數字信號傳感器:傳感器信號通道 | Maxim Integrated

2022/03/26 00:11 · 傳感器知識資訊 ·  · 數字信號傳感器:傳感器信號通道 | Maxim Integrated已關閉評論
摘要:

數字信號傳感器:傳感器信號通道|MaximIntegrated壓力傳感器和稱重(加載/感應)概述在現代工業控制和系統監測領域,通常需要監測、測量壓力和重量。由于壓力可直接用來測量流體、高度及其它物理量,壓力測量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項屬性,壓力、重量測量裝置可以看作

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數字信號傳感器:傳感器信號通道 | Maxim Integrated

壓力傳感器和稱重(加載/感應)
概述
在現代工業控制和系統監測領域,通常需要監測、測量壓力和重量。由于壓力可直接用來測量流體、高度及其它物理量,壓力測量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項屬性,壓力、重量測量裝置可以看作是“加載傳感器”。加載傳感器的應用非常廣泛,包括從真空計到重型機械稱重,以及工業液壓設備、絕對壓力傳感器(MAP)等各個領域。每種應用對精度、準確度和成本都有不同的具體需求。
雖然壓力和重量(加載/感應)的測量方法和技術有許多,但最常用的測量裝置是應力計。
最常見的應力計有兩種:一種是重量/壓力傳感器大多采用的金屬箔;另一種是基于半導體的壓阻式傳感器,廣泛用于壓力測量。相對于金屬箔傳感器,壓阻式傳感器靈敏度更高,線性度也更好,但容易受溫度的影響,并有一定的初始偏差。
從原理上講,所有應力計在受到外力時都會改變電阻值。因此,有電信號激勵時,即可有效地將壓力、重量轉換成電信號。通常在惠斯通電橋(有時稱為測壓元件)上放置1個、2個或4個這樣的有源電阻元件(應力計),從而產生與壓力或重量對應的差分輸出電壓。
工程師可以設計一種能夠滿足多種加載/感應系統需求的傳感器模塊。一款成功的設計需要包括用于檢測物理量的傳感器元件和設計合理的信號鏈路。
加載/感應系統的信號鏈路框圖。
完備的信號鏈路方案
傳感器信號鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號。為了準確測量電阻式傳感器輸出電壓的變化,電路必須具備以下功能:激勵、放大、濾波和采集。有些解決方案可能還要求采用數字信號處理(DSP)技術對信號進行處理、誤差補償、數字放大以及用戶可編程操作。
激勵
具有極低溫漂的高精度、穩定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵。傳感器輸出與激勵源成比例(往往以mV/V表示)。因此,設計時,模/數轉換器(ADC)和激勵電路通常采用一個公共基準,或者將激勵電壓作為ADC的基準??梢岳酶郊拥腁DC通道精確測量激勵電壓。
傳感器/電橋
信號鏈路的這部分功能包括應力傳感器,它被放置在測壓元件(惠斯通電橋設計)部分,如上文中的“概述”部分。
放大和電平轉換—模擬前端(AFE)
有些設計中,傳感器輸出電壓范圍非常小,要求分辨率達到nV級。這種情況下,在將傳感器輸出信號送至ADC輸入之前,必須對信號進行放大。為了防止放大階段引入誤差,需要選擇低失調電壓(VOS)、低溫漂的低噪聲放大器(LNA)?;菟雇姌虻娜秉c是共模電壓遠遠大于有用信號。這意味著LNA還必須具有非常高的共模抑制比(CMRR),通常大于100dB。如果采用單端ADC,則需附加電路在數據采集之前消除較高的共模電壓。此外,由于信號帶寬很窄,放大器的1/f噪聲也會引入誤差。因此,最好采用斬波穩定放大器。使用分辨率非常高的ADC,占用滿量程范圍的一小部分有助于降低對放大器的苛刻要求。
采集—ADC
選擇ADC時需嚴格確認其技術指標,例如:無噪聲范圍或有效分辨率,該指標表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標是無噪聲計數或編碼。大多數高精度ADC的數據資料把這些指標表示為噪聲峰值或RMS噪聲與速度的對應關系表,有時也以噪聲直方圖的形式表示這些指標。
其它需要考慮的ADC指標包括:低失調誤差、低溫漂及優異的線性度。對于特定的低功耗應用,速度與功耗的關系也是非常重要的規格。
濾波
傳感器信號的帶寬一般很窄,對噪聲的敏感度較高。因此,通過濾波限制信號的帶寬可顯著降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡化噪聲濾波要求,因為這種架構提供固有的過采樣特性。
數字信號處理(DSP)—數字域
除模擬信號調理外,為了提取信號并降低噪聲,還需要在數字域對所采集的信號作進一步處理。通常需要找到針對具體應用及其細微差別的算法。有些通用算法,例如,數字域的失調和增益校準、線性化處理、數字濾波和基于溫度(或其它制約因素)的補償。
信號調理/集成方案
有些集成方案把所有需要的功能模塊集成在單一芯片,通常稱為傳感器信號調理器IC。信號調理器是一種專用IC (ASIC),它對輸入信號進行補償、放大和校準,能夠覆蓋較寬的溫度范圍。根據對信號調理器的不同精度要求,ASIC會集成以下全部或部分模塊:傳感器激勵電路、數/模轉換器(DAC)、可編程增益放大器(PGA)、模/數轉換器(ADC)、存儲器、多路復用器(MUX)、CPU、溫度傳感器以及數字接口。
常見的信號調理器有兩種類型:模擬信號通路的調理器(模擬調理器)和數字信號通路的調理器(數字調理器)。模擬調理器的響應時間較快,提供連續的輸出信號,反映輸入信號的實時變化。它們通常采用硬件補償機制(不夠靈活)。數字調理器往往基于微控制器,由于ADC和DSP算法具有一定的執行時間,響應時間較慢。應該考慮ADC的分辨率,將量化誤差降至最小。數字信號調理器的最大好處是提供靈活的補償算法,可根據用戶的應用進行調整。
溫度檢測
概述
溫度檢測在工業系統中的主要作用表現在三個方面。
溫度控制,例如恒溫爐、冷凍箱和環境控制系統,根據實測溫度判斷實施加熱/致冷操作。
校準各種傳感器、振蕩器及其它經常隨溫度變化的元件。由此,必須通過測量溫度確保敏感系統元件的精度。
保護元件和系統在極端溫度下不被損壞。溫度檢測決定所要采取的相應措施。
熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是目前應用最廣的溫度檢測技術。每種設計方案都有其自身的優勢(例如成本、精度、測溫范圍),適合不同的特定應用。以下將逐一討論這些技術。
除提供業內最全面的專用溫度傳感器IC外,Maxim還推出了系統與熱敏電阻、RTD及熱電偶接口所需的任何器件。
溫度檢測應用的信號鏈路框圖。
熱敏電阻
熱敏電阻的阻值取決于溫度,一般由半導體材料制成,如金屬氧化物陶瓷或聚合物。應用最廣泛的熱敏電阻是負溫度系數電阻,因此,熱敏電阻通常稱為NTC。同樣,也存在正溫度系數的熱敏電阻(PTC)。
熱敏電阻能夠測量中等溫度范圍,通常最高可達+150°C,有些熱敏電阻可以測量更高溫度;根據精度的不同,成本一般在中、低端;線性度雖然較差,但可預測。熱敏電阻可以是探頭、表貼封裝、裸線等不同形式的專用封裝。Maxim提供能夠將熱敏電阻阻值轉換為數字信號的IC,如MAX6682和MAX6698。
熱敏電阻往往連接一個或多個固定阻值電阻,形成分壓器。分壓器輸出通常經過ADC進行數字轉換。利用查找表或通過計算對熱敏電阻的非線性進行修正。
RTD
電阻溫度檢測器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD,鎳、銅及其它金屬亦可用來制造RTD。
RTD具有較寬的測溫范圍,最高達+750°C,具有較高精度和較好的可重復性,線性度適中。對于Pt-RTD,最常見的電阻值為:0°C時,標稱值為100Ω或1kΩ,當然也有其它電阻值。

數字信號傳感器:常用傳感器講解三–心率傳感器-KY-039(heartbeat)

轉自: ?

常用傳感器信號測量匯總
關鍵詞: 傳感器;特性; 傳感器; SCC 調理模塊; SCXI 調理模塊; cDAQ
傳感器是一種物理裝置或生物器官,能夠探測、感受外界的信號、物理條件(如光、熱、濕度)或化學組成(如煙霧),并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 人的五官就是天然的傳感器,具有視、 聽、嗅、味、 觸覺,大腦就是通過五官來感知外界的信息(圖 1)。

工程科學與技術領域的傳感器既是對人體五官的工程模擬物,是能將特定的被測量信息(包括物理量、生物量、生物量)按一定的規律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置??捎眯盘柤仁潜阌谔幚砗蛡鬏數男盘?,目前由于電信號最符合這一要求,傳感器也可狹義定義為把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件(圖 2)。

傳感器的構成
傳感器的具體構成根據被測對象、轉換原理,使用環境和性能要求的情況有很大差異。

自源型是僅含有轉換元件的傳感器構成形式,它不需要外能源,可直接從外部被測對象吸收能量轉換為電效應,但輸出的能量較弱。常見的有熱電偶、壓電器件等。

帶激勵源型是在轉換器件外加了輔助能源的構成形式,輔助能源起到激勵的作用,可以是電源或磁源,這樣不需要變換電路也有較大電量輸出。常見的有霍爾傳感器等。
外源型是由利用被測量實現阻抗變換的轉換元件構成,必須通過帶外電源的變換電路才能獲得電量輸出。常見的有電橋等。

相同傳感器補償型(圖 3-a) 是使用兩個完全相同的轉換元件置于同樣環境下的構成形式。實際使用其中一個元件進行工作,另一個用于抵消其受到的環境干擾影響。常見的有應變式,固態壓阻式傳感器等。

差動結構補償型(圖 3-b) 和相同傳感器補償型類似, 但其兩個轉換元件都進行工作,除了可以抵消環境干擾,還使有用的輸出值增加。

不同傳感器補償型(圖 3-c) 是兩個原理和性質不同的轉換元件置于同樣環境下的構成形式,也是通過一個轉換元件給工作的轉換元件提供補償。常見的有熱敏電阻的溫度補償,加速度的干擾補償等。

目前隨著計算機技術的發展,傳感器和微處理器結合在一起,形成了智能化傳感器的概念,這種構成具有了信息處理的功能,前景十分廣闊。

傳感器的分類
傳感器的種類繁多,分類方式多種多樣。 對于被測量,可以用不同的傳感器來測量;而對于同一原理的傳感器,通常又可以測量多種非電量。

具體分類可按轉換的基本效應、構成原理等分多種,其中又以按照工作原理分類最為詳細(表 1)。

傳感器的基本要求
無論何種傳感器,作為直接面對測試對象的先鋒,必須能夠快速、準確、可靠而又經濟地實現信息轉換的基本要求。

傳感器的工作范圍和量程需要足夠大,可以滿足相應測試的極端要求,需要具備一定的過載能力;必須有能滿足要求的靈敏度和精度,要求轉換后輸出的信號和被測量的輸入信號成確定的關系, 且比值要大。傳感器還需要具備快速的響應能力,穩定可靠的工作能力,較長的壽命和較低的成本,同時維修,校準方便。根據特定的現場應用,有時對傳感器的體積和重量都有嚴格要求,且希望其內部噪聲小不易受到外部干擾。最后是傳感器輸出的信號最
好采取通用的標準形式,以便于和外部系統對接。

可見選擇一款合適的傳感器并不輕松,需要根據需求全面綜合地考慮,不可馬虎。

傳感器重要指標介紹
傳感器在檢測靜態量時的靜態特性和檢測動態量時的動態特性通??梢苑珠_考慮。對于輸入信號的,傳感器的數學模型也通常有靜態和動態之分。
靜態特性
靜態特性表示傳感器在被測輸入量各個值處于穩定狀態時,輸入和輸出的關系,主要要考慮線性度和隨機變化等因素。
線性度:
線性度又稱非線性,是表征傳感器輸出-輸入校準曲線與選定的擬合直線之間的吻合程度的指標。通常用相對誤差來表示線性度或非線性誤差,有:

表示輸出平均值與擬合直線間的最大偏差;表示理論滿量程輸出值。
所以,選定的擬合直線不同時,計算所得的線性度數值也就不同。選擇擬合直線要保證獲得盡量小的非線性誤差,還要考慮計算是否方便。常見的方法有理論直線法、端點線法、最小二乘法等。
遲滯:
遲滯是反應傳感器在輸入量增大和減小的行程過程中輸出和輸入曲線的不重合程度的指標(圖 2)。通常用正反行程輸出的最大差值 計算,有:

圖 1 遲滯
靈敏度:
靈敏度(圖 3)是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比,線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率,即:

非線性傳感器的靈敏度不是常數,用 dy/dx 表示。
對于需要外部激勵的傳感器來說,其靈敏度的表達還要考慮電源電壓的因素。

分辨力:
分辨力是傳感器在規定測量范圍內所能測試出的被測輸入量的最小變化量,有時用該值相對滿量程輸入值的百分數表示,稱為分辨率。
重復性:
重復性是指輸入量按同一方向做全量程連續多次變動時,所得特性曲線間一致程度的指標,各條曲線越接近,重復性越好。重復性誤差反映的是校準數據的離散程度,是隨機誤差計算:

漂移:
漂移指在一定時間間隔內,傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的變化,主要包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移指在規定的條件下,零點或靈敏度隨時間的緩慢變化;溫度漂移則是周圍溫度變化所引起的。

穩定性:
穩定性指傳感器在長時間使用時仍保持其性能的能力,一般以在室溫條件下經過一段規定的時間后,輸出與起始標定時的輸出之間的差異表示。
靜態誤差(精度) :
精度是評價傳感器靜態性能的綜合性指標,指傳感器在滿量程內任一點輸出值相對其理想值的可能偏離(接近)程度,它表示該傳感器在靜態測量時所得數據的不精確度。
精度的測量方法很多,目前國內外尚不統一。
動態特性
動態特性是反映傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。 在實際工作中,傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得,并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種,所以傳感器的動態特性也常用頻率響應和階躍響應來表示。
傳感器的頻率響應特性
將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器,其輸出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關系稱為頻率響應特性。由于相頻特性和幅頻特性之間有一定的內在關系,因此表示傳感器的頻響特性及頻域性能指標時主要用幅頻特性(圖 3)。

傳感器的階躍響應特性
當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍信號 時,其輸出信號稱為階躍響應(圖 4, a 為一階系統; b 為二階系統)。

溫度測量
溫度是一個基本的物理量,自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。 測量溫度的熱電式傳感器是最早開發,應用最廣的一類傳感器,這類傳感器是利用轉換元件電磁參量隨溫度變化的特性,對溫度進行檢測的。
熱電偶
熱電偶傳感器(圖 1)是目前接觸式測溫中應用最廣的熱電式傳感器,具有結構簡單,制作方便,測溫范圍寬等特點。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同材質導體組成閉合回路,當兩端存在不同溫度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在熱電勢,這就是所謂的塞貝克效應。 熱電偶直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端),另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與儀表連接,顯示熱電偶所產生的熱電勢(圖 2)。

根據材質不同,熱電偶分不同的型號,目前按 IEC 國際標準, 主要有 S、 B、 E、 K、 R、J、 T 七種標準。由于熱電偶產生的電勢較小,且非線性,通常使用熱電偶測溫度時需要進行放大和線性化。熱電偶輸出的電熱是兩結點溫度差的函數,通常將熱電偶一端作為被測溫度端, T0 作為固定冷端(參考溫度端),通常要求 T0 保持 0 度。但實際使用很難滿足,所以產生了熱電偶冷端補償的問題,冷端補償可采用補償導線或補償電橋等多種方法。

NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列調理產品均有針對熱電偶調理的模塊。 NI SCC-TC 系列是可調理各類熱電偶的單通道模塊, 該產品支持±100mV 范圍內的毫伏輸入,帶有一個 2Hz 的低通靜噪濾波器,增益 100 的儀用放大器,用于冷端溫度補償的板載熱敏電阻以及實現 M 系列DAQ 設備最高掃描速率的緩沖輸出。 SCC-TC 系列模塊的輸入電路還包含高阻抗偏壓電阻器,可用于熱電偶開路的檢測以及浮動熱電偶和接地參考熱電偶的處理。同樣作為熱電偶調理的NI SCXI-1102 和 SCXI-1112 每路輸入通道也包括了一個儀器放大器和一個 2Hz 的低通濾波器。 采集卡可以用高達 333 kS/s(每通道 3us)的速度掃描它們的模擬輸入通道,支持采集的信號范圍包括電壓以及 0 到 20mA 或 4 到 20mA 的電流。 SCXI 每個模塊的所有通道都可以被 NI 數據采集卡的某一路通道采集, 并支持另加模塊以增加通道數。

NI 也提供帶有專門針對某類應用調理的數據采集卡, 即 C 系列產品。 NI 9211A 專門針對各類型的熱電偶測量設計, 24 位分辨率保證了高精度,內置傳感器則實現了冷端溫度補償。該模塊還具有 250 Vrms 通道-地面接地隔離,實現了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。NI 9211A 可加上一個 USB 9162 構成 USB-9211A 單獨使用,也可以插在 cDAQ-9172 的 8 槽 USB底板上作為 cDAQ 系統中的一個模塊使用。

cDAQ 模塊雖然集采集調理為一體,但是通道數較少, NI 9211A 可以同時采集 4 路熱電偶,單通道采樣率為 12S/s。如果需要采集多通道或高速的熱電偶信號,可選擇 M 系列數據采集卡加上 SCC 或 SCXI 調理模塊。
熱電阻( RTD)
熱電阻是中低溫采集時常用的一種溫度傳感器, 它的主要特點是測量精度高,性能穩定,靈敏度高。熱電阻是基于金屬導體或半導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的,其大都由純金屬材料制成,目前使用最多的是鉑。熱電阻需要電源激勵, 且不能夠瞬時測量溫度的變化。工業用熱電阻一般采用 Pt100, Pt1000, Cu50, Cu100 等多種型號。

熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響, 目前熱電阻的引線主要有三種方式:二線制,三線制,四線制。二線制是在熱電阻的兩端各連一根導線來引出電阻信號, 這種引線方法很簡單,但是測量精度不高。 在熱電阻一端連接一根引線,另一端連接兩根引線的方式稱為三線制,這種方式通常與電橋配套使用。因為熱電阻作為電橋上一個橋臂的電阻,其連接導線也是橋臂的一部分, 而這部分電阻是未知且隨環境溫度變化的, 會造成測量誤差。采用三線制,將導線一根接到電橋的電源端,其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及相鄰橋臂上,這樣較好地消除了導線電阻帶來的測量誤差。熱電阻兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制,
其中兩根為熱電阻提供激勵電流,把電阻轉換成電壓信號,再通過另兩根輸出電壓供采集,這種引線方式可完全消除引線電阻的影響,主要用于高精度的溫度檢測,但成本也最高。

NI SCC-RTD01 是針對熱電偶調理的雙通道模塊,可連接 2、 3 或 4 線鉑電阻 RTD(圖 3)。NI SCC-RTD01 的每一通道都帶有一個增益為 25 的放大器和一個 30Hz 低通濾波器, 每一模塊上還提供用于 1 或 2 個 RTD 的 1mA 激勵源。 NI SCXI-1102 模塊與 NI SCXI-1581 電流激勵模塊一起使用, 可以提供 32 通道的高精度 RTD 或熱敏電阻調理。 1102 帶有一個 2 Hz 低通濾波器, 1581 則提供穩定的 100μA 電流源,從而確保測量精度。由于 SCXI 采用模塊化設計,在應用需求改變時可以方便地擴展數據采集系統。

NI 9217 是具有 4 通道、 24 位分辨率的模擬輸入模塊,專門用作 100 Ω 的 RTD 測量。NI 9217 可配置兩種不同的采樣率模式, 高采樣率模式下采樣率可達 400 S/s(每通道 100S/s); 高分辨率模式下,采樣率為 5 S/s(每通道 1.25 S/s), 并配有 50/60Hz 內置噪聲抑制功能。 NI 9217 與 3 線和 4 線制 RTD 測量兼容,能自動探測與通道連接的 RTD 類型,并將每條通道配置成恰當的模式, 該模塊提供每通道 1mA 的電流激勵, 在整個操作溫度范圍內的精度誤差小于 1 °C。 9217 還包含 NI ST 校準并具有通道-地面接地雙重隔離屏障,實現了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

熱敏電阻
熱敏電阻是對溫度敏感的半導體(圖 4),與 RTD 相似, 其阻抗隨溫度變化而變化。熱敏電阻由玻璃或環氧珠封裝的金屬氧化物半導體材料制造而成。而且,熱敏電阻的典型標稱阻抗值要比 RTD 高得多,阻抗值從 2000Ω到 10,000Ω,故可用于較低電流的測量。熱敏電阻具有較高的靈敏度(約 200Ω/°C),這使得它對于溫度的變化非常靈敏, 具有極高的響應速率,但它的使用范圍最高為 300 至 500 °C。 同樣,熱敏電阻也需要激勵,接線方式也有二三四線制之分,但是由于熱敏電阻的標稱阻抗非常高, 所以連線阻抗不會影響其測量值的精度, 因此, 二線制測量精度對于熱敏電阻已經足夠, 所以這種接線方式在熱敏電阻中最為常用。

NI SCXI-1102 模塊與 NI SCXI-1581 電流激勵模塊一起使用,也可以提供 32 通道的熱敏電阻調理。

對于cDAQ模塊可選用 AI采集的NI 9215配合提供電流激勵的NI 9265一起使用。NI 9215具有 4 路 16 位精度的同步電壓采集通道,能實現靈活而低成本的信號連接。該模塊還具有250Vrms 通道-地面接地隔離,實現了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。 NI 9265 是在高速情況下,連接并控制受電流驅動的工業激勵器的理想之選。該模塊具有內置式開環檢測。當檢測到開環時,該模塊會在軟件中產生中斷并產生 0mA 的上電輸出,以確保安全,避免在系統上電時驅動激勵器。NI 9265 需要 9 V 到 36 V 的外部電源。該模塊包括通道-地面接地雙重隔離屏障,具有良好的安全性和抗干擾性。

綜上所述, 熱電偶價格便宜,而且有很快的響應時間,但是它精度不高而且最不穩定,最不靈敏。熱電偶僅僅是讀取頭和線之間的溫度差異,而 RTD 和熱敏電阻是讀取絕對溫度值。RTD 是可靠性的最佳選擇,而且最為穩定,精度最高。但是它的響應時間太長而且因為它需要一個電流源,因此它有自熱產生。熱敏電阻輸出很快而且相對便宜,但是它易碎而且溫度范圍有限。它同樣需要一個電流源而且比 RTD 的自熱現象更為嚴重,同時它是非線性的(表1)。

溫度范圍的選擇上三者也有區別, 熱敏電阻和熱電阻是測量低溫的溫度傳感器, 熱敏電阻最低,在 500 度以下,熱電阻在-200 到 600℃,而熱電偶是測量中高溫的溫度傳感器,一般測量溫度在 400 到 1600℃,在選擇時如果測量溫度在 600℃就應該選擇 K 型熱電偶,如果測量溫度在 1200 到 1600℃就應該選擇 S 型或者 B 型熱電偶。

應變測量
應變是施加于物體的作用力對物體造成形變的大小,它會隨著作用力的增加而增長,對于一種材料,應力的增長是有限度的,超過這一限度,材料就要損壞, 這個限度稱為該種材料的極限應力。

應變測量有多種方法,最常用的是采用應變片。由于受到應力,應變片發生形變(長度發生改變),從而導致其阻值也隨之產生正比變化。最常見的應變片是金屬應變片。金屬應變片由極細的金屬絲或薄片組成, 繞成柵狀的形式使它們可以在平行的方向上最大程度地跟隨應變發生變化(圖 5)。柵格粘在被稱為載體的薄襯底上,并直接與被測試件連接。因此,被測件產生的應變直接反映到應變片上,使得應變片電阻值產生線性變化。應變片的阻值在 30Ω到 3000Ω,最常見的阻值標準是 120Ω和 350Ω。

由于應變片的阻值變化是微弱的,測量應變幾乎都采用帶電壓激勵的電橋形式?;菟雇姌蛴?4 條電阻橋臂及作用于整個電橋的激勵電壓 VEX 組成(圖 6),

電橋輸出電壓 V0 表示為:

從此方程看出,當 R1/R2=R4/R3 時,電壓輸出 V0 為零。在這種條件下,稱電橋處于平衡狀態。此時任意橋臂上電阻值的變化都將使電橋電壓輸出不為零。

因此,如果把圖中的 R4 替換為應變片,應變片電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態,從而電壓輸出非零。如果應變片的理想電阻值為 RG,那么應變產生的電阻變化 DR 可以表示為 DR= RG*GF*e。設 R1=R2、 R3=RG,以上的電橋方程可重寫為 VO/VEX 對應變的函數。注意1/(1+GF*e/2)項,表示 1/4 橋與應變相關的輸出非線性變化。

理想狀態下,我們希望應變片電阻僅在存在應變時才產生變化。然而, 其材料及被測試件材料還同時對溫度的變化敏感。通過在電橋的另一個橋臂上放入第 2 個應變片, 這樣可以使電橋的靈敏度提高一倍,并能夠進一步抵消溫度的影響,這是因為兩塊應變片受到溫度的影響是相同的,這種橋路被稱為半橋。

還可以通過將電橋 4 個橋臂都安裝工作應變片來實現全橋配置,從而更進一步提高電路的靈敏度,適用于高精度場合。

NI 公司的 SCC 和 SCXI 系列調理產品均有針對應變電路調理的模塊。 NI SCC-SG 系列包括五種雙通道應變片輸入模塊,每一種都用于特定的應變片配置, 120Ω, 1/4 橋; 350Ω,1/4 橋; 半橋和全橋等。 調理模塊還包括一個 2.5V 激勵源, SG24 的激勵源是 10V 的, 它們是測壓元件和壓力傳感器輸入的理想選擇。 調理模塊的每個通道均配有一個儀器放大器,一個 1.6kHz 低通濾波器和一個用于橋路零位調整的電位計。 NI 還提供 SCC-SG11 模塊,該模塊可執行可編程分路校準。 NI SCXI-1520 是 8 通道通用應變片輸入模塊,具有進行簡單或高級應變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊,從應變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。 1520 包含在各類環境中均可自動校準的板載參考電壓, 它的每路通道均配有可編程放大器, 4 階可編程 Butterworth 濾波器以及獨立的 0V 到 10V 的可編程激勵源。此外, SCXI-1520 系統在模塊內部提供了組成半橋電路的電阻網絡,并在SCXI-1314 接線盒上提供了一個 350Ω的插座式電阻用于組成 1/4 橋, 120Ω的 1/4 橋電阻也隨附于接線盒。

cDAQ 模塊中, NI 9237 具有四路模擬輸入通道,其為應變片、壓力傳感器、測壓元件和其他基于電橋測量的傳感器而設計。 9237 由總線供電,可以為傳感器提供高達 10 V 的內置激勵,所以電橋不需要外部激勵。 9237 每通道可同步達到 50K 的采樣率,且帶有通道-接地隔離。

編碼器測量
編碼器是一種機電裝置,可以用來測量機械運動或者目標位置(圖 7)。大多數編碼器都使用光學傳感器來提供脈沖序列形式的電信號,這些信號可以依次轉換成運動、方向或位置信息。

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小。 而絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼,因此它的值只與測量的起始和終止位置有關,而與測量的中間過程無關。

在增量式中編碼器獲得物體的相對位置。 旋轉編碼器可以測量物體運動的角位移,它由一個發光二極管( LED)、一個碼盤,以及碼盤背面的一個光傳感器。這個碼盤安置在旋轉軸上,上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區域。當碼盤轉動時,不透光扇區能夠遮擋光線,而透光扇區則允許光線透過。這樣就產生了方波脈沖,可以編譯成相應的位置或運動信息。編碼器每轉通常分為 100 到 6000 個扇區, 100 個扇區的編碼器可以提供 3.6 度的精度,而 6000 個扇區的編碼器則可以提供 0.06 度的精度。僅有一路脈沖輸出的編碼器不能確定旋轉的角度,如果使用兩路脈沖,其間的相位差為90 度,那么通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉的方向兩個信息。例如,如果通道 A 相位超前,碼盤就以順時針旋轉。如果通道 B 相位超前,那么碼盤就是以逆時針旋轉(圖 8)。因此,通過監控脈沖的數目和信號 A、 B 之間的相對相位信息,就可以同時獲得旋轉的位置和方向信息。除此之外,有些正交編碼器還包含被稱為零信號或者參考信號的第三個輸出通道 Z 相。這個通道每旋轉一圈輸出一個單脈沖, 可以通過它來精確計算某個參考位置,這種編碼器被稱為三相編碼器。

線性編碼器與旋轉編碼器的工作原理類似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉碼盤,在不透光帶表面上有一些透光縫隙,而 LED 探測器組件則被附在運動體上,這樣可以測量物體的線位移。

絕對式編碼器能夠獲得目標的絕對位置。絕對式編碼器的不同之處在于編碼器的碼盤上,采用了多組分區形成同心碼道,如同靶環一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發,向外擴展直到碼盤外部,每一層碼道都比其內層多了一倍的分區。第一層,即最內層的碼道,只有一個透光扇區和一個不透光扇區;位于中心的第二層就具有兩個透光扇區和兩個不透光扇區。如果編碼器有 10 層碼道,那么最外圍的碼道就有 512 個扇區。因為絕對式編碼器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數目的扇區, 所以扇區的數目就形成了二進制計數系統。在這種編碼器中,碼盤上的每個碼道都對應一個光源和一個接收器。絕對式編碼器的優勢在于可以降低編碼器的轉速,可以使編碼器的碼盤在整個機器運動周期中只轉一圈。如果機器運動距離為 10 英寸,而編碼器具有 16 位精度,那么機器位置的精度就是 10/65,536,即 0. 英寸。如果機器的行程更長譬如 6 英尺,那么粗旋轉編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離;第二級稱為細旋轉編碼器可以跟蹤 1 英尺以內的距離。

編碼器是對信號邊沿計數,由邊沿數值轉換為位置信息的過程取決于所采用的編碼類型。 通常分為三種基本的編碼類型: X1、 X2 和 X4。 X1 編碼方式時, 當通道 A 引導通道 B 時,增量發生在通道 A 的上升沿。當通道 B 引導通道 A 時,減量發生在通道 A 的下降沿(圖 9):

X2 編碼方式時, 計數器 A 通道的每個邊沿計數是增加還是減少,取決于由哪個通道引導哪個通道。計數器的數值每個周期都會增加 2 個或減少 2 個(圖 10):

X4 編碼方式時, 計數器同樣也在通道 A 和 B 的每個沿上發生增加或者減少。計數器的數目是增加還是減少,取決于哪個通道引導哪個通道。計數器的數目每個周期都會增加 4 個或減少 4 個(圖 11):

對于角度編碼器,有
對于位移編碼器,有

NI M 系列數據采集卡所帶有的 Counter 可以滿足 ABZ 三相編碼器的測量,這三路脈沖信號需要直接連接到 Counter 的 Source, Gate 和 Aux 上,經過設置編碼器類型,編碼方式等信息,可以直接換算成需要的旋轉角度或位移值。
聲音和振動測量
振動是有質量的物體發生在平衡點附近的機械振蕩運動, 振動會產生壓力波,壓力波在空氣中傳播便產生了聲音。聲音與振動在本質上是通過不同的介質傳播的。 但在理論層面上,兩者之間是相互聯系的,所以測量聲音與振動在從本質來看也是相似的。

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態,這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變。相反,當在電介質的極化方向上施加電場,這些電介質也會發生變形,電場去掉后,電介質的變形隨之消失,這種現象稱為逆壓電效應,或稱為電致伸縮現象。依據電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。 許多測量加速度和壓力的傳感器都是基于壓電原理的(圖 12)。

IEPE 是壓電式傳感器的一個特殊類別,設計中它在壓電晶體后安裝了一個放大器(圖13)。由于壓電式傳感器產生的電壓很小,所產生的電子信號容易受到噪音影響,所以必須使用靈敏電子器件來放大和制約信號,降低輸出阻抗。因此 IEPE 將靈敏電子器件安裝得離傳感器越近越好,以減少噪聲干擾,確保了組裝的便捷。常規 IEPE 傳感器使用外部直流電源來提供激勵,根據壓電晶體接收到的不同電量來調整輸出電壓。 IEPE 在傳感器激勵(電流)和信號(電壓)輸出時只用一到兩根線。

聲音與振動的測試容易受到噪音的影響,需要對信號進行適當的調理。 傳感器獲取的信號包括直流和交流兩個部分,直流部分可將交流部分偏移零點。交流耦合可以通過連接信號的電容器,消除系統中的直流偏移。交流耦合傳感器系統可消除由老化和溫度效應引起的傳感器長期直流漂移,從而顯著地提高了分辨率,擴大了系統的可用動態范圍。在精密測量過程中,系統的采樣率必須至少是被采集信號頻率的兩倍。為了確保頻率范圍采樣正確,在ADC 前安裝低通濾波器, 這樣就能夠確保您減小高頻率噪音的影響,也可以保證高于采樣率頻率二分之一的混疊信號成分不會影響到測量結果。

圖(12)壓電原理

由于聲音和振動這類信號屬于動態信號, 其幅值頻率甚至方向都隨時間不斷變化,僅使用普通數采卡很難對其較好地采集,需要再附加上調理模塊。 NI SCC-ACC01 是一款單通道信號調理模塊, 專用于 IEPE 傳感器或麥克風。 該模塊包括一個交流差動放大器,一個 3階 Besse 低通濾波器(19 kHz)以及用于傳感器激勵的 4mA 恒定電流源。 NI SCXI-1530/1531同樣也是用于 IEPE 傳感器和麥克風的信號調理模塊。 其每一輸入通道均包括可編程交流儀器放大器, 4 階 Bessel 低通濾波器和激勵電流源。 NI SCXI-1530/1531 具有同步采樣能力,可以保持通道間的相位關系, 該模塊可以將信號在 DAQ 設備的一路通道中復用,也可另加模塊以增加通道數, 通過隨機掃描,可以只選擇想要采集數據的通道,且具有可提高掃描速率的并行操作模式以及可簡化信號連接的 BNC 連接器。

NI 同樣也提供專門的動態信號采集卡(DSA 設備)對聲音和振動信號進行采集。在 cDAQ模塊中, NI 9233/9234 用于動態信號的采集,其作為 4 通道 C 系列動態信號采集模塊,能針對集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器,進行高精度音頻測量。 其中NI 9234 具有 102dB 動態范圍,能對加速度傳感器和麥克風進行軟件可選式交流/直流耦合與集成電路壓電式(IEPE)信號調理。 4 條輸入通道借助自動調節采樣率的內置抗混疊濾波器,同時以每通道高達 51.2kHz 的速率對信號進行數字化(圖 14)。

此外, NI 445x 和 446x 的 DSA 采集卡也是專門針對動態信號設計的。

數字信號傳感器:傳感器信號通道 | Maxim Integrated  第2張

數字信號傳感器:拉線位移傳感器數字信號可選擇脈沖輸出

拉線位移傳感器數字信號可選擇脈沖輸出

拉繩位移傳感器精量
11月10日
拉線位移傳感器數字信號可選擇脈沖輸出 1、拉線位移傳感器與常規測距離傳感器,具有測量精度高、距離遠、性能穩定等特點,安裝也很方便。2、 根據被測距離的要求及安裝方式,行程在3000mm 的拉線式位移傳感器屬于短距離傳感器,另有5米、10...百度快照

數字信號化處理

網易
6月23日
從傳感器獲取的信號大多為模擬信號,進行數字信號處理之前,一般先要對信號作預處理和數字化處理。 而數字傳感器可直接通過接口與計算機聯接,將數字信號送給計算機(或數字信號處理器)進行處理。 百度快照

I2C或SPI數字信號輸出壓力傳感器-麥克傳感器

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2018年12月20日
【簡介】麥克傳感器股份有限公司推出數字型壓力傳感器輸出標準I2C或SPI信號,在智能儀器儀表和設備集成中有著廣泛應用。 【正文】 在數字化集成電路飛速發展的信息時代,傳感器也在向向數字化、高度集成化邁進。 百度快照

霍爾速度傳感器原理及算法介紹

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霍爾速度傳感器主要由電源電壓調整電路,霍爾探頭,放大器,濾波器,比較器,數字信號處理電路,AD轉換器,DA轉換器等組成?;魻柼筋^檢測到的磁場信號經過放大器放大并經過低通濾波器后由AD轉換器轉換成數字信號。AD轉換器,數字信號處理電路以及DA...百度快照

轉速傳感器信號故障問題怎么解決

太平洋汽車
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轉速傳感器是將旋轉物體的轉速轉換為電量輸出的傳感器。轉速傳感器屬于間接式測量裝置,可用機械、電氣、磁、光和混合式等方法制造。按信號形式的不同,轉速傳感器可分為模擬式和數字式兩種。 轉速傳感器由磁敏電阻作感應元件,是新型的轉速...百度快照

數字式扭矩傳感器的基本應用知識

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當彈性軸旋轉時,這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波,比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優點:實現了轉矩信號的非接觸傳遞,檢測信號為數字信號;缺點:體積較大,不易安裝,低轉速時由于脈沖波...百度快照

壓力傳感器信號處理電路原理圖

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2016年11月7日
壓力傳感器用DG通用系列標準型全不銹鋼焊接結構壓力變送器,精確度最高可達0.1%FS,具有小體積、高性能、高性價比、高穩定性、高靈敏度等特點。差壓傳感器電壓信號經濾波及正向跟隨后接分壓電阻。壓力傳感器信號處理電路原理圖:...百度快照

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基于DSP的數字溫度傳感器控制系統

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DQ為數字信號輸入/輸出端;GND為接地;VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS-l8B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量,用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供,以O.0625℃/LSB形式表達,其中S為符號位。例如+125℃的...百度快照

感應式數字水位傳感器智能變送器設計

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2011年8月1日
它的每個神經元電路都是以開關脈沖的形式輸出數字信號,經過統計后,將開關數字信號調制為模擬信號電流(非標準電流信號)方式輸出給信號調理電路進一步處理。 信號調理電路是將傳感器輸出的非標準電流信號轉化為電壓信號,為C8051F020模數轉換做...百度快照

數字信號傳感器:數字壓力傳感器

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數字壓力傳感器
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數字壓力傳感器是一種新型的RS485數字量輸出傳感器, 相對市場上普遍輸出模擬量信號的變送器更加適合廣大工控自動化用戶信號采集,RS485數字化傳感器有著廣闊的發展前景廣泛應用于各種工業自控環境,涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、液壓機械等眾多行業。
中文名
數字壓力傳感器
類 別
傳感器
使用環境
工業自控環境
被測介質
液體, 流體等
目錄
1
產品參數
2
工作原理
3
屬性特征
數字壓力傳感器產品參數
編輯
語音
壓力類型: 表壓,負壓,正負壓,絕壓量 程:-0.1~0~1~150(MPa) 量程可選輸 出:RS485數字信號綜合精度: ±0.1%FS(量程60MPa以上)、±0.25%FS、±0.5%FS供 電: 直流7-24VDC絕緣電阻: ≥1000 MΩ/100VDC介質溫度: 0~85℃)環境溫度: -20~70℃儲存溫度: -40~70℃相對濕度: 0~95% RH密封等級: IP65/IP68過載能力: 150%FS響應時間: ≤10mS穩 定 性:≤±0.15%FS/年振動影響:≤±0.15%FS/年(機械振動頻率20Hz~1000Hz)電氣連接: 赫斯曼接頭
數字壓力傳感器工作原理
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語音
數字壓力傳感器的工作原理是壓力直接作用在傳感器的膜片上,使膜片產生與介質壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻發生變化,和用電子線路檢測這一變化,并轉換輸出一個對應于這個壓力的數字標準信號。
數字壓力傳感器屬性特征
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語音
1.傳感器:能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感元件和轉換元件組成。①敏感元件是指傳感器中能直接(或響應)被測量的部分。②轉換元件指傳感器中能較敏感元件感受(或響應)的北側量轉換成是與傳輸和(或)測量的電信號部分。③當輸出為規定的標準信號時,則稱為變送器。2. 測量范圍:在允許誤差限內被測量值的范圍。3. 量程:測量范圍上限值和下限值的代數差。4. 精確度:被測量的測量結果與真值間的一致程度。5. 從復性:在所有下述條件下,對同一被測的量進行多次連續測量所得結果之間的符合程度:6. 分辨力:傳感器在規定測量范圍圓可能檢測出的被測量的最小變化量。7. 閾值:能使傳感器輸出端產生可測變化量的被測量的最小變化量。8. 零位:使輸出的絕對值為最小的狀態,例如平衡狀態。9. 激勵:為使傳感器正常工作而施加的外部能量(電壓或電流)。10. 最大激勵:在市內條件下,能夠施加到傳感器上的激勵電壓或電流的最大值。11. 輸入阻抗:在輸出端短路時,傳感器輸入的端測得的阻抗。12. 輸出:有傳感器產生的與外加被測量成函數關系的電量。13. 輸出阻抗:在輸入端短路時,傳感器輸出端測得的阻抗。14. 零點輸出:在市內條件下,所加被測量為零時傳感器的輸出。15. 滯后:在規定的范圍內,當被測量值增加和減少時,輸出中出現的最大差值。16. 遲后:輸出信號變化相對于輸入信號變化的時間延遲。17. 漂移:在一定的時間間隔內,傳感器輸出終于被測量無關的不需要的變化量。18. 零點漂移:在規定的時間間隔及室內條件下零點輸出時的變化。19. 靈敏度:傳感器輸出量的增量與相應的輸入量增量之比。20. 靈敏度漂移:由于靈敏度的變化而引起的校準曲線斜率的變化。21. 熱靈敏度漂移:由于靈敏度的變化而引起的靈敏度漂移。22. 熱零點漂移:由于周圍溫度變化而引起的零點漂移。23. 線性度:校準曲線與某一規定只限一致的程度。24. 菲線性度:校準曲線與某一規定直線偏離的程度。25.長期穩定性:傳感器在規定的時間內仍能保持不超過允許誤差的能力。26. 固有憑率:在無阻力時,傳感器的自由(不加外力)振蕩憑率。27. 響應:輸出時被測量變化的特性。28. 補償溫度范圍:使傳感器保持量程和規定極限內的零平衡所補償的溫度范圍。29. 蠕變:當被測量機器多有環境條件保持恒定時,在規定時間內輸出量的變化。
30. 絕緣電阻:如無其他規定,指在室溫條件下施加規定的直流電壓時,從傳感器規定絕緣部分之間測得的電阻值。
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數字壓力傳感器強勢登陸麥克傳感微商城!
隨著物聯網和工業自動化、智能化發展,傳統的傳感器已逐漸無法滿足市場應用的需求,智能化、微型化及數字化將成為新型傳感器的未來發展方向。...
2021-02-260
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