大量的研究和推广工作，取得了一定的研究成果。基本从2006年以来，UHF局放检测技术在国家电网公司、南方电网公司等国内电力企业得到了广泛应用，特别是在气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulation Switchgear, GIS）的绝缘缺陷检测中发挥了重要作用。 20世纪90年代，由Judd和Hampton等人对局放电磁波的激励特性及其传播特性做了研究，对电磁波的表达式进行了推导分析。此外，还提出采用分析电磁场的有限时域差分(FDTD)方法对GIS 局放的激励特性进行仿真分析。德国
西安理工研究生考试 传 感 器 与 智 能 检 测 技 术 课 后 习 题
1、对于实际的测量数据，应该如何选取判别准则去除粗大误差？ 答：首先，粗大误差是指明显超出规定条件下的预期值的误差。去除粗大误差的准则主要有拉依达准则、格拉布准则、t检验准则三种方法。准则选取的判别主要看测量数据的多少。 对于拉依达准则，测量次数n尽可能多时，常选用此准则。当n过小时，会把正常值当成异常值，这是此准则的缺陷。 格拉布准则，观测次数在30—50时常选取此准则。 t检验准则，适用于观察次数较少的情况下。 2、系统误差有哪些类型？如何判别和修正？ 答：系统误差是在相同的条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差按照一定规律出现的误革。 系统误差可分为：定值系统误差和变值系统误差。 变值系统误差乂可以分为：线性系统误差、周期性系统误差、复杂规律变化的系统误差。判定与修正： 对于系统误差的判定方法主要有： 1、对于定值系统误差一?般用实验对比检验法。改变产生系统误差的条件，在不同条件下进行测量，对结果进行比较找出恒定系统误差。 2、对于变值系统误差：a、观察法：通过观察测量数据的各个残差大小和符号的变化规律来判断有无变值系统误差。这些判断准则实质上是检验误差的分布是否偏离正态分布。 b、残差统计法：常用的有马利科夫准则（和检验），阿贝-赫梅特准则（序差检验法）等。 c、组间数据检验正态检验法 修正方法： 1.消除系统误差产生的根源 2.引入更正值法 3.采用特殊测量方法消除系统误差。主要的测量方法有：1）标准量替代法2）交换法3）对称测量法4）半周期偶数测量法 4.实时反馈修正 5.在测量结果中进行修正 3、从理论上讲随机误差是永远存在的，当测量次数越多时，测量值的算术平均值越接近真值。因此，我们在设计自动检测系统时，计算机可以尽可能大量采集数据，例如每次采样数万个数据计算其平均值，这样做的结果合理否？ 答：这种做法不合理。随机误差的数字特征符合正态分布。当次数n增大时，测量精度相应提高。但测量次数达到一定数Id后，算术平均值的标准差下降很慢。对于提高精度基本可忽略影响了。因此要提高测量结果的精度，不能单靠无限的增加测量次数，而需要采用适当的测量方法、选择仪器的精度及确定适当的次数等几方面共同考虑来使测量结果尽可能的接近真值。 4、以热电阻温度传感器为例，分析传感器时间常数对动态误差的影响。并说明热电阻传感器的哪些参数对有影响？ 答：1、对于热电阻温度传感器来说，传感器常数对于温度动态影响如式子t2=t x-T （dtJdt）所示，7■决定了动态误差的波动幅度。了的大小决定了随着时间变化