模拟量检测与控制

1、2021-9-241内容内容 检测与转换技术检测与转换技术 模数和数模转换模数和数模转换 S7-300 PLC模拟量处理模拟量处理 模拟量闭环模拟量闭环PID控制控制2021-9-242模拟量的基本概念模拟量的基本概念模拟量：在时间上、数值上都连续变化的物理量。模拟量：在时间上、数值上都连续变化的物理量。初始性l 模拟量大部分是自然界的初始变量。模拟量大部分是自然界的初始变量。l 对非电量进行测量、处理、控制时，要把非电量转化成模拟对非电量进行测量、处理、控制时，要把非电量转化成模拟电信号。电信号。l 标准的模拟电压信号：标准的模拟电压信号：0 10V。l 标准的模拟电流信号：标准的模拟电流信

2、号：4 20mA或或0 20mA。2021-9-243模拟量的基本概念模拟量的基本概念连续性模拟量随时间的变化曲线是光滑而连续的，没有间断点。模拟量随时间的变化曲线是光滑而连续的，没有间断点。2021-9-244检测与转换技术检测与转换技术现代检测技术的一个明显特点是采用电测法，即电测非电量。现代检测技术的一个明显特点是采用电测法，即电测非电量。首先将被测物理量从研究对象中检出并转换成电量，然后再根据首先将被测物理量从研究对象中检出并转换成电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行某些处理，最后以适当的形式输出。需要对变换后的电信号进行某些处理，最后以适当的形式输出。2021-9-245检测与转

3、换技术检测与转换技术传感器直接与被测对象发生联系，它的功能是将被测参数直接或间接转换成电信号。它的好坏直接影响检测装置的质量，是检测装置的重要部件；传感器往往也被称为敏感元件敏感元件或一次元件一次元件。2021-9-246检测与转换技术检测与转换技术中间变换装置根据不同情况有很大的伸缩性。在简单的检测系中间变换装置根据不同情况有很大的伸缩性。在简单的检测系统中可能完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录（比统中可能完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录（比如由热电偶和毫伏表组成的测温系统）。大多数测试系统而言，如由热电偶和毫伏表组成的测温系统）。大多数测试系统而言，中间变换环节是必不可少

4、的。中间变换环节是必不可少的。信号的变换包括：放大，调制、解调、滤波等等。功能强大的信号的变换包括：放大，调制、解调、滤波等等。功能强大的检测系统往往还要将计算机作为一个中间变换环节，以实现诸检测系统往往还要将计算机作为一个中间变换环节，以实现诸如波形存储、数据采集、非线性校正和消除系统误差等功能。如波形存储、数据采集、非线性校正和消除系统误差等功能。远距离测量时还需要数据传输装置。远距离测量时还需要数据传输装置。 2021-9-247检测与转换技术检测与转换技术机床轴承故障监测系统中的机床轴承故障监测系统中的中间变换装置中间变换装置由带通滤波器、由带通滤波器、A/DA/D变换和计算机中变换和

5、计算机中的的FFTFFT分析软件三部分组成。分析软件三部分组成。测试系统中测试系统中传感器传感器为为，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，大，用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；则对转换后的数字信号进行则对转换后的数字信号进行FFTFFT变换，计算变换，计算出信号的频谱；最后由出信号的频谱；最后由对频谱进行显示。对频谱进行显示。 另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相

6、连，当机床振动信号超另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相连，当机床振动信号超标时发出报警信号，防止加工废品的产生。标时发出报警信号，防止加工废品的产生。 2021-9-248检测与转换技术检测与转换技术传感器变送器显示器A/D被测参数参数显示电信号标准电信号变送器分为电流输出型和电压输出型。变送器分为电流输出型和电压输出型。电压输出型变送器具有恒压源特性，输入阻抗很高。如果变送电压输出型变送器具有恒压源特性，输入阻抗很高。如果变送器距离器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流，在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压

7、。例扰信号电流，在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如如1 A干扰电流在干扰电流在10M 输入阻抗上将产生输入阻抗上将产生10V的干扰电压信的干扰电压信号，所以远处传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。号，所以远处传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。电流输出型变送器具有恒流源的性质，内阻很大，输入阻抗较电流输出型变送器具有恒流源的性质，内阻很大，输入阻抗较小小(例如例如250 )。线路上的干扰信号在模块的输入端阻抗上产生。线路上的干扰信号在模块的输入端阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适合于远程传送。的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适合于远程传送。2021-9-249检测与转换

8、技术检测与转换技术检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性-能满足被测参数测量和系统运行需要而应具有的仪表输入/输出特性。通过量程与零点的调整与迁移来实现。 2021-9-2410检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性被测参数经传感器进入变送器，经变送器输出标准信号。被测参数经传感器进入变送器，经变送器输出标准信号。两者为单值关系且呈一定比例关系。两者为单值关系且呈一定比例关系。被测量量程被测量量程被测量上、下限偏差值被测量上、下限偏差值t toy仪表工作特性仪表工作特性maxyminyminxmaxxxByBmk信号输出上、下限偏差信号输出上、下限偏差

9、minmaxyyByminmaxxxBxminmaxxxBxxymBBxxyykminmaxminmax2021-9-2411检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性根据仪表的工作特性，可以由变送器输出的任一信号大小，确根据仪表的工作特性，可以由变送器输出的任一信号大小，确定该信号所对应的被测参数值：定该信号所对应的被测参数值：minmin1xyykxm一个一个DDZ-III型温度检测仪表型温度检测仪表(输出范围为输出范围为4 20mA)，其测温范围，其测温范围为为50 150 C。用其检测一个物体温度，测得与其配接的变送器。用其检测一个物体温度，测得与其配接的变送器输

10、出信号为输出信号为12mA，该物体温度是多少？，该物体温度是多少？CxyykxCmABBkmxym1005041216. 011/16. 010016minmin2021-9-2412检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性量程调整量程调整零点调整与零点迁移零点调整与零点迁移a)零点调整零点调整 b)正零点迁移正零点迁移 c)负零点迁移负零点迁移2021-9-2413检测与转换技术检测与转换技术测量误差测量误差类型类型明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突粗大误

11、差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。当发现粗大误差时，应予以剔除。粗大误差粗大误差2021-9-2414检测与转换技术检测与转换技术测量误差测量误差类型类型指检测仪表本身或其他原因引起的有规律的误差，它反映了测量指检测仪表本身或其他原因引起的有规律的误差，它反映了测量值偏离真值的程度。值偏离真值的程度。

12、来源主要有：仪表的示值不准（如刻度分度差错），零值误差来源主要有：仪表的示值不准（如刻度分度差错），零值误差（如零点漂移），仪表的结构误差（如电子元器件老化）等，由（如零点漂移），仪表的结构误差（如电子元器件老化）等，由仪表引入的系统误差；者由实验者造成的服从一定规律的误差；仪表引入的系统误差；者由实验者造成的服从一定规律的误差；由于实验条件不能满足理论公式或测量方法产生的误差。由于实验条件不能满足理论公式或测量方法产生的误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除

13、。的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。 系统误差系统误差2021-9-2415检测与转换技术检测与转换技术测量误差测量误差类型类型在相同条件下对同一被测参数进行多次重复测量，各测量值之间在相同条件下对同一被测参数进行多次重复测量，各测量值之间存在差异，这种误差的绝对值及符号是不确定的，称为随机误差。存在差异，这种误差的绝对值及符号是不确定的，称为随机误差。它服从一定的统计规律，因此可以通过测量增加次数，利用概率它服从一定的统计规律，因此可以通过测量增加次数，利用概率论和统计学方法，对测量结果进行统计处理，从而减小其对测量论和统计学方法，对测量结果进行统计处理，从而减小其对

14、测量结果的影响。结果的影响。随机误差随机误差2021-9-2416检测与转换技术检测与转换技术测量误差测量误差类型类型当测量参数随时间迅速变化时，由于检测元件中的各种运动关系当测量参数随时间迅速变化时，由于检测元件中的各种运动关系和能量转换，使检测仪表的测量值不能及时跟随被测参数的变化和能量转换，使检测仪表的测量值不能及时跟随被测参数的变化而产生的误差，称为动态误差。而产生的误差，称为动态误差。由于检测仪表工作在闭合控制系统中，所有其动态特性会直接影由于检测仪表工作在闭合控制系统中，所有其动态特性会直接影响整个系统的控制品质。响整个系统的控制品质。动态误差动态误差2021-9-2417检测与转

15、换技术检测与转换技术测量误差测量误差绝对误差绝对误差读数绝对误差：测量值：仪表读数测量值：仪表读数真实值真实值0Axx仪表的最大绝对误差 ：)max(maxAxx真值是无法得到的，常用精度更高的仪器示值真值是无法得到的，常用精度更高的仪器示值A来近似代替：来近似代替：读数绝对误差：Axx2021-9-2418检测与转换技术检测与转换技术测量误差测量误差相对误差相对误差实际相对误差：%100AxA示值相对误差：%100 xxx引用相对误差：%100 xBBx！为减少仪表读数误差，仪表应尽量工作在量程的70%-80%。注：注：2021-9-2419检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测

16、仪表的性能指标精密度在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度即分散程度，它反映了随机误差的大小。 准确度它表承测量仪器指示值对真值的偏离程度，它反映了系统误差的大小。 精确度是精密度和准确度的综合反映，常用测量误差的相对值表示。2021-9-2420精度等级： 按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。精度等级常以一定符号内的数字标明，在仪表面上。精度等级常以一定符号内的数字标明，在仪表面上。我国仪表精度等级为：我国仪表精度等级为： 0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等等 级数越小，精度越高。级数越小，精度

17、越高。 校验用标准表多为校验用标准表多为0.1，0.2级；级； 工业现场多为工业现场多为0.40.5级。级。检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标2021-9-2421检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标允许误差%100maxxBx允 例：某仪表的精度等级为例：某仪表的精度等级为1.5，则允许误差为，则允许误差为1.5%2021-9-2422仪表灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与被测参数的变化之比。X反映仪表对被测参数反映仪表对被测参数变化的敏感程度。变化的敏感程度。 提高灵敏度提高灵敏度提高精确度！提高精确度！ 检测与转换技术检测与转换技

18、术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标2021-9-2423CCXoooo/35. 1200270圆形表用角位移：圆形表用角位移：直线形表用角位移：直线形表用角位移：kPammkpmm/013.0300040X例例:量程量程0200满量程指针超过满量程指针超过270满量程满量程3000移动距离移动距离40mm检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标2021-9-2424检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标可靠性：可靠性是反映检测仪表在规定条件下，在规定时间内是否耐用的一种综合质量指标。常用的可靠性指标有：平均无故障工作时间平均修复时间有效度：

19、指平均无故障时间与平均无故障时间及平均修复时间之和的比值。2021-9-2425灵敏限：指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。与灵敏度是不同的概念。检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标2021-9-2426检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标某某DDZ-III型测温仪表的测温范围为型测温仪表的测温范围为200 1200 C，出厂前校验时，出厂前校验时各点的测量结果如下（单位：各点的测量结果如下（单位： C）：）：被校表读数20030040050060070080090010001100

20、1200标准表读数2012984035015996017989021001109812022021-9-2427检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标1.该仪表的最大绝对误差该仪表的最大绝对误差被校表读数200300400500600700800900100011001200标准表读数201298403501599701798902100110981202绝对误差-1+2-3-1+1-1+2-2-1+2-2CAxx3)max(max最大绝对误差：最大绝对误差：2021-9-2428检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标最大相对误差：最大相对误

21、差：%3.0%10020012003%100maxxBx仪表精度为仪表精度为0.3，由于国家规定的精度等级中没有，由于国家规定的精度等级中没有0.3级仪表，所级仪表，所以该仪表的精度等级选为以该仪表的精度等级选为0.4级。级。量程：量程：CBx10002001200工作特性：工作特性：CmAByykxm/012. 01000420minmax2.该仪表的精度等级、量程和仪表的工作特性该仪表的精度等级、量程和仪表的工作特性2021-9-24293.现有该仪表和现有该仪表和0.5级级200 800 C两个测温仪表，要测两个测温仪表，要测600 C的温的温度，采用哪个测温仪表好？度，采用哪个测温仪表

22、好？检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标采用该仪表时，可能出现的最大示值相对误差为：采用该仪表时，可能出现的最大示值相对误差为：%667.0%100600%4.01000%100 xxx采用采用0.5级级200 800 C仪表仪表时，可能出现的最大示值相对误差为：时，可能出现的最大示值相对误差为：%5.0%100600%5.0600%100 xxx可见，用量程范围适当的可见，用量程范围适当的0.5级仪表测量，能得到比量程范围大级仪表测量，能得到比量程范围大的的0.4级仪表更准确的结果。级仪表更准确的结果。2021-9-2430检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性

23、能指标检测仪表的性能指标因此，在选用仪表时，应根据被测参数的大小，在满足被测参因此，在选用仪表时，应根据被测参数的大小，在满足被测参数测量范围的前提下，应尽可能选择量程小的仪表，并使测量数测量范围的前提下，应尽可能选择量程小的仪表，并使测量值大于所选仪表满刻度的三分之二。值大于所选仪表满刻度的三分之二。2021-9-2431标准值0992023043985026047058008951000测量值01002003004005006007008009001000有一支温度计，其量程范围为有一支温度计，其量程范围为01000,精度为精度为0.5级，其级，其标尺上、下限偏转角为标尺上、下限偏转角为2

24、70o。 0+1-2-4+2-2-4-50+50检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标x2021-9-2432检测与转换技术检测与转换技术检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标20.99%(0.5%)202S 4. 对于对于202 这一点，相对误差这一点，相对误差50.5%895 对于对于895 这一点，相对误差这一点，相对误差CBCxx10005max1.2. 最大相对误差：最大相对误差：%5.0%10010005%100maxxBx3. 灵敏度灵敏度CCXoooo/027. 010002702021-9-2433温度：表征物体冷热程度的一个物理量。名称符号单位绝对零

25、点冰融点水沸点人体体温华氏F-459.6732212100摄氏C-273.15010037.5开氏TK0273.15373.15 F=1.8=1.8+32 +32 K= =+373.15+373.15温标：将温度数值化的一套规则和方法。检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送2021-9-2434通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；应速度快；测温上限原则上不受限制；测温上限原则上不受限制；易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘

26、和水汽等）的影响。尘和水汽等）的影响。检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送分类分类接触式非接触式接触测量，简单、可靠、精度高；接触测量，简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；化学反应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。2021-9-2435检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送分类分类类型型式原理测温范围()准确度()特点常用种类接触式膨胀式膨胀-2006500.15结构简单，响应速度慢，适于就地测量汞温度计双金属式温度

27、计压力表式压力-206000.55具有防爆能力，响应速度慢，测量精度低，适于远距离传送液体压力温度计蒸汽压力温度计热电阻热阻效应-2008500.015响应速度较快，测量精度高，适于低、中温度测量，输出信号能远距离传送铂电阻温度计铜电阻温度计热敏电阻温度计热电偶热电效应-2001800210响应速度快，测量精度高，线性度差，适于中、高温度测量，输出信号能远距离传送N型、K型、E型、J型、T型、B型等非接触式辐射式热辐射1003000120响应速度快，线性度差，适于中、高温度测量，测量精度易受环境影响辐射温度计光电高温计红外测温计2021-9-2436检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温

28、度检测与变送分类举例分类举例膨胀式温度计-基于物体受热时产生体积膨胀. 双金属式温度计-用两种膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成螺旋形。温度越高，产生的膨胀长度差越大，引起的弯曲角度越大。 2021-9-2437辐射式温度计-根据物体的热辐射特性，物体的辐射能通过光学系统中的透镜聚焦到检测元件，再通过热敏元件或光敏元件将其转换成电信号，经过信号处理电路，输出与被测温度相对应的响应信号，从而实现对不同温度范围的测量。 检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送分类举例分类举例2021-9-2438检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶将两种不同材质的导

29、体或半导线在其端点实现物理接触；当回路两端温度不同时，回路中出现电势差。这种将热能转换成电能的现象称为热电效应。AB热电偶产生的直流热电势与温度有准确的单值对应关系，且幅值不超过几十毫伏。热电偶-基于热电效应实现温度检测. 2021-9-2439检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶),(),()()(),(0000ttEttEtEtEttEABABABAB0tt冷端热端AB),(0ttEB),(0ttEA)(0tEAB)(tEAB热电偶的总热电动势=接触电动势+温差电动势工作原理2021-9-2440检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶

30、热电偶热电偶的热电特性-当热电偶材质确定且冷端温度恒定时，热端温度与热电动势之间呈单值函数关系在实际使用中，只要保持冷端温度为在实际使用中，只要保持冷端温度为t0，根据仪表测得的热电，根据仪表测得的热电动势动势EAB(t,t0)，就计算出被测温度，就计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应或者通过分度表查出所对应的被测温度的被测温度t。 实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，则：电动势只占极小部分，可以忽略不计，则：)()(),(00tEtEttEABABAB工作原理2021-9-2441检

31、测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。度相同，则回路中总的热电动势不变。)()()(),(000tEtEtEttECABCABABC0)()()(),(00000tEtEtEttECABCABABC)()(),(00tEtEttEABABABC2021-9-2442检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种可以用同样的方法证明，断开热电

32、偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。 这种性质在实用上有着重要的意义，可以方便地在回路中直接这种性质在实用上有着重要的意义，可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器；也可以将热电偶的两端不接入各种类型的显示仪表或调节器；也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。量。 中间导体定律2021-9-2443检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶热电偶回路两接点（温度为热电偶回路两接点（温度为t、t0）间的

33、热电势，等于热电偶在）间的热电势，等于热电偶在温度为温度为t、tc时的热电势与在温度为时的热电势与在温度为tc、t0时的热电势的代数和。时的热电势的代数和。tc称中间温度。称中间温度。中间温度定律),(),(),(0cABcAB0ABttEttEttE2021-9-2444检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶中间温度定律)0,(),()0,(ocABcABoABCtEttECtE查分度表求得 测量的热电动势应用：应用：2021-9-2445检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K型型)热电偶测炉温。当热电偶的

34、冷端温度为热电偶测炉温。当热电偶的冷端温度为40 时，时，测得的热电动势为测得的热电动势为35.72mV，问：被测炉温为多少？，问：被测炉温为多少？mVCE611.1)0 ,40(oABmVCEtECtE331.37611.172.35)0,40()40,()0,(oABABoAB再反向查分度表，可知再反向查分度表，可知37.331mV所对应的温度为所对应的温度为t=900.1 C，即被测炉温为即被测炉温为900.1 C中间温度定律查阅查阅K型热电偶分度表，可知：型热电偶分度表，可知：2021-9-2446冷端温度补偿-热电偶只有在冷端温度保持不变时，才能保证热电动势与被测温度之间呈单值函数关

35、系。-热电偶的分度表一般是在冷端温度t0=0情况下测定。热电偶的冷端必须保持恒定（0），以避免测量误差。检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶2021-9-2447检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶冷端处理方法一:用冰水混合物保持在02021-9-2448检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶补偿导线法补偿导线是用热电特性与热电偶相近的材料制成的导线。根据补偿导线是用热电特性与热电偶相近的材料制成的导线。根据中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延长至控制室等需中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延

36、长至控制室等需要的地方，可以使热电偶的冷端远离热源，从而保证冷端稳定，要的地方，可以使热电偶的冷端远离热源，从而保证冷端稳定，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。补偿导线法在使用时需要注意：补偿导线法在使用时需要注意：补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，可参考国际电工补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，可参考国际电工委员会指定的标准；补偿导线与热电偶连接处的两个接点温度委员会指定的标准；补偿导线与热电偶连接处的两个接点温度应相同；连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别于热电应相同；连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别于热电偶的正

37、负极相对应连接；补偿导线连接端的工作温度范围不能偶的正负极相对应连接；补偿导线连接端的工作温度范围不能超过超过0 100 C，否则会给测量带来误差。，否则会给测量带来误差。2021-9-2449检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶电桥补偿法热敏铜热敏铜质电阻质电阻电位器电位器只要选取铜电阻，使得：只要选取铜电阻，使得：)0 ,(0tEUABab则无论冷端温度如何变化，则无论冷端温度如何变化，电桥产生的不平衡电压正好电桥产生的不平衡电压正好补偿冷端温度变化引起的热补偿冷端温度变化引起的热电动势变化：电动势变化：)0 ,()0 ,(),()(),(0000tEtEt

38、tEtUttEUABABABabAB使回路电动势使回路电动势只与被测温度有关。只与被测温度有关。)0 ,(tEUAB2021-9-2450检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电偶热电偶常用工业热电偶类型 热电偶名称分度号测温范围（）特点适用场合铂铑10-铂S01700热电性能稳定，抗氧化性强，测温范围广，测量精度高，线性差，价格高精密测量；有氧化性、惰性气体环境铂铑30-铂铑6B01700测温上限高，稳定性好，抗氧化性强，线性较差，价格高高温测量；不适用于还原性气体环境镍铬-镍硅K-200+1300测温范围宽、线性好、热电动势大，价格低，但稳定性较B型或S型热电偶差 中高

39、温测量镍铬-康铜E-200+1000热电动势较大，耐磨蚀，价格低，中低温测量稳定性好中低温测量；有氧化性、惰性气体环境铁-康铜J-200+1300价格便宜，热电动势较大化工过程温度测量铜-康铜T-200+400精度高，价格低，但铜易氧化低温测量 镍铬硅-镍硅N-200+1300在相同条件下，尤其在11001300的高温条件下，高温稳定性及使用寿命较K型热电偶好，性能与S型热电偶近似，但价格较小在测温范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的趋势铂铑13-铂R01700与S型热电偶性能相似，热电动势较大S型热电偶相似环境2021-9-2451检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度

40、检测与变送热电阻热电阻热电阻适用于热电阻适用于0 ,即电阻值随着温度的升高而增加. 半导体热电阻，其温度系数可正可负，且线性度差. 工作原理及其特点 2021-9-2452检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻不适用于测量体积小和温度瞬变对象的温度。 热电阻热电偶较大空间的平均温度点温度冷端温度补偿与桥式电路配接中、低温区稳定性好、准确度高测温上限高工作原理及其特点 2021-9-2453检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻金属热电阻应具备的特性： 电阻温度系数较大且稳定，测温灵敏度高； 电阻率大,从而在相同灵敏度下减小元件的尺寸；

41、 电阻值与温度之间呈单值关系； 具有化学稳定性和耐热性。 常用金属热电阻 目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。2021-9-2454检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻常用金属热电阻 0200400600800-2001234CuPtNit/价格便宜，线性程度好，但温度高易于氧化。精度高、稳定性好、性能可靠、耐氧化能力强、测温范围宽。但电阻温度系数比较小，电阻值与温度之间呈非线性关系，且价格较贵。 2021-9-2455检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻热电阻引线 热电阻接入

42、结构一: 二线制 热电阻位于热温现场，而仪表显示或变送位于远离现场的部分，两者之间的连线电阻会对热电阻精度构成影响。理想值 r的影响不容忽视。误差)(tREIt实际值 rtREIt)(rtRIIIt)(112021-9-2456检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻热电阻引线 电桥平衡时：1342()()tRRR RR RR3421tRRRRRR当时，与 无关热电阻接入结构二: 三线制 避免或减少导线电阻对测温的影响.1234RRRRRRRt2021-9-2457检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻热电阻引线 热电阻接入结构二: 四

43、线制 在热电阻感温元件的两端各连接两根导线的引线方式称为四线在热电阻感温元件的两端各连接两根导线的引线方式称为四线制。其中，两根引线为热电阻提供恒流源；制。其中，两根引线为热电阻提供恒流源； 在热电阻上产生的在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位计进行测量。压降通过另两根引线引至电位计进行测量。这种方式能完全消除引线电阻的附加影响，且在连接导线阻值这种方式能完全消除引线电阻的附加影响，且在连接导线阻值相同时，还可以消除连接导线的影响，因此，主要用于高精度相同时，还可以消除连接导线的影响，因此，主要用于高精度的温度测量。的温度测量。2021-9-2458检测与转换技术检测与转换技术温度检测与

44、变送温度检测与变送热电阻热电阻半导体热敏电阻 灵敏度高；体积小；反应快速；灵敏度高；体积小；反应快速； 且且RtR （连线电阻），可以采用长距离连线；（连线电阻），可以采用长距离连线； 互换性、稳定性不好，有非线性；应用受限。互换性、稳定性不好，有非线性；应用受限。由多种金属氧化物按比例烧结成的半导体构成。2021-9-2459检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送热电阻热电阻半导体热敏电阻 /otCCTRNTC0 40 80 120 160 180 107106105104103102101PTC正温度系正温度系数数:在某区段灵在某区段灵敏度高，适于敏度高，适于位式温度传感

45、位式温度传感器。器。NTC负温度系数负温度系数:线性度线性度好，用于连续变化温度好，用于连续变化温度场合场合.PTC2021-9-2460检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送集成温度传感器集成温度传感器利用利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。特点：特点：体积小；体积小；热惯性小、反应快；热惯性小、反应快；测温精度高；测温精度高；稳定性好；稳定性好；价格低等。价格低等。分电压型和电流型两种：电压型温度系数约分电压型和电流型两种：电压型温度系数约10mV/ C；电流型；电流型温度系数约温度系数约1A/ C。

46、 2021-9-2461检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送集成温度传感器集成温度传感器AD590 两端元件； 供电电压：直流（+4+30V），1.5mW(+5V)； 高阻抗（710M）输出； 0C时输出273.2A； 温度系数1A/ C； 测温范围-55+150 C； 使用范围广泛。2021-9-2462检测与转换技术检测与转换技术温度检测与变送温度检测与变送DDZ-III型温度变送器型温度变送器功能功能：与各种热电偶、热电阻配合使用，将被测温度转换成统一的标准电流（电压），作为显示仪表，调节器或计算机模拟输入采集的输入，以实现被测温度的显示、记录或控制。根据与传感器配接

47、电路的不同，具有热电偶、热电阻和毫伏输入三根据与传感器配接电路的不同，具有热电偶、热电阻和毫伏输入三种形式。种形式。2021-9-2463模数和数模转换模数和数模转换2021-9-2464模数和数模转换模数和数模转换将模拟量转换为数字量的过程称为模将模拟量转换为数字量的过程称为模/数数(Analog to Digital)转换，转换，简称简称A/D转换。转换。实现实现A/D转换的电路称为模转换的电路称为模/数转换器数转换器(Analog to Digital Converter)，简称，简称ADC。把数字量转换为模拟量的过程称为数把数字量转换为模拟量的过程称为数/模模(Digital to A

48、nalog)转换，转换，简称简称D/A转换。转换。完成完成D/A转换的电路称为数转换的电路称为数/模转换器模转换器(Digital to Analog Converter) ，简称，简称DAC。2021-9-2465模数和数模转换模数和数模转换ADC基本工作原理基本工作原理A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、采样、保持、量化和编码保持、量化和编码四个步骤完成。四个步骤完成。2021-9-2466模数和数模转换模数和数模转换ADC基本工作原理基本工作原理将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时将时间上连续变化的信号，转

49、换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。度取决于输入模拟量。采样 2021-9-2467模数和数模转换模数和数模转换ADC基本工作原理基本工作原理模拟信号经过采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度模拟信号经过采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 一一般是很短暂，在下一个脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值般是很短暂，在下一个脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路。脉冲幅度，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路。

50、保持 2021-9-2468模数和数模转换模数和数模转换ADC基本工作原理基本工作原理量化输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。该阶梯波仍输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。是一个可以连续取值的模拟量。量化：设数字量的位数为量化：设数字量的位数为n，将满量程（，将满量程（FSR）电压值（由参考）电压值（由参考电压电压VR设定的）分为设定的）分为2n等分，然后将采样所得的模拟量与这些等分，然后将采样所得的模拟量与这些分层进行比较，落在哪个分层内，便量化为相应的数字量分层进行比较，落在哪个分层内，便量化为相应的数字量而而n位数字量只能表示位数

51、字量只能表示2n个数值，因此，用数字量来表示连续个数值，因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。量化单位量化单位q：每个分层所包含的最大值和最小值之差：每个分层所包含的最大值和最小值之差假设：参考电压假设：参考电压5V，8位数字量位数字量 q=电压量程范围电压量程范围/2n=5.0V/2560.019V=19mV2021-9-2469模数和数模转换模数和数模转换ADC基本工作原理基本工作原理编码 用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码编码。l 自然二进制编码自然二进制编

52、码l 双极性二进制编码双极性二进制编码2021-9-2470t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t76543210幅度幅度模数和数模转换模数和数模转换ADC基本工作原理基本工作原理采样，量化，编码 采样采样 3.7 5.7 6.5 6.6 5.2 3.2 1.7 1.1量化量化 3 5 6 6 5 3 1 1编码编码 011 101 110 110 101 011 001 0012021-9-2471分辨 率 表 示 输 出 数 字 量 变 化 一 个 最 低 有 效 位 （分辨 率 表 示 输 出 数 字 量 变 化 一 个 最 低 有 效 位 （ Least Significa

53、nt BitLSB）所对应的输入模拟电压的变化量。）所对应的输入模拟电压的变化量。 分辨率FSR=2nVn 为数字量的二进制位数 模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能例如，例如，A/D转化器的输出为转化器的输出为12位二进制数，最大输入模拟电压为位二进制数，最大输入模拟电压为10V，则其分辨率为：，则其分辨率为：mVVV44. 2409610102112分辨率满量程电压 量化单位量化单位q就是就是ADC的分辨率，一般用位数的分辨率，一般用位数n来间接表示分辨率。来间接表示分辨率。分辨率分辨率2021-9-2472模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能相对分辨率相对分辨

54、率%100FSRV分辨率相对分辨率AD转换器分辨率与位数之间的关系转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为满量程电压为10V) 位位 数数 级级 数数 相对分辨率相对分辨率 （1LSB） 分辨率分辨率（1LSB） 8 10 12 14 16 256 1024 4096 16384 65536 0.391% 0.0977% 0.0244% 0.0061% 0.0015% 39.1mV 9.77mV 2.44mV 0.61mV 0.15mV2021-9-2473模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片ADC在在1s内对内对16个热

55、电偶的输个热电偶的输出电压进行转换。已知热电偶输出电压范围为出电压进行转换。已知热电偶输出电压范围为0 25mV(对应于对应于0 450 C温度范围温度范围)，需分辨的温度为，需分辨的温度为0.1 C，问应选择几位的，问应选择几位的A/D转化器？其转换时间至少要求多少？转化器？其转换时间至少要求多少？msDAADC5 .62161/13409612112450014501 . 012转换时间转换器。位故需选用的相对分辨率位相对分辨率相对分辨率相对分辨率2021-9-2474模拟量是连续的，而数字量是断续的，当模拟量是连续的，而数字量是断续的，当A/D转换器的位数固转换器的位数固定后，这种由定后

56、，这种由A/D转换器有限分辨率所造成的真实值与转换值转换器有限分辨率所造成的真实值与转换值之间的误差称为量化误差。之间的误差称为量化误差。量化带内的任意采样输入电压都是产生同一数字量。量化带内的任意采样输入电压都是产生同一数字量。量化误差：量化误差：实际模拟输入电压实际模拟输入电压 理想模拟输入电压理想模拟输入电压理想模拟输入电压定义为量化带中点对应的模拟输入电压值理想模拟输入电压定义为量化带中点对应的模拟输入电压值一般量化误差为一般量化误差为 0.5LSB。 模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能采样电压采样电压0 11 22 33 44 55 66 77 8理想电压理想电压0.

57、51.51.53.54.55.56.57.5编码编码000001010011100101110111量化误差量化误差2021-9-2475模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能相对量化误差相对量化误差%100FSRV绝对量化误差相对量化误差量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。2021-9-2476模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能转换精度转换精度转换精度是指输出数字量所对应的模拟电压的实际值与理想值转换精度是指输出数字量所对应的模拟电压的实际值与理想值之差。之差。2021-9-2477模数和

58、数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能 精度和分辨率是两个不同的概念：精度和分辨率是两个不同的概念： 精度是指转换后所得结果相对于实精度是指转换后所得结果相对于实 际值的准确度；际值的准确度； 分辨率是指转换器所能分辨的模拟分辨率是指转换器所能分辨的模拟 信号的最小变化值。信号的最小变化值。 2021-9-2478(3)转换时间：指转换时间：指A/D转换器完成一次转换器完成一次A/D转换所需时间。转换转换所需时间。转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。其倒数是转换速时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。其倒数是转换速率。率。(4)温度系数：是指温度系数：是指A/D转换器受温度影响

59、的程度。一般用环境转换器受温度影响的程度。一般用环境温度变化温度变化1所产生的相对误差来表示，单位是所产生的相对误差来表示，单位是PPM/(10-6/)。 模数和数模转换模数和数模转换ADC主要性能主要性能2021-9-2479模数和数模转换模数和数模转换逐次逼近式逐次逼近式ADC 模拟输入模拟输入Ui+ -AUREF结构结构2021-9-2480工作原理工作原理设定在设定在SAR中的数字量经中的数字量经DA转换器转换成反馈电压转换器转换成反馈电压Uf ；SAR 顺次逐位加码控制顺次逐位加码控制 Uf 的变化的变化；Uf 与等待转换的模拟量与等待转换的模拟量Ui 进行比较，大则弃，小则留，逐次

60、进行比较，大则弃，小则留，逐次逼近逼近；最终留在最终留在SAR 的数据寄存器中的数码作为数字量输出。的数据寄存器中的数码作为数字量输出。模数和数模转换模数和数模转换逐次逼近式逐次逼近式ADC 2021-9-2481工作过程工作过程设设8位逐次逼近寄存器位逐次逼近寄存器SAR，基准电压，基准电压10.24V，模拟输入电压模拟输入电压8.3VtU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲时钟脉冲12345678模数和数模转换模数和数模转换逐次逼近式逐次逼近式ADC 2021-9-2482工作过程工作过程8位逐次逼近位逐次