傳感器和變送器的相關(guān)知識介紹

傳感器的概念理解

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi)

傳感器的主要作用

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現象和規律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類(lèi)五官的延長(cháng)，又稱(chēng)之為電五官。

新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開(kāi)始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。

在現代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現代化生產(chǎn)也就失去了基礎。

在基礎學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀(guān)上要觀(guān)察上千光年的茫茫宇宙，微觀(guān)上要觀(guān)察小到fm的粒子世界，縱向上要觀(guān)察長(cháng)達數十萬(wàn)年的天體演化，短到 s的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質(zhì)認識、開(kāi)拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場(chǎng)、超弱磁場(chǎng)等等。顯然，要獲取大量人類(lèi)感官無(wú)法直接獲取的信息，沒(méi)有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會(huì )導致該領(lǐng)域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅。

傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個(gè)現代化項目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。

由此可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動(dòng)社會(huì )進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì )出現一個(gè)飛躍，達到與其重要地位相稱(chēng)的新水平

變送器的概念理解

變送器(transmitter)是把傳感器的輸出信號轉變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號(或將傳感器輸入的非電量轉換成電信號同時(shí)放大以便供遠方測量和控制的信號源)的轉換器。傳感器和變送器一同構成自動(dòng)控制的監測信號源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應的變送器。變送器的種類(lèi)很多，用在工控儀表上面的變送器主要有溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、電流變送器、電壓變送器等等。

應用在工業(yè)現場(chǎng)、能輸出標準信號的傳感器稱(chēng)為變送器。這個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)與傳感器通用。在《自動(dòng)控制原理》中，變送器是把傳感器的輸出信號轉變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號的轉換器。至于有時(shí)候與傳感器通用是因為現代的多數傳感器的輸出信號已經(jīng)是通用的控制器可以接收的信號，此信號可以不經(jīng)過(guò)變送器的轉換直接為控制器所識別。所以，傳統意義上的“變送器”意義應該是：“把傳感器的輸出信號轉換為可以被控制器或者測量?jì)x表所接受標準信號的儀器”。在自控中：信號源-->傳感器-->變送器-->運算器控制器-->執行機構-->控制輸出。

變送器種類(lèi)很多，總體來(lái)說(shuō)就是由變送器發(fā)出一種信號來(lái)給二次儀表使二次儀表顯示測量數據。

將物理測量信號或普通電信號轉換為標準電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設備。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。

變送器的保護功能

1、輸入過(guò)載保護;

2、輸出過(guò)流限制保護;

3、輸出電流長(cháng)時(shí)間短路保護;

4、兩線(xiàn)制端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流TVS抑制保護;

5、工作電源過(guò)壓極限保護≤35V;

6、工作電源反接保護。

變送器的原理

變送器是中文名字，英文是：TRANSMITTER。顧名思義，變送器含有“變”和“送”之意。

所謂“變”，是指將各種從傳感器來(lái)的物理量，轉變?yōu)橐环N電信號。比如：利用熱電偶，將溫度轉變?yōu)殡妱?利用電流互感器，將大電流轉換為小電流。由于電信號最容易處理，所以，現代變送器，均將各種物理信號，轉變成電信號。因此，我們說(shuō)的變送器，通常都變成了“電”。

所謂“送”，是指將各種已變成的電信號，為了便于其他儀表或控制裝置接收和傳送，又一次通過(guò)電子線(xiàn)路，將傳感器來(lái)的電信號，統一化(比如4-20MA)。方法是通過(guò)多個(gè)運算放大器來(lái)實(shí)現。這種“變”+“送”，就組成了現代最常用的變送器。

比如：SST3-AD 就是一種將電流互感器的輸出電流，轉變成標準的4-20mA的電流變送器;再比如：SST4-LD，可以將重量傳感器來(lái)的重量信號，轉變成標準的4-20MA的重量變送器。

變送器的常見(jiàn)故障

1、安裝時(shí)應使變送器的壓力敏感件軸向垂直于重力方向，如果安裝條件限制，則應安裝固定后調整變送器零位到標準值。

2、殘存的壓力釋放不出，因此傳感器零位又下不來(lái)。排除此原因的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，如果正常更換密封圈再試。

3、加壓變送器輸出不變化，再加壓變送器輸出突然變化，泄壓變送器零位回不去。 產(chǎn)生此現象的原因極有可能是壓力傳感器密封圈引起的。

4、是否符合供電要求;電源與變送器及負載設備之間有無(wú)接線(xiàn)錯誤。如果變送器接線(xiàn)端子上無(wú)電壓或極性接反均可造成變送器無(wú)電壓信號輸出。

5、壓力傳感器及變送器的外殼一般需接地，信號電纜線(xiàn)不得與動(dòng)力電纜混合鋪設，傳感器及變送器周?chē)鷳苊庥袕婋姶鸥蓴_。傳感器及變送器在使用中應按行業(yè)規定進(jìn)行周期檢定。

6、用戶(hù)在選擇壓力傳感器及變送器時(shí)，應充分了解壓力測量系統的工況，根據需要合理選擇，使系統工作在最佳狀態(tài)，并可降低工程造價(jià)。

7、通過(guò)隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器。

8、壓力變送器要求每周檢查一次，每個(gè)月檢驗一次，主要是清除儀器內的灰塵，對電器元件認真檢查，對輸出的電流值要經(jīng)常校對，壓力變送器內部是弱電，一定要同外界強電隔開(kāi)。

信號傳輸及供電的線(xiàn)制分類(lèi)

二線(xiàn)制：在熱電阻的兩端各連接一根導線(xiàn)來(lái)引出電阻信號的方式叫二線(xiàn)制：這種引線(xiàn)方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導線(xiàn)必然存在引線(xiàn)電阻r，r大小與導線(xiàn)的材質(zhì)和長(cháng)度的因素有關(guān)，因此這種引線(xiàn)方式只適用于測量精度較低的場(chǎng)合;

三線(xiàn)制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線(xiàn)，另一端連接兩根引線(xiàn)的方式稱(chēng)為三線(xiàn)制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線(xiàn)電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的最常用的;

四線(xiàn)制：在熱電阻的根部?jì)啥烁鬟B接兩根導線(xiàn)的方式稱(chēng)為四線(xiàn)制，其中兩根引線(xiàn)為熱電阻提供恒定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過(guò)另兩根引線(xiàn)把U引至二次儀表?？梢?jiàn)這種引線(xiàn)方式可完全消除引線(xiàn)的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。

熱電阻采用三線(xiàn)制接法。采用三線(xiàn)制是為了消除連接導線(xiàn)電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導線(xiàn)(從熱電阻到中控室)也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線(xiàn)制，將導線(xiàn)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與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導線(xiàn)線(xiàn)路電阻帶來(lái)的測量誤差。

兩線(xiàn)制介紹及其優(yōu)點(diǎn)

兩線(xiàn)制是指現場(chǎng)變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導線(xiàn)，這兩根線(xiàn)既是電源線(xiàn)，又是信號線(xiàn)。兩線(xiàn)制與三線(xiàn)制(一根正電源線(xiàn)，兩根信號線(xiàn)，其中一根共GND) 和四線(xiàn)制(兩根正負電源線(xiàn)，兩根信號線(xiàn)，其中一根共GND)相比，測量精度較低。熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過(guò)引線(xiàn)傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現場(chǎng)，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線(xiàn)對測量結果會(huì )有較大的影響。

兩線(xiàn)制優(yōu)點(diǎn)：

1、不易受寄生熱電偶和沿電線(xiàn)電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細的導線(xiàn);可節省大量電纜線(xiàn)和安裝費用;

2、在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)耦合感應到導線(xiàn)環(huán)路內的電壓，不會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)影響，因為干擾源引起的電流極小，一般利用雙絞線(xiàn)就能降低干擾;三線(xiàn)制與四線(xiàn)制必須用屏蔽線(xiàn)，屏蔽線(xiàn)的屏蔽層要妥善接地。

3、電容性干擾會(huì )導致接收器電阻有關(guān)誤差，對于4～20mA兩線(xiàn)制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω(取樣Uout=1～5V)這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著(zhù)誤差，因此，可以允許的電線(xiàn)長(cháng)度比電壓遙測系統更長(cháng)更遠;

4、各個(gè)單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線(xiàn)長(cháng)度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線(xiàn)長(cháng)度的不等而造成精度的差異，實(shí)現分散采集，分散式采集的好處就是：分散采集，集中控制....

5、將4mA用于零電平，使判斷開(kāi)路與短路或傳感器損壞(0mA狀態(tài))十分方便。

6、在兩線(xiàn)輸出口非常容易增設一兩只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。

四線(xiàn)制、三線(xiàn)制和兩線(xiàn)制以及電壓傳輸的擴展理解

三線(xiàn)制和四線(xiàn)制變送器均不具上述優(yōu)點(diǎn)即將被兩線(xiàn)制變送器所取代，從國外的行業(yè)動(dòng)態(tài)及變送器芯片供求量即可略知一斑，電流變送器在使用時(shí)要安裝在現場(chǎng)設備的動(dòng)力線(xiàn)上，而以單片機為核心的監測系統則位于較遠離設備現場(chǎng)的監控室里，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠。設備現場(chǎng)的環(huán)境較為惡劣，強電信號會(huì )產(chǎn)生各種電磁干擾，雷電感應會(huì )產(chǎn)生強浪涌脈沖，在這種情況下，單片機應用系統中遇到的一個(gè)棘手問(wèn)題就是如何在惡劣環(huán)境下遠距離可靠地傳送微小信號。

兩線(xiàn)制電流變送器的輸出為4～20mA，通過(guò)250Ω的精密電阻轉換成1～5V或2-10V的模擬電壓信號.轉換成數字信號有多種方法，如果系統是在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現場(chǎng)長(cháng)期使用，因此需考慮硬件系統工作的安全性和可靠性。系統的輸入模塊采用壓頻轉換器件LM231將模擬電壓信號轉換成頻率信號，用光電耦合器件TL117進(jìn)行模擬量與數字量的隔離。

同時(shí)模擬信號處理電路與數字信號處理電路分別使用兩組獨立的電源，模擬地與數字地相互分開(kāi)，這樣可提高系統工作的安全性。利用壓頻轉換器件LM231也有一定的抗高頻干擾的作用。

在單片機控制的許多應用場(chǎng)合，都要使用變送器來(lái)將單片機不能直接測量的信號轉換成單片機可以處理的電模擬信號，如電流變送器、壓力變送器、溫度變送器、流量變送器等。

早期的變送器大多為電壓輸出型，即將測量信號轉換為0-5V電壓輸出，這是運放直接輸出，信號功率0.05W，通過(guò)模擬/數字轉換電路轉換數字信號供單片機讀取、控制。但在信號需要遠距離傳輸或使用環(huán)境中電網(wǎng)干擾較大的場(chǎng)合，電壓輸出型傳感器的使用受到了極大限制，暴露了抗干擾能力較差，線(xiàn)路損耗破壞了精度等等等缺點(diǎn)，而兩線(xiàn)制電流輸出型變送器以其具有極高的抗干擾能力得到了廣泛應用。

電壓輸出型變送器抗干擾能力極差，線(xiàn)路損耗的破壞，談不上精度有多高，有時(shí)輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機產(chǎn)生誤判斷，控制出現錯誤，嚴重時(shí)還會(huì )損壞設備，輸出0-5V絕對不能遠傳，遠傳后線(xiàn)路壓降大，精確度大打折扣，很多的ADC,PLC,DCS的輸入信號端口都作成兩線(xiàn)制電流輸出型變送器4-20mA的，證明了電壓輸出型變送器被淘汰的必然趨勢。