傳感器是可以根據(jù)一定規(guī)則被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的設(shè)備的總稱。它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出是指定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí),它被稱為發(fā)射機(jī)。
發(fā)射機(jī)的概念是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的儀器,而傳感器是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。過(guò)去,人們經(jīng)常談?wù)撐锢硇盘?hào),但現(xiàn)在有了其他信號(hào)。一級(jí)儀表是指現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表或基礎(chǔ)控制儀表,二級(jí)儀表是指利用一級(jí)儀表信號(hào)完成其他功能的儀表,如控制、顯示等。
傳感器和變送器起初是熱儀器的概念。傳感器將非電的物理量如溫度、壓力、液位、材料、氣體特性等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或直接將物理量如壓力、液位等發(fā)送到發(fā)射機(jī)。發(fā)射器將傳感器收集到的微弱電信號(hào)放大以傳輸或啟動(dòng)控制組件?;?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換為電信號(hào),并將其放大用于遠(yuǎn)程測(cè)量和控制。模擬量也可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。傳感器和發(fā)射機(jī)共同構(gòu)成自動(dòng)控制的監(jiān)測(cè)信號(hào)源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的發(fā)射器。另一種變送器不將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),如鍋爐水位計(jì)的“壓差變送器”。它是一種遠(yuǎn)程儀表,通過(guò)儀表管將液位傳感器中的下部水和上部冷凝水輸送到變送器波紋管兩側(cè),利用波紋管兩側(cè)的壓差,驅(qū)動(dòng)機(jī)械放大器用指針指示水位。當(dāng)然,也有一個(gè)發(fā)射機(jī),把電模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。以上只是對(duì)傳感器和變送器之間區(qū)別的概念性解釋。傳感器
1、傳感器的定義
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87將傳感器定義為“能感知指定的測(cè)量信號(hào)并按一定規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)的裝置或裝置,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,它能感知被測(cè)信息,并將被測(cè)信息按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制的要求。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)。
2、傳感器的分類
目前對(duì)傳感器沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法,常用的有以下三種類型:
1. 根據(jù)傳感器的物理量,可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成分等傳感器
2. 根據(jù)傳感器的工作原理,可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。
3.根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì),可分為:輸出為開(kāi)關(guān)值(“1”和“0”或“開(kāi)”和“關(guān)”)的開(kāi)關(guān)型傳感器;輸出為模擬傳感器的模擬傳感器;輸出為脈沖或代碼的數(shù)字傳感器。
3、傳感器線性度
通常,傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是曲線而不是直線。在實(shí)際工作中,為了使儀器具有統(tǒng)一的刻度讀數(shù),常采用擬合直線來(lái)近似表示實(shí)際的特性曲線。線性(非線性誤差)是這種近似程度的性能指標(biāo)。
選擇貼合線的方法有很多種。例如,取連接零輸入點(diǎn)和全量程輸出點(diǎn)的理論直線作為擬合直線;或者取特征曲線上各點(diǎn)的偏差平方和為小zui的理論直線作為擬合直線,稱為zui小乘法擬合直線。
4、傳感器分辨率
分辨率是指?jìng)鞲衅鞲兄粶y(cè)zui中微小變化的能力。也就是說(shuō),如果輸入值從非零值緩慢變化。當(dāng)輸入變化值不超過(guò)某一值時(shí),傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化,即傳感器無(wú)法區(qū)分這個(gè)輸入量的變化。只有當(dāng)輸入的變化超過(guò)分辨率時(shí),輸出才會(huì)發(fā)生變化。
一般情況下,傳感器全量程內(nèi)各點(diǎn)的分辨率是不一樣的,因此常以輸入量中zui的大變化值,使輸出在全量程內(nèi)變化步長(zhǎng),作為測(cè)量分辨率的指標(biāo)。如果以上指標(biāo)以全量程的百分比表示,則稱為分辨率。
5、壓阻式傳感器
壓阻傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng),在半導(dǎo)體材料的襯底上擴(kuò)散電阻而制成的器件。所述襯底可直接用作測(cè)量傳感器元件,所述擴(kuò)散電阻在襯底內(nèi)連接成電橋形式。當(dāng)襯底因外力而變形時(shí),電阻值會(huì)發(fā)生變化,橋架會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。
壓阻式傳感器的襯底(或膜片)材料主要是硅晶片和鍺晶片。以硅晶片為敏感材料制成的硅壓阻傳感器受到越來(lái)越多的關(guān)注,特別是zui固態(tài)壓阻傳感器在測(cè)量壓力和速度方面的應(yīng)用。
6、熱阻傳感器
熱阻傳感器主要利用電阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度和溫度相關(guān)參數(shù)。這種傳感器適用于對(duì)溫度檢測(cè)精度要求較高的場(chǎng)合。目前,鉑、銅、鎳等熱阻材料被廣泛應(yīng)用。它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性度好、性能穩(wěn)定、溫度范圍寬、加工方便等特點(diǎn)。用于測(cè)量- 200℃~+500℃范圍內(nèi)的溫度。
各種發(fā)射機(jī)的特性
傳感器和變送器在儀器儀表和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。與傳感器不同的是,變送器不僅能將非電量轉(zhuǎn)化為可測(cè)電量,而且具有一定的放大效應(yīng)。本文簡(jiǎn)要介紹了各種變送器的特點(diǎn),供用戶選擇。
集成溫度傳感器
集成溫度變送器一般由測(cè)溫探頭(熱電偶或熱阻傳感器)和雙線實(shí)心電子單元組成。測(cè)溫探頭以固體模塊的形式直接安裝在接線盒中,形成集成變送器。一體式溫度變送器一般分為熱阻型和熱電偶型兩種。熱阻溫度變送器由基準(zhǔn)單元、R/V轉(zhuǎn)換單元、線性電路、反向連接保護(hù)、限流保護(hù)、V/I轉(zhuǎn)換單元等組成。測(cè)溫?zé)嶙栊盘?hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換放大后,由線性電路對(duì)溫度與電阻的非線性關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償,通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)與測(cè)溫線性的4~20mA恒流信號(hào)。
壓力變送器
壓力變送器又稱差動(dòng)變送器,主要由壓力測(cè)量元件傳感器、模塊電路、顯示儀表、儀表外殼、工藝連接器等組成。它可以將接收到的氣、液等壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流和電壓信號(hào),為指示報(bào)警器、記錄器和調(diào)節(jié)器等二次儀表提供測(cè)量、指示和過(guò)程調(diào)節(jié)。
壓力變送器的測(cè)量示意圖如圖3所示。測(cè)量原理是工藝壓力和參考?jí)毫Ψ謩e作用于集成硅壓力傳感模塊的兩端,差壓使硅片變形(位移很小,只有μ M級(jí)),使半導(dǎo)體技術(shù)在硅片上制成的全動(dòng)態(tài)惠斯通橋在外部電流源的驅(qū)動(dòng)下可以輸出與壓力成正比的mV級(jí)電壓信號(hào)。由于硅材料的強(qiáng)度,輸出信號(hào)的線性度和變化指針都很高。在工作過(guò)程中,壓力變送器將測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為mV級(jí)電壓信號(hào),送至可抵消溫度漂移的高倍率差動(dòng)放大器。將放大后的信號(hào)通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號(hào),再經(jīng)過(guò)非線性校正,zui后生成與輸入壓力呈線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào)。
壓力變送器按測(cè)壓范圍可分為一般壓力變送器(0.001 MPa~20 MP3)和微差壓變送器(0~30 kPa)。
液位變送器
1. 浮子液位變送器
浮球式液位變送器由磁性浮球、測(cè)量導(dǎo)管、信號(hào)單元、電子單元、接線盒和安裝部件組成。
一般情況下,磁浮球的比重小于0.5,可以浮在液位以上,沿測(cè)量管上下運(yùn)動(dòng)。管內(nèi)裝有測(cè)量元件,可將被測(cè)液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為在外磁作用下液位變化成正比的電阻信號(hào),并將電子單元轉(zhuǎn)換為4~20mA或其他標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。該變送器為模塊化電路,具有耐酸、防潮、耐沖擊、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。該電路包含恒流反饋電路和內(nèi)部保護(hù)電路,使輸出大電流不超過(guò)28mA,能可靠地保護(hù)電源,防止二次儀表?yè)p壞。
2. 浮子式液位變送器
根據(jù)阿基米德浮力原理,將磁浮球改為浮子,設(shè)計(jì)了浮子式液位變送器。浮子式液位變送器采用微小金屬薄膜應(yīng)變傳感技術(shù)測(cè)量液位、極限或密度。工作時(shí)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵進(jìn)行常規(guī)設(shè)置操作。
3.靜壓或液位變送器
變送器的工作原理是靜水壓力。它一般采用硅測(cè)壓傳感器將測(cè)得的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由放大電路放大,再由補(bǔ)償電路補(bǔ)償。zui后以4~20mA或0~10mA電流的形式輸出。
電容式物位變送器
電容式液位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量和控制。主要用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電介質(zhì)的液位或粉末固體液位的遠(yuǎn)程連續(xù)測(cè)量和指示。
電容式液位變送器由電容式傳感器和電子模塊電路組成。它是基于兩線制4~20mA恒流輸出。轉(zhuǎn)換后可輸出三線制或四線制。輸出信號(hào)形成1~5V、0~5V、0~10mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電容式傳感器由絕緣電極和裝有測(cè)量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)材料高度升高時(shí),非導(dǎo)電材料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù),因此電容隨材料高度的變化而變化。發(fā)射機(jī)模塊電路由參考源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋、限流等單元組成。采用脈寬調(diào)制原理測(cè)量具有頻率低、穩(wěn)定性好、線性度好、無(wú)明顯溫度漂移等優(yōu)點(diǎn)。
超聲波發(fā)射器
超聲發(fā)射機(jī)分為通用超聲發(fā)射機(jī)(無(wú)儀表)和集成超聲發(fā)射機(jī),其中集成超聲發(fā)射機(jī)比較常用。
集成超聲轉(zhuǎn)換器由儀表(如液晶顯示器)和探頭組成。該發(fā)射機(jī)輸出4~20mA信號(hào),直接將微型化的敏感元件(探頭)和電子電路組裝在一起,使其更緊湊、更輕、更實(shí)惠。超聲波變送器可用于液位測(cè)量。物料位的測(cè)量和明渠流量的測(cè)量,并可用于明渠距離的測(cè)量。
銻電極酸度變送器
銻電極酸度變送器是一種集PH值檢測(cè)、自動(dòng)清洗和電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一體的工業(yè)在線分析儀。它是由銻電極和參比電極組成的PH值測(cè)量系統(tǒng)。在待測(cè)酸性溶液中,由于銻電極表面會(huì)形成三氧化二銻氧化層,金屬銻表面與三氧化二銻之間會(huì)形成電位差。電位差的大小取決于三玉中氧化銻的濃度,而氧化銻的濃度與待測(cè)酸溶液中的氫離子濃度相對(duì)應(yīng)。取銻、三氧化二銻和水溶液的調(diào)節(jié)量為1時(shí),電極電位可由能斯特公式計(jì)算。
銻電極酸度變送器中的固體模塊電路由兩部分組成。為現(xiàn)場(chǎng)安全起見(jiàn),電源部分采用交流24V為二次儀表供電。該電源除為清洗電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源外,還需通過(guò)電流轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓,供傳動(dòng)電路使用。第二部分是測(cè)量發(fā)射電路,將傳感器傳來(lái)的參考信號(hào)和PH酸度信號(hào)進(jìn)行放大,發(fā)送給坡度調(diào)整和定位調(diào)整電路,降低信號(hào)內(nèi)阻,使其可調(diào)。補(bǔ)償放大的PH值信號(hào)和溫度
信號(hào)疊加后,差動(dòng)轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于PH值的4~20mA恒流信號(hào)給二次儀表,完成PH值的顯示和控制。
7、智能發(fā)射機(jī)
智能變送器由傳感器和微處理器(微機(jī))組成。它充分利用了微處理器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力,可以對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括對(duì)被測(cè)信號(hào)的調(diào)理(如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)校正、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)取?/span>
微處理器是智能變送器的核心。它不僅可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和處理,還可以通過(guò)反饋回路調(diào)整傳感器,使采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到zui。由于微處理器具有多種軟硬件功能,可以完成傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)難以完成的任務(wù)。因此,智能變送器降低了傳感器的制造難度,在很大程度上提高了傳感器的性能。此外,智能變送器還具有以下特點(diǎn):
具有自動(dòng)補(bǔ)償能力,可通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。它可以自我診斷。傳感器上電后可自檢,檢查傳感器各部件是否正常,并作出判斷。數(shù)據(jù)處理方便、準(zhǔn)確,可根據(jù)內(nèi)部程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù),如統(tǒng)計(jì)處理、異常值去除等。
具有雙向通信功能。微處理器不僅能接收和處理傳感器的數(shù)據(jù),還能將信息反饋給傳感器,對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。它可以存儲(chǔ)和記憶信息,并可以存儲(chǔ)傳感器特性數(shù)據(jù)、配置信息、補(bǔ)償特性等。具有數(shù)字量接口輸出功能,可方便地將輸出數(shù)字信號(hào)與計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)總線連接。
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