变送器的设计与实现

问题与思考： AD592是传感器还是变送器？ AD592是恒流源输出，想一想恒流源有什么特点？ 变送器的功能是什么，主要包括哪些部分？ AD592是模拟式传感器还是数字是传感器，为什么？ 为什么说AD592的信号转换电路比热电阻和热电偶温度传 感器的要简单？ 为什么我们要把AD592的信号转换成0-5V的信号？ 请给出绝对温标和摄氏温标之间的换算关系。
（4） 集成数字温度传感器 DS1820 • 供电：+3.0V~ +5.5V • 输出：9bit 数字量 • 测量精度：0.5 ℃ • 工作温度：-55 ℃ ~ +125 ℃ • 一线串行数字接口 • 零功率待机 DS1820 为单片式数字化的测温传感器，无需信号 调理电路，无需外围元件，直接输出温度的数字 量值。
2.2.3 AD592温度变送器技术标准 （1）供电12VDC （2）变送器输入温度范围：0-100摄氏度 （3）变送器输出电压范围：0-5V DC （4）精度等级：0.5级 （5）负载阻抗： >1 MΩ （6）限制条件： 0V ≤输出电压≤5V
2.3任务知识点 2.3.1什么是传感器 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感 受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息， 并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电 信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传 输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是 实现自动检测和自动控制的首要环节。
2.3.4什么是变送器 变送器的作用：将各种工艺信号（温度、压力、流量、 液位等）转换成标准信号。 例如： 将压力信号Biblioteka Baidu变为标准信号的设备叫做压力变送器； 将温度信号转变为标准信号的设备叫做温度变送器 等等。 通常情况下，在工业应用中，变送器是指传感器和信 号调理转换电路的总成。
扩散硅压力变送器
温度变送器
温度传感器
信号调理和转换电路的功能可归纳为以下三个主要方面： （1） 滤波 • 消除、抑制干扰 （2） 变换 • 电流→电压 • 电抗→电压 • 电抗→频率→电压 （3） 标准化 • 平移 使输出信号过 0 • 放大 弱电压转换为 0~5V 或 4~20mA • 整形 将频率输出转换为脉冲信号
2.3.5温度传感器有哪些种类 （1） 集成温度传感器 AD592 • 供电：+4V~ +30V • 温度系数：1uA/K • 0 ℃输出：273.2uA • 工作温度：-25 ℃ ~ +105 ℃ • 非线性误差：0.1 ℃ ~ 0.5 ℃ • 重复误差：±0.1 ℃ • 时飘：±0.1 ℃/月 AD592输出量为随温度变化的电流，抗干扰能力强，信号调 理电路容易实现。
⑵ 运算放大器电流→电压转换电路
问题与思考 9）这种转换方法有什么优点？这种电路的输入端反馈形式和输出端反馈形式各 式什么样的？
2.3.6.2.放大与平移电路设计
1. AD592 恒流补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案 （1）恒流补偿（平移）后的电流→电压特性
⑵ 平移、放大后的电流→电压特性
学习情境2： 温度变送器的设计与实现
2.1学习目标 掌握模拟信号的基本变换方法。掌握使用集成运 算放大器将uA级温度传感器信号转换为0-5V的标 准信号的设计思路和电路调试方法。 2.2工作任务 2.2.1工作任务名称 AD592温度传感器信号变送电路的设计与实现。 2.2.2工作任务背景 变送器是将传感器测得的各种工艺信号（温度、压 力、流量、液位等）转换成标准信号的设备，广 泛应用于各种工业测控系统中。
（5） 温度传感器对比选择 从几种典型的测温传感器特性对比可知： • 热电偶灵敏度低，温度与输出为非线性关系，信号 调理电路复杂，适合宽温范围测温。 • 铂电阻温度与输出非线性关系，需要电组到电压的 转换，电路复杂，适合宽温范围测温。 • DS1820 采用一线串行数字控制，操作过程复杂， 初学者不易掌握。 • AD592 输出电流与温度成线性关系，抗干扰能力 强，精度满足设计要求，响应速度快，信号调理 电路容易实现。为教学过程的首选测温传感器。
目前工业上常用的传感器有温度传感器、压力传感器、流量传 感器、物位传感器、成分传感器等。 传感器的输出信号类型 以输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号。 准数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短 周期信号的输出。 开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值 时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
（3） 热电偶温度传感器（T型） • 供电：无源 • 温度系数：非线性 • 0 ℃输出：0uV • 工作温度：-200 ℃ ~ +400 ℃ 热电偶利用 2 种金属接点的热电效应进行温度测 量，工作温度范围宽，抗冲击，相应速度快。 热电偶灵敏度低（几十 uV/ ℃ ），易受干扰。 热电偶输出电压与温度变化呈非线性关系，并且测 量中需要冷端补偿，信号调理电路构成复杂。
2.3.3为何要对传感器输出信号进行调理和转换 模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、 流量、运动、位置、PH、光强等。通常，传感器 信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器 输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此， 在变换为数字数据之前必须进行调理。调理就是 放大、缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转 换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行 数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字 器件，以便用于系统的数据处理。
• （6）AD592 特性分析 • AD592是两端集成温度传感器, 外围电路简 单。在常温测量领域中, 可取代电热调节器、 电阻式温度检测器、热电偶等传统的温度 传感器。电流温度系数为1uA／K，恒流源 输出。
1uA/℃
T=0℃ T=100℃
i1=273uA i2=373uA
i2-i1=100uA
（2） 铂电阻温度传感器 PT100 • 供电：无源 • 温度系数：近似 0.003851/ ℃ • 0 ℃输出：100Ω • 工作温度：-200 ℃ ~ +650 ℃ • 响应时间：2S ~ 30S（与结构有关） 铂金属性能非常稳定，制成的温度传感器重复性和长期稳定 性非常好，工作温度范围很宽。 铂电阻的温度—电阻关系是由一多项式确定的近似线性关系， 通常通过查分度表获得温度值。 铂电阻的阻值需要用电路变换为电压，电路复杂，为避免自 热现象工作电流不能过大。
问题与思考
1.这种电路为什么要使用双电源（±V）？
2. AD592 恒压补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案 ⑴恒压补偿（平移）后的电流→电压特性
（2）平移、同相比例放大后的电流→电压特性
问题与思考 1.这种转换方法有什么缺点？ 2.电路中的0.273V电压源如何实现？
2.3.6 AD592温度变送器的实现
本情境的根本任务是制作温度变送器，将AD592传感器的微弱电流信号， 通过转换电路输出为0-5V的信号，变送器特性如下图所示：
T=0℃
vo=0V 5V/100 ℃ = 0.05V/℃ vo=5V
T=100℃
2.3.6.1电流/电压转换电路 ⑴ 电阻取样电路
问题与思考 8）这种转换方法有什么缺点？