第八章 傳感器和幾種信號的處理

7.1.1傳感器簡

1.傳感器的組成按國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87傳感器通用術(shù)語對傳感器下的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信號輸出。敏感元件是能夠靈敏地感受被測變量，并作出響應(yīng)的元件。

例如彈性膜盒能感受壓力的高低而引起形變，形變程度就是對壓力高低的響應(yīng)，因此,彈性膜盒是一種壓力敏感元件。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應(yīng)，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件。為了獲得被測變量的精確數(shù)值,不僅要求敏感元件對所測變量的響應(yīng)足夠靈敏,還希望它不受或少受環(huán)境因素的影響。敏感元件的輸出響應(yīng)與輸入變量之間如果是線性的正比或反比關(guān)系,當(dāng)然最便于應(yīng)用。即使是非線性關(guān)系,只要這種關(guān)系不隨時間而變化,也可以滿足使用的基本要求由于電信號便于遠傳和處理,所以在控制系統(tǒng)中使用的傳感器輸出是電量的形式,如電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。

2.傳感器的分類

常見的傳感器分類方法有三種：按傳感器檢測的物理量分類按傳感器工作原理分類按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類

按傳感器所檢測的物理量分類有：位移、角度、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、物位、氣體成份、電量等傳感器。按傳感器工作原理分類：電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

按傳感器輸出信號的類型分類有：輸出為開關(guān)信號的開關(guān)型傳感器、輸出為模擬信號的模擬型傳感器、輸出為脈沖、頻率或數(shù)字編碼的傳感器。在控制系統(tǒng)中，輸出信號為開關(guān)信號、脈沖信號和數(shù)字量的傳感器對計算機處理比較方便輸出為模擬量的傳感器，希望有規(guī)范的信號標(biāo)準(zhǔn)。一種做法是制定傳感器的標(biāo)準(zhǔn)，前者典型的例子是熱電阻和熱電偶的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另一種做法是通過專門的部件進行信號轉(zhuǎn)換。實例就是采用變送器，將來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，以便各種儀表和計算機統(tǒng)一處理。

3.變送器(Transmitter)

變送器是從傳感器發(fā)展而來的，凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器通常稱為變送器。通用的標(biāo)準(zhǔn)信號為直流電流4~20mA或直流電壓1~5V等。無論被測變量是哪種物理量，也無論測量范圍如何，經(jīng)過變送器之后都成為標(biāo)準(zhǔn)信號。

有了統(tǒng)一的信號形式和數(shù)值范圍，就便于把各種變送器和其他儀表組成檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)。無論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各種變送器獲得被測變量的信息，兼容性和互換性大為提高。變送器信號的傳輸連接方式通常有四線制傳輸、三線制傳輸和兩線制傳輸

四線制傳輸

四線制傳輸方式中供電電源和輸出信號分別用兩對導(dǎo)線傳輸，因此對電流信號的零點及元器件的功耗無嚴(yán)格要求。

三線制傳輸三線制傳輸方式與四制線不同之處是信號與電源裝置的負(fù)端相連,這樣可省去一根連線,但對多個傳感器或變送器之間的共地連接可能會產(chǎn)生一定的干擾。

二線制傳輸兩線制傳輸僅用兩根導(dǎo)線傳輸,這兩根導(dǎo)線既是電源線,又是信號線,傳感器或變送器可獲得4mA以上的工作電流。采用兩線制變送器不僅可節(jié)省大量電纜線和安裝費用,而且有利于安全防爆。因此,這種變送器得到了較快的發(fā)展。對采用現(xiàn)場總線的智能變送器在這兩根傳輸線上還可同時傳輸數(shù)字信號。

7.2數(shù)字量輸入通道

數(shù)字量輸入通道的基本功能就是接收外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號,這些狀態(tài)信號包括:開關(guān)信號脈沖信號數(shù)字編碼信號為了將外部數(shù)字量信號輸入到計算機,必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)保護、電平轉(zhuǎn)換、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號。

信號調(diào)理(SignalConditioning)指將敏感元件檢測到的各種信號轉(zhuǎn)換為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字量輸入通道中的信號調(diào)理主要包括消抖、濾波、保護、電平轉(zhuǎn)換、隔離等對于輸入的開關(guān)信號可能會引入過電壓、過電流、電壓瞬態(tài)尖峰和反極性等干擾信號,這些信號必須在輸入通道中加以抑制。圖7-5給出了消除這些現(xiàn)場干擾信號的典型調(diào)理電路該電路具有過壓、過流、反壓保護和RC濾波等功能穩(wěn)壓管V2把過壓或瞬態(tài)尖峰電壓嵌位在安全電壓上串聯(lián)二極管Vl防止反向電壓輸入由R1、C1構(gòu)成濾波器，電阻R1也是輸入限流電阻，也為過流熔斷保護電阻。

抖動問題在開關(guān)或繼電器閉合與斷開時,還存在抖動問題,它是由于機械觸點的彈性作用所致。解決這類問題的方法很多，常用RC吸收電路或雙穩(wěn)態(tài)電路消除7.2.2隔離技術(shù)

現(xiàn)場開關(guān)與計算機輸入接口之間,一般有較長傳輸線路,這就容易引入干擾。為提高系統(tǒng)可靠性,輸入端常采用具有安全保護和抗干擾雙重作用的隔離技術(shù)。隔離雙方無直接電路聯(lián)系,各自用獨立電源和公共接地端。常見的隔離技術(shù)有：光電隔離變壓器隔離光電隔離應(yīng)用最為廣泛,它不僅可完成電氣隔離,還可同時完成電平轉(zhuǎn)換、整形等。光電隔離采用的器件是光電藕合器，其種類豐富，性能各異。最簡單的光電藕合器由一個砷化鎵（GaAs）發(fā)光二極管和一個光敏三極管組成，如：TPL521-1也可將幾對光電藕合器封裝在一起,如：TIP521-4有些光電藕合器采用了兩個反向并聯(lián)的發(fā)光二極管,可以支持交流輸入，如：TPL320有些光電藕合器中的光敏三極管基極引出在外,可通過設(shè)置偏置來改善線性、調(diào)整電流傳輸率CTR等,相應(yīng)的型號有4N25/4N28有些光電藕合器采用光電復(fù)合晶體管輸出（達林頓管輸出），以提高CTR和輸出電流，相應(yīng)的型號有4N29/4N33

7.2.3開關(guān)信號輸入

開關(guān)信號輸入通道的任務(wù)是把來自控制過程的開關(guān)通斷信號、高低電平信號等轉(zhuǎn)換為計算機能夠接受的邏輯電平信號如TTL電平、CMOS電平開關(guān)信號只有兩種邏輯狀態(tài)ON和OFF,或數(shù)字信號1和0其電平不一定與計算機邏輯電平相同,與計算機的接口主要考慮邏輯電平的變換以及噪聲隔離的問題

機械式開關(guān)信號的輸入電路

圖中各元件的作用和選取原則

R1為限流電阻,以提供光電耦合器發(fā)光二極管正常范圍內(nèi)的If

R1選取可由公式V+外部電源電壓，Uf為發(fā)光二級管正向?qū)〞r的電壓,一般為1.2V，If可取5~10mA左右，當(dāng)V+=12V時，R1可取1~2kΩ

圖中各元件的作用和選取原則

R2為分流電阻,一方面可防止高電壓輸入時,產(chǎn)生大電流而損壞發(fā)光二極管,另一方面還提供C1的放電回路。R2一般取幾千歐姆。Cl為濾波電容,以吸收尖峰脈沖。V1為防擊穿二極管,當(dāng)輸入端誤接入反向電壓時,則可提供通路,以免反向擊穿光電耦合器中的發(fā)光二極管。V1可選用1N4148開關(guān)二極管。

圖中各元件的作用和選取原則

R3為上拉電阻,當(dāng)光電耦合器輸出截止時,提供高電平。R4和C2組成RC低通濾波器,以進一步消除脈沖干擾。C2的充電時間常數(shù)為(R3+R4)×C2,放電時間常數(shù)為R4×C2。這些時間常數(shù)應(yīng)遠小于正常信號的脈沖寬度,大于干擾脈沖的寬度。CD40106為施密特觸發(fā)器,以整形后產(chǎn)生開關(guān)信號。說明對電子開關(guān)的輸入信號,在采用光電隔離時需要考慮極性和驅(qū)動能力。當(dāng)輸入的開關(guān)信號頻率較高(大于幾百千赫茲)時,要采用高速光電耦合器,信號整形也不能采用簡單的RC濾波電路，此時的開關(guān)信號應(yīng)視為高速脈沖信號來處理。

7.2.4脈沖信號輸入

脈沖信號實質(zhì)上也是開關(guān)信號，但它關(guān)心的是信號的變化，即上升沿和下降沿，以及相鄰間隔的時間高速脈沖信號輸入電路H1L1為含有施密特整形電路的高速光電藕合器74LS393為雙4位二進制計數(shù)器MR端為計數(shù)器的清0端計數(shù)器的輸出和MR端與接口電路相連

有些脈沖信號不僅需要記錄數(shù)量，還要考慮多脈沖信號之間的相位關(guān)系典型的例子是角度編碼兩相脈沖7.3.1模擬信號調(diào)理

1.電流-電壓信號轉(zhuǎn)換

圖7-14給出了一個電流-電壓信號轉(zhuǎn)換電路,它可把標(biāo)準(zhǔn)4~2OmA電流信號通過串接1個250Ω的電阻轉(zhuǎn)換成1~5V的電壓信號。

圖中的R2、C1是對輸入信號的濾波，模擬信號的濾波可通過硬件和軟件來實現(xiàn)

2.電阻-電壓信號轉(zhuǎn)換

電阻-電壓信號轉(zhuǎn)換主要用于標(biāo)準(zhǔn)熱電阻,即將熱電阻受溫度影響而引起的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。電阻-電壓信號轉(zhuǎn)換原理就是利用電流流過電阻來產(chǎn)生電壓,常見的方法有兩種:電橋法恒電流法

電橋法電橋法的特點是電路簡單,能有效地抑制電源電壓波動的影響,并且可用三線連接方法減弱長距離連接導(dǎo)線引人的誤差。三線連接圖中,AB引線的電阻與CD引線的電阻相等,而CE可折算到電源中,所以,只要AB和CD的長度一樣,電阻也相同,由此引起的誤差就可大大減小。恒電流法恒電流法的特點是精度高,可使用四線連接方法減弱長距離連接導(dǎo)線引人的誤差。四線連接，圖中只要AC、DE引線中的電流為零,則AD間的電壓與CE間的電壓也一樣,所以不管AB、AC、DE、DF的長度如何，都不會由此影響引起測量誤差。

說明這兩種方法設(shè)計時都要考慮選擇合適的電流。電流太小,產(chǎn)生的電壓也小,容易受干擾;電流太大,則電阻會發(fā)熱,并會影響溫度測量的精度。一般取電流為幾個毫安,熱電阻每度引起的電阻變化在1Ω以下,所以在幾毫安電流下至多會產(chǎn)生幾個毫伏的變化電壓,這些電壓信號需經(jīng)電壓放大才能送至A/D轉(zhuǎn)換器。

7.32可控硅輸出接口

可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件,簡稱SCR,也稱晶閘管。可分為單向可控硅和雙向可控硅,在微機控制系統(tǒng)中,可作為功率驅(qū)動器件。它具有控制功率小、無觸點、長壽命等優(yōu)點,在交流電機調(diào)速、調(diào)功、隨動等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。

1.單向可控硅

單向可控硅有三個引腳,其符號標(biāo)示如圖8-9(a)所示。其中A極為陽極,K極為陰極,G極為控制極或稱觸發(fā)極或門控極。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-9(b)所示。從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出,當(dāng)在其A、K兩端加上正向電壓,而在其控制極G端不加電壓時,單向可控硅不導(dǎo)通,正向電流極小,處于截止?fàn)顟B(tài)。如果在控制極上加上正向電壓,則可控硅導(dǎo)通,