电气自动化测量设备的技术原理和应用

2014-04-17秦国鑫

科技视界 2014年25期

秦国鑫

（哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江哈尔滨150028）

0 引言

随着科学技术的迅猛发展，电气自动化测量技术也在不断进步，自动控制技术和计算机技术的发展步伐也随之加快，因此当其应用在电气测量设备中时，电气测量设备也不断的在发生变化，慢慢向自动化与高精度方向发展。目前电气自动化测量技术在实验室以及其它行业中的应用都非常广泛，在现代科学技术中的作用也越来越显著。

1 电气自动化测量设备的技术原理概述

1.1 电动系仪表的技术原理

电动系仪表是通过可动和固定的两组不同线圈来合成相应的电气测量系统，通电后形成一种能量，根据指针稳定时能够计算可动线圈受到的驱动力矩。当其作为电压表或者电流表使用的时候，如果两组线圈检测的是电流的一部分，或者两组线圈检测的是同一电流，被测电流的平方或者被测电压的平方与指针偏转角成正比；指针偏转角与互感随偏转角的变化率也成正比[1]。电动系仪表的典型特征是：当其作为电压表使用时，可串联不同的附加电阻来控制量程大小；当其作为大量程的电流表使用时，可以将固定线圈和可动线圈并联；当其作为小量程电流表使用，可将固定线圈和可动线圈串联。

1.2 电磁系仪表的技术原理

电磁系仪表的结构分为扁线圈吸引型和圆线圈排斥型两大类。其中吸引型线圈通电后会对可动铁心产生吸引力，使指针偏转；而排斥型线圈通电后会使固定铁心和可动铁心同时磁化，并且两个铁心同一侧的磁化极性相同，从而产生排斥力，使指针偏转。当驱动力矩与游丝产生的反作用力矩平衡时，指针便稳定在某一位置，从而指示出被测量的大小。电磁系仪表的特征是：当接入交流电后，由于可动铁心有一定的惯性会引起瞬时值的快速变化，指针偏转角与被测电流的瞬时值的平方以及交流电流有效值的平方都成正比关系，电磁系仪表既可以测量直流电，也能用于测量交流电。这些情况导致电磁系仪表的标尺刻度具有前密后疏的平方律特性。

1.3 磁电系检流计的技术原理

磁电系检流计的原理是利用检流计可动线圈在通电后产生力矩，并且在力矩的作用下进行运动，按照牛顿第二定律，产生的力矩与惯性力矩、阻尼力矩之间具有平衡关系。一旦驱动力矩发生变化，可动线圈夹角就会变化。所以磁电系检流计在从静止到稳定的过程中将会受到外电阻产生的阻尼的影响。阻尼能够决定可动线圈的稳定性，除此之外，由于可动部件质量轻、摩擦力小，如果对其施加一定的驱动力矩，因惯性冲力会越过平衡点，一旦超过平衡点，就会导致可动线圈左右不停的摇摆；但是如果可动线圈与外电阻产生的回路电阻较小，那么就可以产生比较大的阻尼，从而有效避免振动状况的发生。

1.4 磁电系仪表的技术原理

磁电系仪表的技术原理是通过可动线圈通电，使线圈在磁场中电磁力矩的作用下，引起指针转动，可动线圈稳定后，驱动力矩等于反作用力矩，偏转角与流经可动线圈中的电流成正比[3]。磁电系仪表的主要技术特征是：只能用于直流电路。如果一定要在交流电路中使用该仪表，需要安装整流器。由于磁电系仪表的指针偏转角与可动线圈的电流成正比，标尺的刻度也很均匀，标尺制作很方便。除此之外，磁电系仪表灵敏度高，这是因为磁电系仪表采用的永久磁铁和铁心间的气隙相对比较小，所以气隙间的磁感应强度比较高。当磁感应强度较高的时候，驱动力矩就会逐渐增大，而采用反作用力矩系数大的游丝就可以保证指针达到稳定。内部磁场强度很大，受到外部磁场的影响就会比较小，从而保证磁电系仪表准确度比较高。另外磁电系仪表消耗功率很低，被测电路对其的影响较小。总之，磁电系仪表是灵敏度高和消耗功率低的一种设备。

2 电气自动化测量设备的应用

随着计算机、机械、电子等领域的高速发展，电气自动化测量技术在周边产业中也有相应的发展，而且已经被广泛的应用在了各种领域中，比如复合材料结构的自动化测量、焊缝以及管棒材的自动化测量等，其应用主要包括下面几个方面。

2.1 电气自动化测量的一般应用

原材料的自动化测量主要是针对批量生产的原材料进行测量，根据原材料的特点，采用超声或者涡流等测量方法进行测量。这种新材料新工艺结构的超声自动化测量，主要是针对近年来航天航空等重要现代工业中迅速发展的复合材料、焊接技术等中的运用。电气自动化测量设备的应用不仅给自动化检测技术增添了活力，同时还为科学研究中材料的微结构表征、缺陷评估等方面的测量带来方便。在生产制造过程中用自动化测量来测量重要锻件和铸件，可用自动化超声扫描、基于射线的成像方法、焊缝的超声自动化扫描等方法。这个过程主要是针对重要管道、特种设备以及服役设备等的电气自动化测量。

2.2 电气自动化测量设备的典型应用

某个企业生产的用于航天工业的某种复合材料，如果用已有的传统测量方法进行测量需要众多的技术人员花费几天的时间来进行测量，同时由于复合材料的承力结构和内部结构越来越复杂，人们对复合材料的质量、安全性和可靠性要求也日益提高。因此这时应采用自动化测量设备对复合材料进行测量。具体可以运用超声穿透法，利用安装在两个对称的多轴扫描机构上的超声换能器，使两个探头能够在被测复合材料的构件之间进行自动化扫描，利用入射声波在复合材料的衰减变化来测量复合材料的缺陷[4]。此外，通过具体的技术控制和全面扫描，超声测量设备可以同步控制邻近工件的型面，并利用入射声波评估与识别复合材料中的反射信息的不足之处，在多轴扫描机构上安装超声换能器在数控系统和运动编程的共同作用下进行检测。一般来说复合材料的单个铺层厚度为0.15mm，因此我们采用反射法来进行测量，方便之处是如果要跟踪测量多个型面，只测量一个工件就够用。