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1、如何实现计算机数据采集系统的信号调理中国农业大学机械工程学院(100083)金昊北京工业大学计算机中心柯冬香摘要:详述了基于PC的数据采集系统常用传感器的电气特性及其对信号调理的要求,介绍了目前数据采集和测控系统前端信号调理模块的七种通用信号调理功能及其对系统安全性、可靠性和测试准确性的影响。关键词:数据采集传感器信号调理基于PC的数据采集系统(含插入式电路板)广泛表1几种常用传感器的电气特性应用于实验室、现场、制造车间等环境,插入式数据采及特别的信号调理要求集板是测量电压信号的通用数据采集仪器。然而,传感传感器电气特性信号调理要求器
2、产生的信号必须首先进行调理才能被数据采集设备输出电压低冷节补偿精确、可靠地采集,我们把这种前端口的处理称作信号热电偶灵敏性差高增益放大非线性输出线性化调理,它包括信号放大、滤波、隔离、多路转换等通用功电阻输出能。可以说,信号调整附件是大多数基于PC的数据采阻值小(一般1008)电流激励集系统不可缺少的组成部分(见图1)。RTD灵敏性差4线或3线配置非线性输出线性化(线性度优于热偶)电阻输出电压或电流激励热敏电阻阻值大,灵敏度高参考电阻极端非线性输出线性化电压或电流输出,幅度大电源IC敏感器件输出的线性度最好低增益放大电阻输出激励图1阻
3、值低电桥配置应变仪灵敏度极差3线连接1传感器调理非线性输出线性化传感器的目的是将物理现象如温度、应变、压力、光等转换为电信号如电压或电阻。传感器的一些独特特性常常是设计信号调理电路所需考虑的主要因素。表1给出了五种常用传感器的电气特性及信号调理要求。111热电偶测量温度最普遍采用的传感器是热电偶。热电偶价低、结构坚固,而且可测量的温度范围宽,但信号调理要求也较特殊。热电偶的工作原理是:把两种不同的金属线接在一起会产生一个随温度变化的电压。然而热电偶引线与接测量仪器的导线相连会产生一个热电节——冷节图2(coldjunction),这样
4、实际测量电压VMEAS就包括热电敏感性与噪声也是热电偶测量的重要影响因素。偶电压和冷节电压(VCJ)(见图2)。为此,大多数信号热电偶的输出电平非常低,温度变化1°C,输出仅变化调理模块都使用一个附加传感器实现冷节补偿(cold27～50LV,电噪声对信号的影响非常敏感。所以热电偶junctioncompensation),即将附加传感器如热敏电阻的信号调理模块应含有抑制50Hz、60Hz噪声的低通或IC敏感器件置于信号连接器或端子板上,在冷节上滤波器和用来提高信号电平的高增益仪器放大器。信直接测量环境温度,然后通过软件为热电压计算一
5、个号的放大也增加了测量分辨率和敏感度,例如,模拟合适的补偿。——数字转换器(ADC)的输入量程是±10V,增益为《电子技术应用》1998年第11期四通工控研华加值商62626144626261451350,它的分辨率是98LV,这对于J或K型热电偶相当激励源(如图4)。应变片通常占据1、2或4个桥臂,其于2°C,如果给系统增加一个增益为100的信号调理,余位置由固定电阻代替。图4是一个半桥应变仪电路,测量分辨率就可增至1LV,这相当于几分之一摄氏度。有两个应变元件RG1、RG2和两个固定电阻R1、R2。通过112RTD对桥施加电压VE
6、XC’测量系统就可测定VMEAS。在无应另一个常用的力状态下,RG1öRG2=R1öR2,测量结果是:VMEAS=0V,温度传感器是这种情况称作平衡电桥。施加应力后,由于它们的阻值RTD(电阻温度检发生了变化,就会导致VMEAS的变化:测器),其电阻随温RG2R2VMEAS=-VEXC。度而变化(通常RG1+RG2R1+R2RTD是铂制的,应变传感器的信号调理模块应具有电压激励源、0°C的标称电阻为(a)增益放大器和组成整桥的电阻(图5),这些都必须十1008)。RTD是电分精确和稳定。由于应变仪电桥很少能够达到绝对平阻设备,必须通过
7、电衡,一些信号调理设备还使用调零补偿,将无应变电桥流产生电压才能被数的阻值调至平衡电桥,并消除所有初始DC偏置电压。据采集设备测量,由还可以测量这个初始偏置电压,并在转换程序中利用于低阻阻值(1008)这个测量值来补偿非平衡初始状态。会随着温度有微小变化(小于0148ö°C),RTD要求信号调理设备提供高精度的激励电流源和高增益放大器,并采用4线或(b)3线测量技术来最大限度减少测量误差。图3采用2线测量技术,图5如图3(a)所示,激励电流通过引线电阻RL时会产生电压降,从而导致测量误差,这个误差有可能对测量产114电流信号生很大影响
8、。4线测量技术,见图3(b)是采用另一对引许多用于过程控制与监视的设备或发送器输出一线承载RTD的激励电流,这样,通过传感器线路的电个4～20mA或0～20mA的电流信号,这是由于电流流极其微小(可忽略),从而由引线电阻
