變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.1學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握模擬信號(hào)的基本變換方法。掌握使用集成運(yùn)算放大器將uA級(jí)溫度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)計(jì)思路和電路調(diào)試方法。2.2工作任務(wù)2.2.1工作任務(wù)名稱AD592溫度傳感器信號(hào)變送電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。2.2.2工作任務(wù)背景變送器是將傳感器測(cè)得的各種工藝信號(hào)（溫度、壓力、流量、液位等）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.2.3AD592溫度變送器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（1）供電12VDC（2）變送器輸入溫度范圍：0-100攝氏度（3）變送器輸出電壓范圍：0-5VDC（4）精度等級(jí)：0.5級(jí)（5）負(fù)載阻抗：>1MΩ（6）限制條件：0V≤輸出電壓≤5V第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3任務(wù)知識(shí)點(diǎn)2.3.1什么是傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日目前工業(yè)上常用的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、物位傳感器、成分傳感器等。傳感器的輸出信號(hào)類型以輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)。準(zhǔn)數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出。開關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3.3為何要對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換模擬傳感器可測(cè)量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動(dòng)、位置、PH、光強(qiáng)等。通常，傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大、緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3.4什么是變送器變送器的作用：將各種工藝信號(hào)（溫度、壓力、流量、液位等）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如：將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備叫做壓力變送器；將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備叫做溫度變送器等等。通常情況下，在工業(yè)應(yīng)用中，變送器是指?jìng)鞲衅骱托盘?hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路的總成。

第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日擴(kuò)散硅壓力變送器第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日溫度變送器溫度傳感器第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路的功能可歸納為以下三個(gè)主要方面：（1）濾波?消除、抑制干擾（2）變換?電流→電壓?電抗→電壓?電抗→頻率→電壓（3）標(biāo)準(zhǔn)化?平移使輸出信號(hào)過0?放大弱電壓轉(zhuǎn)換為0~5V或4~20mA?整形將頻率輸出轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3.5溫度傳感器有哪些種類（1）集成溫度傳感器AD592?供電：+4V~+30V?溫度系數(shù)：1uA/K?0℃輸出：273.2uA?工作溫度：-25℃~+105℃?非線性誤差：0.1℃~0.5℃?重復(fù)誤差：±0.1℃?時(shí)飄：±0.1℃/月AD592輸出量為隨溫度變化的電流，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)調(diào)理電路容易實(shí)現(xiàn)。第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日（2）鉑電阻溫度傳感器PT100?供電：無源?溫度系數(shù)：近似0.003851/℃?0℃輸出：100Ω?工作溫度：-200℃~+650℃?響應(yīng)時(shí)間：2S~30S（與結(jié)構(gòu)有關(guān)）鉑金屬性能非常穩(wěn)定，制成的溫度傳感器重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常好，工作溫度范圍很寬。鉑電阻的溫度—電阻關(guān)系是由一多項(xiàng)式確定的近似線性關(guān)系，通常通過查分度表獲得溫度值。鉑電阻的阻值需要用電路變換為電壓，電路復(fù)雜，為避免自熱現(xiàn)象工作電流不能過大。第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日（3）熱電偶溫度傳感器（T型）?供電：無源?溫度系數(shù)：非線性?0℃輸出：0uV?工作溫度：-200℃~+400℃

熱電偶利用2種金屬接點(diǎn)的熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量，工作溫度范圍寬，抗沖擊，相應(yīng)速度快。熱電偶靈敏度低（幾十uV/℃），易受干擾。熱電偶輸出電壓與溫度變化呈非線性關(guān)系，并且測(cè)量中需要冷端補(bǔ)償，信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成復(fù)雜。第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日（4）集成數(shù)字溫度傳感器DS1820?供電：+3.0V~+5.5V?輸出：9bit數(shù)字量?測(cè)量精度：0.5℃?工作溫度：-55℃~+125℃?一線串行數(shù)字接口?零功率待機(jī)DS1820為單片式數(shù)字化的測(cè)溫傳感器，無需信號(hào)調(diào)理電路，無需外圍元件，直接輸出溫度的數(shù)字量值。第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日（5）溫度傳感器對(duì)比選擇從幾種典型的測(cè)溫傳感器特性對(duì)比可知：?熱電偶靈敏度低，溫度與輸出為非線性關(guān)系，信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜，適合寬溫范圍測(cè)溫。?鉑電阻溫度與輸出非線性關(guān)系，需要電組到電壓的轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，適合寬溫范圍測(cè)溫。?DS1820采用一線串行數(shù)字控制，操作過程復(fù)雜，初學(xué)者不易掌握。?AD592輸出電流與溫度成線性關(guān)系，抗干擾能力強(qiáng)，精度滿足設(shè)計(jì)要求，響應(yīng)速度快，信號(hào)調(diào)理電路容易實(shí)現(xiàn)。為教學(xué)過程的首選測(cè)溫傳感器。第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日（6）AD592特性分析AD592是兩端集成溫度傳感器,外圍電路簡(jiǎn)單。在常溫測(cè)量領(lǐng)域中,可取代電熱調(diào)節(jié)器、電阻式溫度檢測(cè)器、熱電偶等傳統(tǒng)的溫度傳感器。電流溫度系數(shù)為1uA／K，恒流源輸出。第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日T=0℃T=100℃i1=273uAi2=373uAi2-i1=100uA1uA/℃第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日問題與思考：AD592是傳感器還是變送器？AD592是恒流源輸出，想一想恒流源有什么特點(diǎn)？變送器的功能是什么，主要包括哪些部分？AD592是模擬式傳感器還是數(shù)字是傳感器，為什么？為什么說AD592的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路比熱電阻和熱電偶溫度傳感器的要簡(jiǎn)單？為什么我們要把AD592的信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-5V的信號(hào)？請(qǐng)給出絕對(duì)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)之間的換算關(guān)系。第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3.6AD592溫度變送器的實(shí)現(xiàn)本情境的根本任務(wù)是制作溫度變送器，將AD592傳感器的微弱電流信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換電路輸出為0-5V的信號(hào)，變送器特性如下圖所示：T=0℃T=100℃vo=0Vvo=5V5V/100℃=0.05V/℃第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3.6.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路⑴電阻取樣電路問題與思考8）這種轉(zhuǎn)換方法有什么缺點(diǎn)？第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日⑵運(yùn)算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路問題與思考9）這種轉(zhuǎn)換方法有什么優(yōu)點(diǎn)？這種電路的輸入端反饋形式和輸出端反饋形式各式什么樣的？第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日2.3.6.2.放大與平移電路設(shè)計(jì)1.AD592恒流補(bǔ)償、運(yùn)算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路的平移方案（1）恒流補(bǔ)償（平移）后的電流→電壓特性第二十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期日⑵平移、放大后的電流→電壓特性問題與思考這種電路為什么要使用雙電源