感知世界的模拟量信号

2019-12-16 09:27:06 栏目:kepware动态 TAG标签: 查看()

在电工,电子领域,我们经常会遇到各种模拟量信号如电压,电流,在大自然中更是有多种模拟量信号,如温度,风速,压力,湿度,酸碱度,那么如何定义模拟量信号呢?在模拟电子技术中:是指用连续变化的物理量所表达的信息

那么生活中我们又如何衡量这些模拟量信号呢?如温度多少?压力多大?风速是多少?对于很多学习过模拟电子技术的同学,这个问题并不难理解。只需要A/D电路就可以实现信号的转化。

模拟量介绍:

模拟信号转换为数字信号需要经过采样、保持、量化与编码四个基本步骤。前两步由采样保持电路完成,后两步由A/D转换电路完成。

采样是对连续信号在时间上进行离散,即按照特定的时间间隔在原始的模拟信号上逐点采集瞬时值。采集到其瞬时值后要在原位置保持一段时间,这样形成的锯齿型波信号提供给后续信号量化。

对采集得到的离散信号进行量化是将特定幅度的信号转化为模数转换器的最小单位的整数倍,这个最小单位也被称为模数转换器的量化单位。每个采样值代表一次采样所获得模拟信号的瞬时幅度。通常量化单位都是2的倍数,量化位数越多,量化误差就越小,量化得到的结果就越好。

对量化后的离散信号进行编码是模拟信号转换为数字信号的最后环节,常见的采用并行比较A/D转换电路,逐次逼近式A/D转换电路,双积分式A/D转换电路实现,通过借助一定的电路,可以将量化后的离散信号转换为对应的数字信号。

最常见的模拟量是12位,精度为2~12,当然也有高精度的如16位的。

模拟量的优点:

模拟信号的主要优点是其精确的分辨率,与数字信号相比,模拟信号的信息密度更高。它的信号波形随着信息的变化而变化,其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值),由于不存在量化误差,它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。

模拟信号的另一个优点是,模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件(例如运算放大器等)实现。

模拟量的缺点:

抗干扰能力差,信号在沿线路的传输过程中会受到外界的通信系统内部的各种噪声干扰,噪声和信号混合后难以分开,从而使得通信质量下降。线路越长,噪声的积累也就越多。例如翻录录音带、录像带,每翻录一次,声音、图像质量就差一次,原因就在于此。

可以使用接地屏蔽、线路良好接触、使用同轴电缆或屏蔽双绞线,甚至是光纤,可以在一定程度上缓解这些负面效应。

模拟信号的保密性也差,尤其是微波通信和有线通信,容易被窃听。只要收到模拟信号,就很容易得到通信的内容。

模拟信号的数字化实现:

在现实的工业现场,人们常使用各种传感器,变送器实现模拟量信号的采集转换等功能。在工业现场常见的这类仪器仪表都有什么呢?

压力变送器:是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备,常见的是电动信号的,它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如4~20mA电流信号,0-5V/0-10V电压信号),以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

压力变送器

温度变送器:采用热电偶、热电阻作为测温元件,从测温元件输出信号送到变送器模块,经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后,转换成与温度成线性关系的4~20mA电流信号0-5V/0-10V电压信号。


温度变送器

液位变送器:是对压力变送器技术的延伸和发展,根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理,实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。当然液位测量的方式很多,还有雷达液位计,超声波液位计,磁翻板液位计,磁致伸缩液位计等等。这里不再累述,有需要了解的可以留言。

差压式液位变送器

可燃气体浓度变送器:可燃气体检测仪是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体检测仪有催化型、红外光学型两种类型。催化型可燃气体检测仪是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。


工业用可燃气体检测

民用燃气泄漏检测仪

颜色传感器:颜色传感器是一种传感装置,是将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的装置。当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时,输出检测结果。

图像传感器:图像传感器是利用光电器件的光电转换功能。将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管,光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比,图像传感器是将其受光面上的光像,分成许多小单元,将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比,固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。常用的有两种:CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件,CMOS则应用于较低影像品质的产品中,它的优点是制造成本较CCD更低,功耗也低得多。



以上介绍的只是各种传感器/变送器中冰山一角,还有很多如湿度,风速,重量,密度,流量,声音等没有介绍。

那么这些变送器/传感器将模拟信号采集后,人们如何获取到可以人类识别的信号呢。大部分这类设备带有显示单元,可以通过数字显示具体的数据,如压力变送器可以显示具体的压力值是多少kPa,温度变送器显示多少摄氏度,液位变送器显示多少厘米/米高度等。

而在工业现场人们需要实时监控这些数值的变化,以控制其他设备的运行或者报警,防止意外的发生。目前大部分设备处于经济性考虑,大部分都是提供模拟量信号输出,我们可以通过其他二次数显仪表,PLC(可编程控制器),DCS等进行数据的采集与显示。

数显仪表

PLC

DCS系统

监控画面

通常这些仪表输出的电流或者电压信号,工业现场常用标准是4~20mA电流信号和0-5V/0-10V电压信号。因大部分信号需要远传,所以4~20mA是我们常用的信号类型。而0-5V/0-10V电压信号主要作为接收。

而对于电流信号/电压信号,在接线方式上还分为二线制,三线制,四线制,不同接线方式具有不同的作用。