變送器的設(shè)計與實現(xiàn)

變送器的設(shè)計與實現(xiàn)第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1學習目標掌握模擬信號的基本變換方法。掌握使用集成運算放大器將uA級溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換為0-5V的標準信號的設(shè)計思路和電路調(diào)試方法。2.2工作任務(wù)2.2.1工作任務(wù)名稱AD592溫度傳感器信號變送電路的設(shè)計與實現(xiàn)。2.2.2工作任務(wù)背景變送器是將傳感器測得的各種工藝信號（溫度、壓力、流量、液位等）轉(zhuǎn)換成標準信號的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測控系統(tǒng)中。第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2.3AD592溫度變送器技術(shù)標準（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：0.5級（5）負載阻抗：>1MΩ（6）限制條件：0V≤輸出電壓≤5V第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3任務(wù)知識點2.3.1什么是傳感器國家標準GB7665-87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息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一目前工業(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。傳感器的輸出信號類型以輸出信號為標準可將傳感器分為：模擬傳感器——將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。數(shù)字傳感器——將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號。準數(shù)字傳感器——將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出。開關(guān)傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3為何要對傳感器輸出信號進行調(diào)理和轉(zhuǎn)換模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH、光強等。通常，傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字數(shù)據(jù)之前必須進行調(diào)理。調(diào)理就是放大、緩沖或定標模擬信號，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信號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6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3.4什么是變送器變送器的作用：將各種工藝信號（溫度、壓力、流量、液位等）轉(zhuǎn)換成標準信號。例如：將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴市盘柕脑O(shè)備叫做壓力變送器；將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴市盘柕脑O(shè)備叫做溫度變送器等等。通常情況下，在工業(yè)應(yīng)用中，變送器是指傳感器和信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路的總成。

第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一擴散硅壓力變送器第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一溫度變送器溫度傳感器第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路的功能可歸納為以下三個主要方面：（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）標準化?平移使輸出信號過0?放大弱電壓轉(zhuǎn)換為0~5V或4~20mA?整形將頻率輸出轉(zhuǎn)換為脈沖信號第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3.5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℃?重復誤差：±0.1℃?時飄：±0.1℃/月AD592輸出量為隨溫度變化的電流，抗干擾能力強，信號調(diào)理電路容易實現(xiàn)。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一（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性和長期穩(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，電路復雜，為避免自熱現(xiàn)象工作電流不能過大。第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一（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種金屬接點的熱電效應(yīng)進行溫度測量，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，并且測量中需要冷端補償，信號調(diào)理電路構(gòu)成復雜。第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一（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DS1820為單片式數(shù)字化的測溫傳感器，無需信號調(diào)理電路，無需外圍元件，直接輸出溫度的數(shù)字量值。第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一（5）溫度傳感器對比選擇從幾種典型的測溫傳感器特性對比可知：?熱電偶靈敏度低，溫度與輸出為非線性關(guān)系，信號調(diào)理電路復雜，適合寬溫范圍測溫。?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，電路復雜，適合寬溫范圍測溫。?DS1820采用一線串行數(shù)字控制，操作過程復雜，初學者不易掌握。?AD592輸出電流與溫度成線性關(guān)系，抗干擾能力強，精度滿足設(shè)計要求，響應(yīng)速度快，信號調(diào)理電路容易實現(xiàn)。為教學過程的首選測溫傳感器。第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一（6）AD592特性分析AD592是兩端集成溫度傳感器,外圍電路簡單。在常溫測量領(lǐng)域中,可取代電熱調(diào)節(jié)器、電阻式溫度檢測器、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16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一T=0℃T=100℃i1=273uAi2=373uAi2-i1=100uA1uA/℃第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一問題與思考：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？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的信號轉(zhuǎn)換電路比熱電阻和熱電偶溫度傳感器的要簡單？為什么我們要把AD592的信號轉(zhuǎn)換成0-5V的信號？請給出絕對溫標和攝氏溫標之間的換算關(guān)系。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3.6AD592溫度變送器的實現(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，通過轉(zhuǎn)換電路輸出為0-5V的信號，變送器特性如下圖所示：T=0℃T=100℃vo=0Vvo=5V5V/100℃=0.05V/℃第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3.6.1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？第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一⑵運算放大器電流→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？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22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3.6.2.放大與平移電路設(shè)計1.AD592恒流補償、運算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路的平移方案（1）恒流補償（平移）后的電流→電壓特性第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一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（