第4章过程输入输出通道.

第4章过程输入输出通道当计算机用作测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信息，对于测量系统而言，如何准确获取被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。系统需要的被测信号，一般可分为开关量和模拟量二种。所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，其信号电平只有二种，即高电平或低电平。对于这类信号，只需经放大、整形和电平转换等处理后，即可直接送入计算机系统。对于模拟量输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号，其信号幅度在任何时刻都有定义，因此对其进行处理就较为复杂，在进行小信号放大、滤波量化等处理过程中需考虑干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素；而这种信号又是测控系统中最普通、最常碰到的输入信号，如对温度、湿度、压力、流量、液位、气体成份等信号的处理等。对被测对象状态的拾取，一般都离不开传感器或敏感器件，这是因为被测对象的状态参数往往是一种非电物理量，而计算机只是一个能识别和处理电信号的数字系统，因此利用传感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量和控制的任务。然而，利用传感器转换后得到的电信号，尤其是模拟信号，往往是小信号，需经放大后才能进行有效的处理。对于多路输入情况，如多路参数巡回检测等，则需采用多路切换技术。另外，测控系统要对外部设备进行控制，则需要开关量及模拟量输出。本章主要介绍传感器、变送器、执行器、模拟信号放大技术、多通道模拟信号测量技术、A/D和D/A转换技术及电流/电压（I/V）转换技术。4.1传感器4.1.1传感器的定义和分类及构成传感器的主要作用是拾取外界信息。如同人类在从事各种作业和操作时，必须由眼睛、耳朵等五官获取外界信息一样，否则就无法进行有效地工作和正确操作。传感器是测控系统中不可缺少的基础部件。1.传感器的定义和分类传感器的通俗定义可以说成“信息拾取的器件或装置”。传感器的严格定义是：把被测量的量值形式（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系、且便于计量的量值形式（通常是电量）的器件或装置。它实现两种不同形式的量值之间的变换，目的是为了计量、检测。对传感器的分类有很多种方法。可以根据技术和使用要求、应用目的、测量方法、传感材料的物性、传感或变换原理等进行分类，如表4-1所示。表4-1传感器分类传感器分类传感原理传感器名称典型应用电参数式变换器电阻式移动电位器触点改变电阻电位器位移、压力改变电阻丝或片的几何尺寸电阻丝应变片位移、力半导体应变片力矩、应变利用电阻的温度物理效应热丝计气流流速、液体流量（电阻温度系数）电阻温度计温度辐射热热敏电阻温度利用电阻的光敏物理效应光敏电阻光强利用电阻的湿度物理效应电阻湿度计湿度电容式改变电容的几何尺寸电容式压力计位移、压力电容式微音器声强改变电容介质的性质和含量电容式液面计液位、厚度含水量测量仪含水量电感式改变磁路几何尺寸、导磁体位置电感变换器位移、压力来改变变换器电感利用压磁物理效应压磁计力、压力改变互感差动变压器位移、压力频率式利用改变电的或机械的固有参数涡流传感器压力来改变谐振频率振弦式压力传感器压力振简式气压传感器气压石英晶体谐振式传感器压力光纤式光线在光导纤维中折射传播光纤式传感器微位移、核辐射、力、电气体式利用材料的物理化学反应气体式传感器速度电量交换器电势温差热电势热电偶温度、热流热电堆热辐射电磁感应感应式变换器气体浓度霍尔效应霍尔片磁通、电流光电效应光电池光强电荷光致电子发射光发射管光强、放射性辐射电离电离式离子计数、放射性压电效应压电传感器力、加速度2.传感器的构成传感器一般是由敏感元件、传感元件和其它辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如图4-1所示。图4-1传感器组成方框图敏感元件是直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其它量（一般为电量）的元件。敏感元件是传感器的核心部件，它不仅拾取外界信息，还必须把变换后的量值传输出去。传感元件又称变换器或转换器（Converter），一般说来，它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。被测量敏感元件传感元件信号调节与转换电路辅助电源输出量图4-1中的信号调节与转换电路把传感元件输出的电信号经过放大、加工处理，输出有利于显示、记录、检测或控制的电信号。信号调节和转换电路或简或繁,视传感元件的类型而定，常见的电路有电桥电路、放大器、阻抗变换器等。目前，利用先进的集成电路工艺技术，将敏感元件、传感元件，甚至外围电路集成于一体，构成所谓集成传感器。它具有体积小、寿命长、可靠性高、功能强等优点，日益受到广泛重视，是传感器研究开发的一个重要方向。4.1.2传感器的基本性能利用传感器设计开发高性能的测量或控制系统，必须了解传感器的性能，根据系统要求，选择合适的传感器，并设计精确可靠的信号处理电路。1．精确度传感器的精确度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分数，可表示为（4-1）式中，A为传感器的精确度；为测量范围内允许的最大绝对误差；为满量程输出。工程技术中为简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示。如压力传感器的精度等级分别为0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，1.5，2.0等。2．稳定性（1）稳定度：一般指时间上的稳定性。它是由传感器和测量仪表中随机性变动、周期性变动、漂移等引起示值的变化程度。ADFSYgFS%AA100YD=?g（2）环境影响：室温、大气压、振动等外部环境状态变化给予传感器和测量仪表示值的影响，以及电源电压、频率等仪表工作条件变化给示值的影响统称环境影响，用影响系数来表示。3．输入输出特性（1）灵敏度：传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化之比，用S表示，即S=。它是静态特性曲线上各点的斜率。传感器静态特性曲线如图4-2所示。（2）分辨率：是指传感器示值发生可察觉的极微小变化时所需被测量的最小变化值，用表示。（3）线性度（也称非线性误差）：线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。通常用如下的最简单的线性度表示法。首先校正测量装置的零点和对应于最大输入量的最大示值点，得0点及M点。将连接0点和M点的直线作为基准直线也称理论直线，传感器线性度特性曲线如图4-3所示。/dydxxsmaxxmaxy图4-2传感器静态特性曲线图4-3传感器线性度特性曲线（4）重复性：重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得到特性曲线的不一致性。重复性所反映的是测量结果的偶然误差的大小，而不表示与真值之间的差别。有时重复性虽然很好，但可能远离真值。（5）滞环：它说明一个传感器的正向（上升）特性和反向（下降）特性不一致的程度。滞环并非一定是测量仪表的不足之处，数字仪表经常利用滞环特性如施密特触发器的回差以提高其抗干扰性能。（6）动态特性：动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。4.1.3传感器的应用领域现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。1．生产过程的测量与控制在工农业生产过程中，对温度、压力、流量、位移、液位和气体成分等参量进行检测，从而实现对工作状态的控制。2．安全报警与环境保护利用传感器可对高温、放射性污染以及粉尘弥漫等恶劣工作条件下的过程参量进行远距离测量与控制，并可实现安全生产。可用于监控、防灾、防盗等方面的报警系统。在环境保护方面可用于对大气与水质污染的监测、放射性和噪声的测量等方面。3．自动化设备和机器人传感器可提供各种反馈信息，尤其是传感器与计算机的结合，使自动化设备的自动化程度大大提高。在现代机器人中大量使用了传感器，其中包括力、扭矩、位移、超声波、转速和射线等许多传感器。4．交通运输和资源探测传感器可用于交通工具、道路和桥梁的管理，以保证提高运输的效率与防止事故的发生。还可用于陆地与海底资源探测以及空间环境、气象等方面的测量。5．医疗卫生和家用电器利用传感器可实现对病患者的自动监测与监护，可进行微量元素的测定，食品卫生检疫等。4.1.4基准电压源和恒流源1．基准电压源计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网络结构）和被控对象两大部分组成。基准电压源电路是输出电流变化时，保持输出电压不变的电路。由于集成技术的发展，市场上已有各种规格的稳压器，适合各种不同的需要。而且由恒压源还可以构成不同的恒流源。典型的恒压源之一是带隙器件。常用基准电压源如表4-2所示。下面以LM336-2.5为例介绍介绍基准电压源的应用。LM336-2.5型基准电压源是美国国家半导体公司生产的2.5V并联调整式带隙基准电压源，其主要特点如下：（1）LM336-2.5属于三端精密2.5V基准电压源。（2）工作电流范围宽，从300μA直到10mA。（3）由于它采用并联调整式电路，因此可作为正电压基准或负电压基准。LM336-2.5采用TO-92型塑料封装或TO-46型圆金属壳封装。其电路符号如图4-4所示。三个引出端依次为正端（+）、负端（－）、调整端（ADJ）。LM336-2.5典型应用电路如图4-5所示。图4-4LM336-2.5电路符号图4-5LM336-2.5典型应用电路2．恒流源恒流源电路是当输出电压变化时，能保持输出电流不变的电路。下面介绍BB公司生产的集成双路恒流源REF200。REF200的引脚如图4-6所示。图4-6REF200引脚图REF200是一个单片集成电路，内含三个单元：两个100μA的电流源和一个镜象电流源。各个单元之间绝缘隔离，完全独立。该恒流源是一个两端口器件，可以吸收电流。每个部分都可以独立使用和激光微调，因此精度很高。该芯片可以引出50μA、100μA、200μA、300μA和400μA的电流。外加电路可获得各种电流。有关电路的详细情况可查阅数据手册的应用部分。REF200是塑封8脚微型双列直插和SOIC封装。主要应用于：（1）传感器激励（2）偏置电路（3）偏移电流回路（4）低压参考（5）充电泵电路（6）混合微型电路双路100μA的恒流源电路如图4-7所示。图4-7双路100μA恒流源电路在图4-7中，R1和R2为负载，每一路为100μA的恒流源。采用REF200形成的200μA、300μA和400μA单路恒流源如图4-8a、b、c所示。图4-8REF200应用电路在图4-8中，所有VC电源的最小电压为4V。4.1.5温度传感器温度传感器测量被测介质温度的方式可分为两大类：接触式和非接触式。测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触式温度传感器。这类传感器种类较多，如热电偶、热电阻、PN结等。传感器与被测物体不接触，而是利用被测物体的热辐射或热对流来测量的称为非接触式温度传感器，如红外测温传感器等，它们通常用于高温测量，如炼铁炼钢炉内温度测量。计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网络结构）和被控对象两大部分组成。1．热电阻热电阻材料一般有两类：贵金属和非贵金属。能用于温度测量的主要有铂热电阻（贵金属类）和镍、铜热电阻（非贵金属类）。它们都具有制成热电阻的必要特性：稳定性好、精度高、电阻率较高、温度系数大和易于制作等，在工程中常用的是铂和铜两种热电阻。（1）铂电阻目前，国内主要生产的两种型号的铂电阻R0=和R0=，适用的温度范围是－200~+650℃。（2）铜电阻由于铂电阻价格高，故在测温精确度要求不太高和测温范围较小时采用铜电阻作为测温元件。与铂电阻相比，铜电阻的显著优点是价格相当低，也易于提纯。（3）热电阻测量接线方式由于热电阻随温度变化而引起的变化值较小，例如，铂电阻在零温度时的阻值R0=100，铜电阻在零温度时R0=50，因此，在传感器与测量仪器之间的