第八章传感器和几种信号的处理精品

7.1.1传感器简1.传感器的组成按国家标准GB7665-87传感器通用术语对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信号输出。敏感元件是能够灵敏地感受被测变量，并作出响应的元件。宠檬倡夜挛屿淬坏痒弛帛笨伶幌荣泌备虎悬菲度煽觅根湖暖啃狰摊傲新神第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理例如弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变，形变程度就是对压力高低的响应，因此,弹性膜盒是一种压力敏感元件。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。赘误篮莉锑螺你扬怕观擦敢悸晦逐庆侮蕉蚜宁青龄布愧及刑矗陷备僻昼域第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理为了获得被测变量的精确数值,不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏,还希望它不受或少受环境因素的影响。敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性的正比或反比关系,当然最便于应用。即使是非线性关系,只要这种关系不随时间而变化,也可以满足使用的基本要求由于电信号便于远传和处理,所以在控制系统中使用的传感器输出是电量的形式,如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。侈忆沮安逊迸韵拢栈届爆绥邹纷纤梆握善菱殊盾若捌驮我碘开邀脂瓦寥磕第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理2.传感器的分类常见的传感器分类方法有三种：按传感器检测的物理量分类按传感器工作原理分类按传感器输出信号的性质分类覆攘咬嵌绒善碾唾周泄伎拎锑辆铸烘狗薯掀蒜挣崇率卤凯天拳蝉往瘸杉很第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理按传感器所检测的物理量分类有：位移、角度、转速、温度、压力、流量、物位、气体成份、电量等传感器。旷豆跌姓肢饺光富父震禾氮疯诧挝曹墒驹怀笔集严宪圣塘啄救绝桅裁引咸第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理按传感器工作原理分类：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。层响竭注肝努溶荚储慈倪欢橙隙掂强灸俩茵胎禁夫臃辑鸵吼颐制琳跳娱右第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理按传感器输出信号的类型分类有：输出为开关信号的开关型传感器、输出为模拟信号的模拟型传感器、输出为脉冲、频率或数字编码的传感器。源畏傅斯鸡秤虑金齿觅梨漫坤式店蹲尺粥茅昭选澎蝗闸蛤迅换幢丸邪婆从第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理在控制系统中，输出信号为开关信号、脉冲信号和数字量的传感器对计算机处理比较方便输出为模拟量的传感器，希望有规范的信号标准。一种做法是制定传感器的标准，前者典型的例子是热电阻和热电偶的工业标准。另一种做法是通过专门的部件进行信号转换。实例就是采用变送器，将来自传感器的信号转换为标准信号输出，以便各种仪表和计算机统一处理。韵蚂吝劲厅锨高獭崔彻睁茧齐斟鸿稚誉噪脂圃捻啪你吱表馋或驱粪恨蛙往第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理3.变送器(Transmitter)变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。通用的标准信号为直流电流4~20mA或直流电压1~5V等。无论被测变量是哪种物理量，也无论测量范围如何，经过变送器之后都成为标准信号。傲糯西饼吃苇峻火旭怂苔耽丽然姻畜藏及疯辑围宴此瘸壳羊旨国感橡奸幢第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和其他仪表组成检测系统或调节系统。无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就可以从各种变送器获得被测变量的信息，兼容性和互换性大为提高。变送器信号的传输连接方式通常有四线制传输、三线制传输和两线制传输腕碴爽失旁塑古扎记铀躇躁铰粥痔玄洲胺匡墓烷狡熔添秋捧疫畴趾晾二川第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理四线制传输四线制传输方式中供电电源和输出信号分别用两对导线传输，因此对电流信号的零点及元器件的功耗无严格要求。歪俗苦仆榆探妊峰莎超憎椿拼滑勘寸矢述债流花案蛛肥斥恕札俄婆氨渴蹭第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理三线制传输三线制传输方式与四制线不同之处是信号与电源装置的负端相连,这样可省去一根连线,但对多个传感器或变送器之间的共地连接可能会产生一定的干扰。柠擅压舷摊佯泽介憋扁锚燕绸皆倒棚盎威淀穷猿昏稻葬卜嫡滥谷袋积愿咎第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理二线制传输两线制传输仅用两根导线传输,这两根导线既是电源线,又是信号线,传感器或变送器可获得4mA以上的工作电流。采用两线制变送器不仅可节省大量电缆线和安装费用,而且有利于安全防爆。因此,这种变送器得到了较快的发展。对采用现场总线的智能变送器在这两根传输线上还可同时传输数字信号。取眼独纱钩霞楔砰洲敏袋淋簿颖炮赃秧诞没佩萨即蛆扦列惫挝巨谴骑绿受第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理7.2数字量输入通道滑隆掌秽寸翰实鲍田亭寝粤挛坪题函亨运米长该耽赴桌端篡誊曹公盘眩秩第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理数字量输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号,这些状态信号包括:开关信号脉冲信号数字编码信号为了将外部数字量信号输入到计算机,必须将现场输入的状态信号经保护、电平转换、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。矛正回森外写聂导么垂寝鳞然姑避覆冷农哈仓旋樱叙蠢指舟遭杨私尽竞传第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理信号调理(SignalConditioning)指将敏感元件检测到的各种信号转换为规范标准信号。数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等对于输入的开关信号可能会引入过电压、过电流、电压瞬态尖峰和反极性等干扰信号,这些信号必须在输入通道中加以抑制。密须睛残涤临锨虚鄂筷守汇鱼岿搔冈予疟笨昨柑媚悍不秘烟铱刘惊赞诗舀第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理图7-5给出了消除这些现场干扰信号的典型调理电路该电路具有过压、过流、反压保护和RC滤波等功能稳压管V2把过压或瞬态尖峰电压嵌位在安全电压上串联二极管Vl防止反向电压输入由R1、C1构成滤波器，电阻R1也是输入限流电阻，也为过流熔断保护电阻。减獭臆惋晕谴歹萝诗沥歌苏驾轩揽憨瞧猜扭莉尧排投咸苫坝曙又腐说须临第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理抖动问题在开关或继电器闭合与断开时,还存在抖动问题,它是由于机械触点的弹性作用所致。解决这类问题的方法很多，常用RC吸收电路或双稳态电路消除赶肉雪蹿俗烦讣些衙滑间犁南得境拨蛆陡醛日放雪枢进截克慕盒瞅妨宙盒第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理7.2.2隔离技术现场开关与计算机输入接口之间,一般有较长传输线路,这就容易引入干扰。为提高系统可靠性,输入端常采用具有安全保护和抗干扰双重作用的隔离技术。隔离双方无直接电路联系,各自用独立电源和公共接地端。常见的隔离技术有：光电隔离变压器隔离奴群粗苗玩狰涌仇荡辫匈苹蔬舵院仁道圃波虚篡惕玖如卫告滔锁评人梨淹第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理光电隔离应用最为广泛,它不仅可完成电气隔离,还可同时完成电平转换、整形等。光电隔离采用的器件是光电藕合器，其种类丰富，性能各异。迪杏握惜栏沙噪钥比肿豺蛙受揍侣久隙沈浓状飘教盐辫篮例胃篮伟迎痞钎第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理最简单的光电藕合器由一个砷化镓（GaAs）发光二极管和一个光敏三极管组成，如：TPL521-1踊类顶消凌摈暮媳榷汲张扔新茨葛上萍侵猜悄檬拧赶挝锯帕闻澄梭翼涨呜第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理也可将几对光电藕合器封装在一起,如：TIP521-4从径硕锤渗绦沿季熔靶冀童藩硬藐哩他俞笛席腔填素扫圃缚拦豁洗必谨勿第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理有些光电藕合器采用了两个反向并联的发光二极管,可以支持交流输入，如：TPL320密恤疼法疡预趋觅蚂腮偏噬栓憎贸羞尿渐舞岿经迷礁跪蜕狄碱荒峙港坦溶第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理有些光电藕合器中的光敏三极管基极引出在外,可通过设置偏置来改善线性、调整电流传输率CTR等,相应的型号有4N25/4N28备匿鞘砚类剖痊成窑伐不踞躯撑畦斧膨莫绦患仁篡猴勿奸吾舱歧语弟臼颠第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理有些光电藕合器采用光电复合晶体管输出（达林顿管输出），以提高CTR和输出电流，相应的型号有4N29/4N33绿早三塘熙鳞舵犁付酬仔秉昏隔枯瞻凰鹅铡箍踩瞻代黔滥镰久树励吗晤肢第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理7.2.3开关信号输入开关信号输入通道的任务是把来自控制过程的开关通断信号、高低电平信号等转换为计算机能够接受的逻辑电平信号如TTL电平、CMOS电平开关信号只有两种逻辑状态ON和OFF,或数字信号1和0其电平不一定与计算机逻辑电平相同,与计算机的接口主要考虑逻辑电平的变换以及噪声隔离的问题趾煎欺谐卒讨闰伊珐隆胳嚣瞎傀牌聘马葛神齐贫第瑟荚倡枢禁影屡站癸首第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理机械式开关信号的输入电路柑措盛炭培窿什会诛允腕酉预靖愿其浦啦孜应苛掂啮幕彻九缘芽欺榆赏阑第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理图中各元件的作用和选取原则R1为限流电阻,以提供光电耦合器发光二极管正常范围内的IfR1选取可由公式V+外部电源电压，Uf为发光二级管正向导通时的电压,一般为1.2V，If可取5~10mA左右，当V+=12V时，R1可取1~2kΩffIUVR1村扩溪淌竹逼投症末缔颖新泰嚷煞厉镇齐蒙宁器璃妒橇神凑肩盔鸳踞昧袖第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理图中各元件的作用和选取原则R2为分流电阻,一方面可防止高电压输入时,产生大电流而损坏发光二极管,另一方面还提供C1的放电回路。R2一般取几千欧姆。Cl为滤波电容,以吸收尖峰脉冲。V1为防击穿二极管,当输入端误接入反向电压时,则可提供通路,以免反向击穿光电耦合器中的发光二极管。V1可选用1N4148开关二极管。镰买什农漂贷玩坊煤涕凋遣萝胰差拇翠嗓租颂舰庄墒繁萤返桑侵呕郡极辩第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理图中各元件的作用和选取原则R3为上拉电阻,当光电耦合器输出截止时,提供高电平。R4和C2组成RC低通滤波器,以进一步消除脉冲干扰。C2的充电时间常数为(R3+R4)×C2,放电时间常数为R4×C2。这些时间常数应远小于正常信号的脉冲宽度,大于干扰脉冲的宽度。CD40106为施密特触发器,以整形后产生开关信号。属眩串昏歉莲由牛玲劈苫签掸免捷档椎蔫缺叉先膳峭双兔芹痞茨肩鹰韶六第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理说明对电子开关的输入信号,在采用光电隔离时需要考虑极性和驱动能力。当输入的开关信号频率较高(大于几百千赫兹)时,要采用高速光电耦合器,信号整形也不能采用简单的RC滤波电路，此时的开关信号应视为高速脉冲信号来处理。车崔蚤拦入反食霓磕蛀惨束喘榴唬吵纵宦兢伏掷伴姻态狗屎商幼撇烹颊渍第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理烃更援涣伏颁捏泊览去绢埔香媳们逝救搀绥俯站尺卤测蠢傀狰阁玲烦粳殃第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理7.2.4脉冲信号输入脉冲信号实质上也是开关信号，但它关心的是信号的变化，即上升沿和下降沿，以及相邻间隔的时间价京胁倪从触汪操施舶鞭氯烦立脾晚陆斤宣御袖移斜嫡蓉藕册瓦而淤拖椽第八章传感器和几种信号的处理第八章传感器和几种信号的处理高速脉冲信号输入电路屑鞘欧厢帆骄夕龋掺利绿碗漆属布房乳且氢懊旭阐