数字式传感器（精选10篇）
数字式传感器 篇1
0 引言
我国衡器行业的数字式称重传感器的应用发展之快使得一些独具远见的外资企业与国内企业制造商均把目光瞄向了这一极具生命力的产品上来。在本文中，对数字式智能化称重传感器的功能演变过程，从初始阶段的数字化前置转换、到第二阶段的智能化补偿与校正、再到第三阶段的称重系统的智能化应用的演变，进行了简单概括的论述。
1 数字化称重传感器
由于传统的模拟式称重传感器的电阻应变转换原理决定了其固有的输出模拟信号小、传输距离短、抗干扰能力差、安装调试不方便等缺点。因此，早在二十世纪八十年代就引起了人们对模拟式称重传感器缺点的重视，在不改变电阻应变式称重传感器称重机理的基础上，使上述缺点变为优点。为此国外一些称重传感器制造商推出了第一代“数字化称重传感器”，即把原本放在称重仪表内的放大与A/D电路，置于称重传感器罩壳内或附近的接线盒内。数字化传感器由模拟式传感器和数字变送两部分组成。
上述传感器由于输出的是数字信号，因此克服了模拟式称重传感器的信号小、传输距离短、抗干扰能力差等缺点。但是其各项传感器的性能指标都是以本身的制造、补偿、调整工艺所决定。也就是说，如果传感器本身的制造、补偿、调整工艺不过关，要靠数字变送来提高或补偿整个传感器的力学与温度指标(注意不是数字变送电路本身的温度指标)是不可能的。目前国内众多的外资企业制造商与国内企业制造商主推的产品都属于此类型，此类传感器没有突破原功能。要做到第一代“数字化称重传感器”的难点在于必须要保证所设计和选用的数字变送电路及器件不能降低整个传感器的力学与温度指标，也就是说必须使数字变送电路本身的温漂和时漂不影响传感器本身的制造、补偿、调整工艺所决定的力学与温度指标。另外，一些制造商在局部的功能上有所提高。但总体上还是属于第一代“数字化称重传感器”。
本阶段的数字化称重传感器主要特点是不改变传感器本身传统的制造、补偿、调整工艺，仅将原先在称重仪表内的A/D转换电路移至传感器内或接线盒内，实现称重数字信号的传送。
2 数字式智能化称重传感器
随着计算机软件技术的发展，人们设想传感器本身的缺陷是否可以通过软件技术来解决，也就是说由计算机软件来完成传感器的诸如零点补偿、温度补偿、线性补偿、滞后补偿、蠕变与恢复补偿等几乎全部的补偿工艺。这样可以使得传感器本身的制作工艺变得极其简单，不需要把大量的精力花在精细的制作工艺上，并且可以大大提高传感器弹性体与贴片的合格率。数字式智能化传感器由模拟式传感器、数字变送和传感器软件智能化补偿三部分组成。
该类传感器的数字变送部分包括放大、滤波、A/D转换器、微处理器、温度传感器。通过数字补偿电路和数字补偿工艺，可进行线性、滞后、蠕变等补偿;内装温度传感器，通过补偿软件可进行实时温度补偿;地址可调，便于应用与互换;远程诊断与校正。
第一，此类传感器技术的核心是软件智能化补偿，采用模糊数学、人工智能等方面的理论，用合理数据处理方法实现传感器误差的数字补偿，避免了传统称重传感器中繁琐的模拟补偿方法，具备了数字补偿智能化技术的基本要求。第二，采用神经网络自学习功能，解决了因环境温度的变化对传感器桥臂造成测量误差的影响。具体做法为：将电桥的两个输出电压信号作为标定数据，采用神经网数据融合对标定数据进行处理，从而既提高了电桥测量的环境温度适应范围，也提高了其静态特性。第三，智能传感器数据预处理方法，应用于传感器的非线性校正温度补偿、数字滤波和标度变换，可实现工业现场传感器测试数据的前端检测与处理，从而提高了自动化检测作业系统中传感器的非线性质量。
从上述的数字式智能化传感器的各种实例可以看出，总体上这一阶段的数字式智能化传感器主要体现在传感器本身的智能化补偿与校正上。
3 数字智能化称重传感器
严格意义上讲，数字智能化称重传感器的智能化功能不仅仅反映在传感器本身的智能化补偿与校正上，更重要的是要实现应用的智能化。随着数字称重传感器应用领域的不断扩展，如何把数字传感器的功能、特点发挥得更好又成为关注的焦点。真正意义上的“数字智能化称重传感器”表现在具有一种或多种敏感功能，能够完成称重信号检测和处理、逻辑判断、闭环控制、双向通讯、循环自检和自诊断、自动校正和补偿、自动计算等，具有这样的称重传感器被称为“数字智能化称重传感器”。从结构上看，可分为整体型集成化结构和分离型模块化结构两种。数字智能化称重传感器由模拟式传感器、数字变送(放大与A/D电路)、传感器软件补偿和智能化自控软件四部分组成。
最新第三阶段的数字智能化称重传感器已应用于各种智能化闭环控制多用途、智能化多分量测量与高速动态数字信号处理以及网络通讯等场合，其发展趋势包括：
(1)智能化闭环控制
智能化闭环控制主要指可应用于各种智能化闭环、高速高精度动态自补偿称重等应用场合。例如动态高速数字智能化称重传感器，除了用于标准的称重过程外，还提供分选、定量灌装的多用途控制功能。内置信号处理模块使其可用于快速、高精度的称重场合。对于外部因素引起的振动，称重传感器带有数字滤波器，可以消除这些振动引起的误差。有些内置可编程的滤波器还能允许客户根据不同的应用改变滤波参数。
(2)智能化多参量控制
智能化多参量测量是指称重传感器本身除具有检测重量信息的功能外，还能同时检测其它多参量信息。例如：电子吊秤传感器可检测加速度，完成动态加速度自动修正;汽车检测平台用称重传感器，可同时检测垂直方向的重量信息和水平方向的侧向载荷，即多分力测量。
(3)高速动态信号处理技术
工业过程控制系统中，数字技术向智能化、开放性、网络化、信息化方向发展。利用目前工业过程控制系统中最为热点的现场总线控制系统FCS中工业控制软件的数据处理方法，首先对系统中的传感器进行结构与数据处理的特性分析，提出了FCS的数据处理方法，据介绍对处理平稳传感器数据和非平稳传感器数据都具有适应性。
4 结束语
上述文章对数字式智能化称重传感器功能演变过程，从初始阶段的数字化转换、到第二阶段的传感器本身的智能化补偿、再到第三阶段的传感器扩展称重系统的应用，特别是“智能化”功能演变的论述中，可以看出数字式智能化称重传感器的功能，除了数字化或数字式的传感器性能的补偿与数字量的长距离传送功能外，更不能忽视的是扩展其应用于各种智能化闭环控制多用途、智能化多分量测量与高速动态数字信号处理乃至网络化通讯等场合。可以看出，数字式智能化称重传感器已从传统传感器的单一功能和单一检测向多功能和多参量检测，由开环数据传送向主动闭环控制和信息处理，由孤立一次仪表向系统化、集成化、网络化方向发展，这应是我国数字式称重传感器制造行业目前和今后的发展方向。
摘要：本文以研究衡器中的数字式称重传感器为核心,总结归纳了它的演变过程,分析了数字式称重传感器的最新发展趋势,进而促进此类产品在更多领域的应用。
关键词：称重传感器,数字化,数字式,智能化
参考文献
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[6]杨晓婕,周云利,成明胜.智能传感器数据预处理方法的研究[J].测控技术,2005,(3).
数字式传感器 篇2
前言
井口数字化建设是油田地面工程数字化建设最底层、范围最广、最关键的现场部分，主要完成对现场井口、站点的数据采集和控制。包括：抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井等。在数字化油田井口建设中，使用无线传感器可以减少建设周期、维护方便，适合于规模施工，全面建设数字化油田。下面以中石油青海油田为例，介绍无线传感器在油田中的应用。
1.背景介绍
中石油青海油田公司是集油气勘探、开发、研究、生产、销售为一体的大型石油公司。作业区域在素有“聚宝盆”之称的柴达木盆地。石油资源量达21.5多亿吨，天然气资源量近25000亿立方米，目前油气勘探程度较低，具有广阔的发展前景。
自2000年以以来，青海油田在部分区块已经建立了井网自动化系统，典型系统如尕斯区块、跃进区块、七个泉区块，覆盖约500多口油井。但是原有系统的覆盖面小，对于整个油田而言，仍有一半以上的井口、站点尚未实现自动化监控；另一方面，随着电子技术、通信技术的发展，在已有系统中，早期建成的部分系统采用的产品和技术已经逐渐失去了先进性，在使用维护过程中暴露出的一些问题。
2011年青海油田的数字化油田项目，完成对现场的抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井的数字化建设。最终要在2011年底建立起覆盖整个油田的、技术先进、质量可靠、便于使用维护的基于物联网的油田数据采集和监控（SCADA）系统，实现数字化油田的建设目标。
在实时监控方面，实现对油井的远程示功图、电流图、功率图采集，三相电参数采集和中控室远程启停控制；在生产管理方面，通过抽油机示功图对油井工况进行诊断分析，通过电量数据掌握油井耗电情况和采取节能措施，通过功图计产分析制定油井管理措施；在生产信息方面，在钻采院室设置数据库服务器和WEB发布服务器，实现油田生产信息在油田范围内的信息共享。
1.1数字化油田项目
既包括新建区块（对原来没有实现自动化的区块进行自动化建设），也包括老区块改造（对已有自动化的区进行改造和完善）。其中新建区块的抽油机井约1000口、螺杆泵井约100口、电潜泵井约20口，此外还包括600多口注水井；老区块改造的油水井总数约数百口。这些油水井隶属于3个采油厂12个区块。
各种井口要实现的功能如下：
2.数字化油田的总体结构设计和产品选型
井口数字化建设主要由井口控制终端(RTU)、现场检测设备、通讯链路组成的一套（SCADA）数据采集控制系统。如何选用功能完备的RTU和检测仪表、如何选用可靠的通讯方式进行井口数据通讯以及如何使数据稳定准确及时的传输到中控室，都决定了系统的稳定性、实用性和可靠性。
在2011年的新系统建设和老区块改造项目中，尽管各种油水井的功能同以前建设的已有系统类似，但是在井站系统的通信系统设计和产品、技术选型方面，却发生了本质的变化。
在产品选型方面，选用北京安控科技股份有限公司最新生产的高性能一体化无线RTU产品和无线传感器，安控产品既保留了其传统的高性能、高可靠性等特点，同时又全面支持最新的ZigBee无线技术。对于该油田已有系统的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee无线通信模块进行改造，扩充出无线通信接口。
在井站系统通信设计方面，井口仪表与井口RTU之间采用先进的ZigBee无线技术，具备大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的优点，代表了短距离无线通信技术的发展趋势，并由此带来施工简化、调试维护简单、建设周期短等优点。井口RTU与上级监控中心之间的数据通信，则采用了CDMA通信网络。
2.1井站自动化系统的总体结构
在高标准、高性能、高稳定性的原则指导下，青海油田数字化油田系统结构如下图所示，包括数据采集部分、网络通讯部分和采集驱动WEB发布三大部分
●每个井口通过无线传感器采集所需数据；
●充分利用ZigBee网络特点，一个平台井口的所有无线仪表接入到同一个无线RTU，组成Mesh网络，提高通讯可靠性；每个RTU可以带64块仪表；
●所有无线仪表和无线RTU支持手操器调试，方便现场维护；
●无线RTU采集到的无线传感器数据，通过CDMA 1X网络上传到监控中心，并在本地存储历史数据，支持数据补传功能；
●监控中心搭建油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式发布井口实时数据；
2.2产品选型
在油田井口数字化建设中，相关产品选用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制设备。这些设备均支持ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4物理层、MAC层和数据连接层上制定出的标准，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。
北京安控科技股份有限公司（简称“安控科技”），是专业从事工业级RTU产品研发、生产、销售和系统集成业务的高新技术企业，是行业领先的工业级RTU产品供应商和系统集成服务商，拥有完善的远程控制终端（RTU）产品链，拥有完善的油气田自动化和环保在线监测专用产品。
2.2.1无线电量模块
抽油机井、电潜泵井的数据采集设备，选用的是安控科技的SZ308无线电量模块，可实现三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、有功电能等电参数采集，实现抽油机启停状态采集，实现抽油机的启停控制，与SZ902N配合实现抽油机井电流图、功率图的采集。模块具备6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具备1个RS232接口、1个RS485接口，内置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天线。
SZ308无线电量模块采用先进的32位处理器，不仅能完成电参数的采集，还能实现数据处理、通讯联网等功能；强大的通讯组网能力和卓越的环境指标特性，能够适应各种恶劣工况环境。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。
2.2.2无线功图传感器
抽油机井示功图采集选用安控科技的SZ902N无线功图传感器，可自动测量抽油机井地面示功图（冲程、冲次等），实现对有杆泵示功图的采集。示功图数据以ZigBee无线通信方式，传输到井口无线RTU中。
SZ902N无线功图传感器，设备简单，只有一个与传统载荷传感器相似的终端组成；安装方便，与传统的载荷传感器安装方法相同，但是免去了有线仪表电缆敷设的施工量，安装简化快捷；运行稳定，使用电池供电，可消除外界电网干扰；安全防盗，示功仪与卡锁一起上下运动，不易被人为破坏；技术先进，可设置多个频点，避免同频干扰；方法新颖，利用加速度传感器获取位移量；绿色产品，利用太阳能充电安全环保。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。
2.2.3无线数字压力表
井口油压、套压采集选用安控科技的SZ903D无线数字压力表，实时监测油压、油套的压力和注水井注水压力。SZ903D无线数字压力表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。
2.2.4无线扭矩传感器
螺杆泵井口扭矩、负荷、转速采集选用安控科技的SZ904无线扭矩传感器，实时监测螺杆泵井口扭矩、负荷、转速。SZ904无线扭矩传感器，采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。
2.2.5无线数字温度表
井口温度采集选用安控科技的SZ905D无线数字温度表，实时监测井口油温和注水井注水温度。SZ905D无线数字温度表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。
2.2.6无线RTU
井口无线RTU选用安控科技的SZ932无线网关产品。该设备具有1个ZigBee无线接口、1个RS485接口、1个RS232接口、1个TCP/IP网络接口，因此可以广泛用于以下场合：
（1）接收SZ90X无线仪表的数据；
（2）实现有线通信和无线通信之间的转换；
（3）实现第三方产品的协议转换；
（4）作为网关设备，将有线RS232/RS485或者无线通信转换为网络数据传输；
在油田井口数字化建设中，SZ932无线RTU可以通过ZigBee接口接收井口无线仪表的数据，并通过ZigBee或其他通信方式将井口数据上传到监控室。主要支持的通信方式为
1)GPRS/CDMA DTU通信
2)无线网关通信
3)SCDMA大灵通通信
4)数传电台通信
5)有线RS485通信
2.3网络通信设计
从系统结构图可以看出，通信设计采取了ZigBee+CDMA 1X方式，达到实时数据采集、传输、远程控制等效果，并将相应数据传输至后台网络，实现后台信息共享，信息管理等应用。
2.3.1 ZigBee无线应用部分
每个丛式井场，一般有3、4口井相对比较集中,采用短距离无线技术可以节省成本同时也降低了施工强度。无线技术采用的是ZigBee的无线网络协议，ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)915MHZ(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-250m的范围内，但可以继续增加。
2.3.2 CDMA应用部分
井站是分散的，且与作业区监控中心的距离相对较远。井口采集数据要统一传送到中控室，采取了抗干扰能力强、传输距离远的CDMA作为媒介，以保证数据传输的实时性、可靠性和稳定性。
3．系统实现的功能
数据采集包括井口数据采集、作业区监控中心。
3.1井口数据采集部分
1)功图法量油
在井场，井场配套无线功图传感器SZ902N，实现油井功图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的示功图量油诊断软件，及时掌握油井产量情况和分析故障原因。
2）电流图、功率图采集
无线电量模块与无线功图传感器配合，实现油井电流图、功率图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的分析诊断软件，及时掌握油井电机运行情况和分析故障原因。
3）电参采集、油井压力、温度采集
在抽油机控制箱配套无线电量模块SZ308，监测抽油机上下行过程中三相电流和三相电压的变化情况；监视抽油机运行状态，对电机缺相、过载、空转等故障实现自动报警，并能根据控制中心命令实现启停控制。
在油井上安装无线数字压力表SZ903D，实时监测油压和套压的变化。
在油井上安装无线数字温度表SZ905D，实时监测井口出油温度的变化。
3）螺杆泵井
在螺杆泵井井口安装无线扭矩传感器，实时采集光杆的扭矩、负荷、转速。在作业区监控中心则安装专门的螺杆泵量油诊断软件，及时掌握螺杆泵井产品情况。
无线RTU SZ932提供了标准的RS485接口，能够与螺杆泵控制变频进行通讯。采集变频实时数据，了解三相电压、三相电流、电功率、功率因数和电能等参数，并据此制定节能降耗措施。
4）电潜泵井
在电潜泵井控制箱内配套无线电量模块SZ308，通过电流互感器对电泵井的三相电流进行实时监控。
5）注水井
在注水井安装无线数字压力表SZ903D，实时监测注水井压力的变化。
3.3监控中心部分
建立油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式实现流程监控、功图分析、生产曲线、报表生成、操作日志和报警等功能。有着信息完整、提高工作效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势。提高了油田油井系统运行可靠性、安全性与经济效益，减轻了调度员的负担，实现了油田调度自动化与现代化，在提高调度人员的工作效率和操作水平方面有着不可替代的作用。
4．无线传感器在油气田数字化建设中的优点、效益分析
与传统的产品选型和系统设计相比，无线传感器在油气田数字化建设和使用中均显示出了独特的优点：
4.1施工简便、低成本，节省材料和人工
油田传统的井站自动化系统的建设方式，以某油田原有的老区块为例，采用的是模拟仪表和有线通信传输。模拟仪表传输和有线通信方式，在施工安装过程中不可避免地需要敷设信号电缆、通信电缆（如RS485电缆），涉及到在井场挖沟和安装电缆护管等。人工费用和材料费用造成施工成本高。
而在无线传感器应用的系统中，这一部分的施工费用不存在了，信号传输和通信传输均简化为无线通信的调试，施工成本被降到了最低。
4.2施工快捷，建设周期短，便于后期维护
由于新系统的建设省略了在井场动土挖沟、动火电焊等施工，因此施工速度提高了数倍。
以安控科技生产的无线功图传感器的安装为例，传统的信号电缆敷设和传感器安装需要至少半小时以上，而该传感器减少了安装抽油机光杆卡子和电缆敷设的时间，因此正常的安装时间缩短到了10分钟以内。
井场内自动化设备的安装施工中，都需要对油井停机停电，而停机就意味着油井减产。因此从这个意义而言，施工速度的提高就等于是生产效益的提高。
在系统的后期维护方面，某油田老区块原有的信号和通信电缆，在修井作业中经常被重型车辆轧断和遭到人为破坏。而无线传感器则免除了这一问题。
4.3适合于规模施工，全面建设数字化油田
随着电子技术、计算机技术的进步，特别是国产设备的推陈出新，油田专用的RTU、PLC产品的采购成本已经逐渐降低；而无线技术的应用，则带来了施工费用的大大降低。
数字式传感器 篇3
Catalyst半导体公布首款温度传感器产品线新产品。新推出的CAT6095是一款采用超薄0.55mmUDFN封装的12位数字输出式温度传感器，特别适用于DDR3内存模组，此类内存被广泛应用于高速PC和笔记本电脑，环境控制系统和工业控制处理设备。相比标准的2mmx3mmx0.8mm TDFN封装，UDFN封装在体积缩小30%的基础上提供更精确的温度侦测。
CAT6095遵循JEDEC规范JC42.4规格，在 -20℃～+125℃温度区间误差为±3℃，而在+75℃～ +95℃ 这一温度区间提供了误差仅为±1℃的精度，此特性涵盖器件的整个工作电压范围（3.0V～3.6V）。CAT6095大约每秒钟测量/记录温度10次，并与存储在内部寄存器中的３个触发阈值相比较，主机可通过I2C/SMBus接口读取温度值，开漏（open-drain）结构的事件（EVENT）引脚则可以输出温度高过或低过阈值的状态信号。
除了提供节省空间的2mmx 3mmx0.55mmUDFN封装，CAT6095还提供标准的2mmx3mmx 0.8mmTDFN封装。两种封装都包含了底部金属脚垫来加强PCB板的热传导并能实现更快的温度侦测。
数字式传感器 篇4
1“数字”传感器与模拟传感器的性能比对
1.1“数字”传感器与标准模拟传感器精确性比较
为了腾出放置电子元件的空间用以输出一个数字输出信号仍需要用到以前的技术, 如柱式传感器。柱式传感器本质上是非线性 (不精确) 的, 需要通过电子补偿达到一定的精确度。先进技术的剪切梁传感器本身更精确且不需要进行电子补偿。柱式传感器有必要顺应受力方向绝对垂直的安装并维持垂直状态。这种垂直状态是为了达到并保持期望的传感器精度。剪切梁传感器易安装于汽车衡且对安装的位置无特殊要求。数字传感器与标准的模拟传感器有相同的精度认证 (NTEPclass IIIL, 10, 000div) , 所以数字传感器里附加的电子元件不能提高补偿后的精度。
1.2“数字”传感器与标准模拟传感器可靠性比较
数字传感器里的元件及焊接件大约是传统模拟传感器10倍。元器件及焊接是汽车衡在震动环境中出问题的一个主要原因。数字传感器需要一个柱式传感器为大量的电子元件提供放置的空间。一些数字传感器用多触点接线器连接传感器与输入输出电缆。经验所得, 接线器是汽车衡出问题的一个主要原因。传统模拟传感器有一条系列的、不可或缺的防水电缆线, 提供了更为可靠的保护防止湿气进入, 湿气会损坏甚至完全破坏传感器。如双剪切梁 (模拟传感器) 。
1.3“数字”传感器与标准模拟传感器适用性比较
现在还没有数字传感器的行业标准规则。每家数字传感器制造商制造的传感器都是唯一的, 与其他传感器制造商制造的数字传感器不可互换。汽车衡的维修及零部件的更换都受到传感器制造商及其授权的当地代理商的限制。限制维修的可选性对汽车衡所有者是不利的。传统模拟传感器是普通可靠的。最普遍的设计与许多其他传感器制造商都是可互换且通用的。传感器可由许多当地有资格的传感器公司维修。
1.4“数字”传感器与标准模拟传感器有效性比较
数字传感器的主要好处在于能通过电子系统把每个单独的传感器连接起来。这对标定一个称重系统或传感器是非常有用的。位于非常偏远地区的非贸易的汽车衡, 要驶入一辆标定称重卡车不可行的时候, 却能通过系统把每个单独的数字传感器的信息连接起来得到精确的标定。不能使用标准重量标定的大料罐料斗称重系统也能得利于系统把每个数字传感器的标定信息连接起来。合法贸易汽车衡仍必须用大的检定砝码标定, 标定必须在安装数字传感器以后进行。这一事实大大否定了数字传感器系统的主要好处。
1.5“数字”传感器能解决偏载误差
四角调整更加方便:数字式汽车衡能自动补偿和调整因偏载和温度温度变化而产生的影响, 改变了过去手工调节电阻, 计算机能将各传感器输出的数字信号予以编码和识别, 用软件自动调整角差, 使误差调整更加简单和准确。
1.6“数字”传感器与标准模拟传感器的抗干扰性比较
电子汽车衡/地磅主要由承载器、称重显示仪表、称重传感器 (电阻应变式) 、连接件、限位装置及接线盒等零部件组成, 及选配部分如打印机、计算机和稳压电源等外部设备。被称物或载重汽车置于承载器台面上, 在重力作用下, 通过承载器将重力传递至称重传感器, 使称重传感器弹性体产生变形, 贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡, 输出与重量数值成比例的电信号, 经线性放大器将信号放大。再经A/D转换为数字信号, 由仪表的微处理机 (CPU) 对重量信号进行处理后直接显示重量数据。配置打印机后, 即可打印记录称重数据, 如果配置计算机可将计量数据输入计算机管理系统进行综合管理。电子磅也好, 地磅也罢, 基本原理都是利用传感器 (力传感器) 将物体的重力变成电信号, 送给调理、A/D、运算电路 (MCU) , 再转成数字显示。数字传感器大部分电子元器件都安装在传感器屏蔽体内, 采用高集成化、高智能化的处理单元, 独立的A/D转换器和数字信号输出端口, 消除了因长距离传输, 电压信号低, 易受干扰的问题。
1.7“数字”传感器具有故障自诊断能力
数字式汽车衡具有先进的人机对话接口, 自诊断功能突出, 使用过程中能不断检测汽车衡的工作状况, 当检测到传感器故障时, 能及时发出错误信号, 准确判断故障点, 避免了因故障而造成的损失。
1.8“数字”传感器防雷击能力突出和能杜绝作弊现象
数字传感器内部PCB防雷击设计, 提高了系统的防雷击能力, 在作弊时不仅要安装电流回路, 还得破解数字传输密码, 而模拟的直接安装电流回路, 远程遥控就可以改变电信号。在传输过程中数字信号采用密码保护, 避免了汽车衡遭不法分子遥控, 杜绝了作弊现象的出现。
2“数字”传感器与标准模拟传感器的比较总结
可用于汽车衡的大量程数字传感器事实上是模拟应变传感器加上提供数字输出信号的电子元件。数字传感器的主要好处在于能通过系统把每个单独的传感器连接起来。这对标定大料斗料罐称重系统及位于偏远地区的非贸易汽车衡是非常有用的。附加的电子元器件及焊接件是降低使用数字传感器衡器可靠性的主要因素。数字传感器与模拟传感器一样, 能达到由称重&检测机构认可的相同的精度。
使用“数字”传感器的另一个选项。每个传感器都有内置的C2芯片 (C2电子标定专利技术) , 实现无砝码标定, 大吨位标定是个相对比较难的问题, HARDY标定只需输入参考点 (如果成为空就输零, 有料可直接输入估计值) , 一键式标定, 精度非常高, 静态精度是1/20000, 动态1/2000以上。每个传感器都安装着20英尺的6根彩色附有标记的导线电缆。称重传感器的性能特征和所有原始测试参数被储存在一个内部记忆芯片中。能指标进行软件修正和补偿。
随着科学技术的发展, 数字化与智能化将是未来称重传感器的发展方向。
参考文献
[1]周祖濂.我对数字称重传感器的认识.工业计量, 2002.
数字式传感器 篇5
关键词：数字化变电站；电子互感器
一、数字化变电站的主要技术特征
变电站一次设备和保护的连接主要从CT、PT引出的电缆，根据需要，在端子箱内重新组成对应各保护、测量等回路，二次设备引入测量量，进行A/D变换后，送入CPU处理判断。CPU处理的结果，或合闸、跳闸、闭锁（不允许其他的跳合闸起作用）通过开入开出板连接到开关端子箱。在过程总线中，保护装置的功能被组合到一次设备到一次设备，形成新的接线模式。而数字化变电站一次设备的智能化改变了传统变电站继电保护设备的结构，A/D变换没有了，代之以高速通信。开关量输出DO、输入DI移入智能化开关，保护装置发布命令，由一次设备的执行器来执行操作。相比传统的变电站，数字化变电站在一次、二次设备方面有了巨大的变化。
1.一次设备智能化
随着技术的进步，一次设备出现了智能组合电器。其主要特征是：（1）模拟量就地采样在一次设备内部，电子化TA/TV的二次侧直接进行模拟量采样，实现了模拟量到数字量的转化，转化结果通过通信接口光纤为介质传输给间隔层保护/测控等设备。替代现有的直接以二次电缆传输模拟量的方式。（2）使用智能传感器通过智能传感器获得SF6气体密度等信息并通过通信接口传出。（3）使用智能操作机构以通过通信接口接受外部命令并执行，对执行情况进行记录。替代现有的控制电缆方式。同时实现智能跳合闸。（4）实现状态信息记录能够记录开断次数、开断电路等与状态检修相关的信息，并能通过通信接口外传。方便用户及时掌握装置状况信息，实现按需检修，替代现有的计划检修。2.二次设备网络化
将传统二次设备内部的小TA/TV（电流/电压变换器）以及模数变换部分改为网络通信方式[1]，装置以通信方式直接获得由一次设备采样并传出的数字量信息。对于支持网络通信方式驱动断路器操作机构及传输间隔状态信息的一次设备，间隔层保护/测控等设备就可将现有的开出和开入插件转换为通信接口插件。这些变化将使现有二次设备向通用化、网络化方向发展。
二、电子互感器的主要技术表现
数字互感器在原理与传统的互感器完全不同，数字互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器。与传统互感器相比，数字互感器具有绝缘性能好，造价低；不含铁心，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题；低压侧不存在开路高电压危险；暂态响应范围大，测量精度高；频率响应范围宽；无易燃、易爆炸等危险；体积小、重量轻[2]。抗电磁干扰能力强等优点。光纤互感器一般以弱功率数字量输出，非常适合微机保护装置的需要。这将最佳地适应日趋广泛采用地微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。
电子式互感器包括四个不同的技术领域，即传感器技术、数据采集变送技术、高压绝缘技术和网络通信技术[3]。由于电子式简化了绝缘结构，而数据采集和网络通信可以借用现有成熟技术，这些方面已不再是研发的核心，核心技术缩小为三个方面：传感器技术、电源技术以及新增的特殊电磁防护技术。
这是基于以下考虑：①传感器技术虽经多年研发，但期望将所有优点集于一身是不现实的，一些特定传感器在具有优点的同时，总是带有一定的缺憾，各种不同传感器原理之间的相互配合互相渗透、优势互补将是一个发展趋势；一些基础器件由国外垄断、价值链留在国外、价格高出同功能互感器3～5倍、性能并不具备优势的传感器将会淡出市场。②电源技术仍作为核心技术，有两层含义：其一是作为独立式互感器，高压侧传感的无源化或自源化，正常无故障寿命周期都寄望于发展和完善自供电模式；其二是克服VFTO现象也需要隔离度更高、抗扰频谱更宽的新型电源系统，这种电源系统需要改变原有设计思路，进行技术创新。③常规的中低频、小于3千伏峰值的EMI防护组件不能适应电站特殊干扰工况，需要研发可抵御数万伏、跨越短波至微波波段的功率型集成滤波器件。
三、电子互感器发展趋势
1.新趋势1 - 结构组合化
利用电子式微功率、小型化优势，互感器更多以组件方式组合于变压器、GIS、HGIS、断路器、隔离刀等组合电器中，减少占地，降低造价，还可以通过功能复用促进一次电器本身的小型化和智能化[4]。各种传感方式，也会相互组合，优势互补，发挥整体效能。国网公司近期也提出了结构组合的指导性意见，助推电子式互感器的组合化趋势。
2.新趋势2 - 功能复用化
充分利用数据共享优势，单点配置的互感器，可供多点共享，这一优势可以体现在以下几个层面：①单点测量信息的本地共享，装在一次电器上的互感器，除了通过合并器向间隔层和站控层传递信息外，可以配置本地输出端口，为一次电器本体的智能化提供服务。一些国外开关电器，依靠本机集成的ECT实现故障开断录波和数理分析统计实现状态监测、寿命预期、故障诊断等智能化功能的经验值得借鉴。互感器可提供Goose、RS485等不同类型的数字接口，供多种测控设备共享，减少互感器多点重复安装，使设备配置更加紧凑，功能集成度更高[5]。②在不增加传感器的前提下，增配不同速率的采集器和接口方式，兼顾故障行波测距、光差保护、PMU监测专用。③合并器除了实时收集ECT/EVT测量信息外，稍作扩充，即可利用既有硬件资源收集一次状态信息将原有分散的设备状态监测网络归化到统一的以太网中，达到信息全站共享。
3.新趋势3- 设计标准化
经过多年的试用实践，电子式互感器技术优势已在一些典型电站上得到验证。但在技术进步效果明显的同时，扩展应用也面临新问题，最集中的表现是在应对恶劣电磁环境上，其深层原因是无论国内、国外，从标准体系、试验方法到设计规范，尚未完全意识到电站特殊电磁干扰的严重性，至今还没有专门针对高压电站电磁干扰方面的系统试验和理论研究，导致的结果是电子式互感器的工业标准中缺少与电站实际操作等效的试验标准和评测方法。众多制造厂家简单地瞄准现行标准进行研发，即使达到最高级别，也不能完全适应现场应用条件。
互感器的四大部件应逐渐走向标准化，具有相互兼容的接口方式，以便具有通用性和互换性，可作为标准“插接”安装于各种一次电器，达到不同厂家互感器可以更替和互换，也利于产品的维修、更换、版本升级换代。
参考文献：
[1] 王涛，郑薇，潘晨等.电子互感器在智能变电站中的应用研究[J].华章，2011，（28）：328.
[2] 马伟，张晓春.数字化变电站的建设与研究[J].价值工程，2010，29（13）：164-165.
[3] 林江明.智能电网调度自动化技术研究[J].北京电力高等专科学校学报（自然科学版），2010，27（9）：1-1.
[4] 吕鹏，黄元亮，金卓昀等.光电互感器技术分析[J].软件，2010，31（10）：27-32.DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2010.10.006.
数字式传感器 篇6
霍尼韦尔日前推出的Zephyr(TM)数字式气流传感器具有其他数字式气流传感器所没有的几个竞争优势,其中包括:
-±2.5%指示误差的高准确度,达到非常精确的气流测量,对于有高准确度要求的条件苛刻的应用来说经常是非常理想的;
-客户化定制,它允许传感器按照满足最终用户的特定需求来设计;
-在非常低的流量下具有高灵敏度,使其能够检测应用环境中气流的存在与否;
-高稳定性可减小因温度影响和零漂所造成的误差,以便随着时间推移仍能提供准确读数这样经常可以免除在印刷电路板上安装后进行系统校准的需要以及随着时间推移进行系统校准的需要;
-低压降在医疗应用中一般可提高患者舒适度,减少马达和泵等部件上的噪音及系统磨损;
-线性输出能提供比基础型气流传感器的原始输出更为直观的传感器信号,这可帮助客户降低生产成本和缩短设计与实施时间。
霍尼韦尔Zephyr(TM)数字式气流传感器因采用基于“专用集成电路”(ASIC)的I2C数字式输出而能简化客户的生产要求,这种输出方式便于向微处理器或微控制器上集成,从而降低印刷电路板的复杂性和部件数量。产品尺寸小,在印刷电路板上占用空间较少,从而可将印刷电路板尺寸减小,这样可降低生产成本和在空间受限的应用中简化安装。它们可以采用3.3 Vdc的低电压进行工作,供电要求也比较低,因而可以用在由电池驱动的应用及便携式应用中。
Zephyr(TM)数字式气流传感器设计用来测量空气和其他非腐蚀性气体的质量流量。它们采用标准流量测量范围,进行了全面校准和温度补偿。它们为在指定的满量程流量范围和温度范围内读出气流值并提供一个数字式界面;它们的绝热加热器和温度感应元件可帮助传感器对空气流或其他气流做出快速响应。
潜在医疗应用包括麻醉机、医院诊断系统(光谱仪和气相色谱仪)、喷雾器、制氧机、患者监测系统(呼吸监测)、睡眠呼吸机、肺活量计、呼吸设备、以及心室辅助装置等。潜在工业应用包括空气-燃料比测定装置、分析仪器(光谱仪和气相色谱仪)、燃料电池、气体泄漏检测装置、煤气表、暖通空调(HVAC)系统过滤器、气象设备、以及暖通空调(HVAC)系统上的可变风量(VAV)系统等。
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编辑推荐:霍尼韦尔Zephyr(TM)数字式气流传感器在非常低的气流下具备高灵敏度,压降低,稳定性高,并且还能帮助降低生产和设计成本。高准确度的数字式输出、增强的可靠性和可重复的测量结果,能满足很多医疗和工业应用规范的要求。
数字式传感器 篇7
在全自动洗衣机里用到了水位传感器, 常有两种:开关式和电子式。开关式水位开关因档位少现在很少再采用, 而电子式水位开关档位多、线路少、精度较高且具有较强的防浪涌功能等优点而被广泛应用于各种实用水位采集中。本文将从电子式水位传感器的结构与工作原理、水位与频率对应关系的建立、电子式水位传感器的应用电路和水位标定程序设计四个方面, 实现基于西门子PLC的水位传感器数字标定研究。
1 电子式水位传感器结构及工作原理
如图1所示的电子式水位传感器结构, 主要由密封气室、隔膜、磁芯、电感线圈、弹簧等组成。传感器中的线圈固定不动, 当气压推动隔膜带动磁芯使其与线圈之间的相对位置发生变化, 线圈的电感量发生变化, 由此实现了水位非电量到电量的变换。此电感若与2个电容可组成三点式振荡电路, 振荡的频率将随水位的变化而变化, 故又称谐振式水位传感器[1]。
1.气腔2.导板3.线圈4.弹簧5.磁芯6.外壳7.橡胶隔膜8.橡胶软管9.洗衣桶
图1中弹簧的作用是用于调节反作用力大小, 以改变水位灵敏度范围, 即水位测量工作区间。对于批量生产的水位传感器, 弹簧弹性系数K及长度都是不变的。
图1中气筒的作用是不能忽视的, 它直接影响测量灵敏度和测量精度, 原则上水位引起的气体体积变化越大, 传感器反应越灵敏, 这样内部液面稍微变化, 就可引起传感器内部隔膜较大移动, 电感L变化大, 对水位变化敏感。
2 水位与频率对应关系的建立
无水时, 传感器隔膜两侧气室压力相等, 均为大气压, 固定在隔膜上的磁芯在弹簧作用下进入线圈最少, 对应一个电感量。
当有水, 且水位为H时隔膜内气压高于外气压, 其压差为:
式中ρ为水的密度;H为水的高度。
根据压强与压力的公式, 可知此时作用力为:
式中S为隔膜的有效面积。
此力最终由弹簧力平衡, 设弹簧被压缩Δx后两作用力达到平衡, 则:
式中K为弹性系数,
得到式 (1) :
式 (1) 中A为常数, 这是在忽略气体被压缩和隔膜移动、导气软管塑性扩展等造成气筒内水位微上升影响而得出。因为磁芯同时受到弹簧的反作用力, 磁芯位移。
电感L由下式计算
式 (2) 中N为线圈匝数;μ0为空气导磁率 (4π10-7H/m) ;μa为磁芯导磁率;R为线圈平均半径;r为磁芯有效半径;a为线圈长度。
如果用该线圈电感与电容器C1组成三点式振荡电路, 取C1=C2=C, 其谐振频率为:
把式 (1) 、式 (2) 代入式 (3) ,
令常数项
其中m、n、u都是常数[2]。
从式 (4) 中可以看出:频率与水位高度之间存在一一对应关系, 符合传感器工作特征, 但存在严重的非线性, 这对于带微处理器的智能系统不是问题。
3 硬件电路
根据西门子PLC及高速计数器接线要求, 设计电路如图3, 由三部分组成:振荡电路、分频电路和源型输出电路。对于市购电子式水位传感器, 振荡频率一般无水时24 k Hz, 水位越高频率越低, 如洗衣机最深水位0.35 m时约20 k Hz。西门子PLC-CPU224主模块内有6个高速计数器HC0-HC5, 每路最高可计频率30 k Hz, 但实际发现超过频率不计数, 因此对其2分频。从式 (4) 得知, 振荡频率与R1、R2无关, 但R2阻值和电容C2决定脉宽宽度, 当取R2=4K7, C2=43 n F时, 脉冲占空比约50%。
4 水位标定程序设计
PLC读取水位的方法大致是:单位时间内计到的脉冲数。为了定时准确, 定时必须用中断。定时1 s, 1 s内所计脉冲数, 就是频率。
(1) S7-200PLC的中断源有多个, 如CPU224有30个。要用PLC的中断系统, 一般要用到以下指令:全局中断允许指令 (ENI) 、全局中断禁止指令 (DISI) 、中断条件返回指令 (CRETI) 、中断连接指令 (ATCH) 、中断分离指令 (DTCH) 。
现采用10号中断源“定时中断0”, 关联到INT 0。但定时中断0最大定时只有255 ms, 若设定为250 ms, 要连续中断4次才是1 s。在PLC运行首次扫描时设置好定时初值和开中断等, 其设置子程序名SBR0。
(2) 使用高速计数器
高速计数器使用步骤:定义高速计数器和操作模式、设置控制字节、设置初始值、指定并使能中断子程序、激活高速计数器。
CPU224有HSC0~HSC5高速计数器, 每个计数器可能有0~11共12种工作模式, 不同工作模式会占用固定的PLC输入端子, 每个计数器都有相应特殊辅助位、特殊字/字节管理控制, 具体可查看资料。
本系统采用HSC5, 设置为工作模式0 (“带内部方向控制和内部计数清零的单相计数器”) , 占用I0.4输入点。同样, 要在PLC运行首次扫描时配置好HSC5, 其配置HSC5子程序名SBR1。
(3) 中断服务程序INT 0
250 ms定时到扫描系统会进一次INT 0中断服务程序, 进来首先VB10存储值加1, 然后判断VB10是否等于4, 小于4则直接中断返回;等于4则停止HCS5计数并做数据处理。整个程序清单如图4。
“水位-频率”的标定, 用STEP 7 Micro WIN SP3 (V4.0) 编程软件“调试”下“在线程序状态监视”功能:加一定深度的水, 直接读出HSC5的计数值。现以洗衣机为实例分8档水位对水位传感器频率进行标定, 如表1所示。
*测定频率为2分频后的数据。
在使用西门子S2-700PLC时, 型号为CPU XXX CN, 尾标有CN, 只能使用V4.0 STEP 7 Mi cro WIN SP3编程, 不能用SP4及以上版本[3]。若用SP4, 可读取PLC信息等, 但就是不能编程, 即使简单的一条语句都报错。
5 结语
上面介绍的方法和程序, 已在实验室测试, 并把数据成功应用于某企业员工公寓基于单片机监控的公共太阳能热水器水位检测中, 系统数据稳定可靠。这种两线式水位传感器因电路简单, 且无需放大及A/D转换, 减少了不稳定因素, 非常适合供水水塔、汽车水箱甚至河流水位等智能控制系统的水位监测。
参考文献
[1]扈刚, 王延峰.谐振式水位传感器[J].传感器技术, 2002, 21 (5) :22-23, 26.
[2]张万忠.可编程控制器入门与应用实例:西门子S7-200系列[M].北京:中国电力出版社, 2004.
数字式传感器 篇8
随着科学技术的不断进步与发展,自动化程度不断提高,温度传感器的种类日益繁多,应用也越来越广泛。近年来,开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发展。
传统的模拟温度传感器与微处理器接口时,需要信号调理电路和A/D转换器,而数字温度传感器的输出信号为数字信号,更适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统,被广泛应用于工业控制、家用电器、汽车、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中,比较有代表性的数字温度传感器有D S 1 6 3 1、D S 1 7 3 1、DS1722、MAX6635等。本文主要介绍了数字温度传感器DS1731内部结构、基本特性、引脚功能和典型应用电路,并简单设计了传感器DS1722和单片机89C51构成的温度测量系统。
2 内部结构与引脚功能
2.1 内部结构
数字温度传感器DS1731的内部结构如图1所示,主要包括温度传感器、9-12位/Δ-Σ式A/D转换器、温度寄存器、TH寄存器、TL寄存器、配置寄存器与控制逻辑、数字比较器与逻辑、地址与I/O控制等。
2.2 引脚功能
数字温度传感器的引脚图如图2所示,功能如下:
SDA:数据输入/输出
SCL:串行时钟输入
A0、A1、A2:地址输入
T:定温器跳闸点输出
VDD:工作电源输入端(+2.7V～5.5V)
GND:接地端
3 工作原理
3.1 配置寄存器
该寄存器为8位寄存器,其格式为:
DONE:转换标志。DONE=1为转换结束;DONE=0为正在转换。
THF:温度高标志。THF=0表明测量的温度没有超过TH寄存器的值;THF=1表明测量的温度已经高于TH寄存器的值。
TLF:温度高标志。TLF=0表明测量的温度没有超过TL寄存器的值;TLF=1表明测量的温度已经低于TL寄存器的值。
NVB:NV存储器忙/闲标志。NVB=1表明正在写EEPROM;NVB=0表明NV存储器闲。
R1、R0:温度分辨率位,如表1所示。
POL:TOUT极性。POL=1,TOUT为高;POL=0,TOUT为低。
1SHOT:转换模式标志位。1SHOT=1为启动单次转换;1SHOT=0为连续转换。
*表示储存在EEPROM。
3.2控制字
控制字如下所示。
控制字由主机发出,包括7位地址码和一位读写标志。D7～D4为1001,A2～A0是D S 1 7 3 1的地址,R/W为读写标志,R/W=1为读,R/W=0为写。
3.3命令集
DS1731的命令集内容如下:
[51H]开始转换。初始温度转换,如果1 S H O T=1,仅执行1次转换;如果1SHOT=0执行连续转换直至停止转换命令执行。
[22H]停止转换。当处于连续转换时,执行停止。
[AAH]读取温度。从温度寄存器中读取最后转换的温度值。
[A1H]读/写TH寄存器。
H[A2H]读/写TL寄存器。
[ACH]读/写配置存器。
[54H]软件上电复位。恢复上电时的寄存器状态。
3.4工作程序
供电后,DS1731内部的温度传感器检测温度,并经Δ-Σ式A/D转换器转换成9—12位二进制数字量,并将结果存于温度寄存器中。在应用中,用户可以通过程序设置分辨率寄存器来实现不同的温度分辨率,其分辨率有9位、10位、11位或12位五种,对应温度分辨率分别为1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃,温度转换结果的默认分辨率为9位。
传感器DS1731将温度转换成数字量后以二进制的补码格式存储于温度寄存器中,通过接口,温度寄存器中的数据可以被读出。输出数据的地址如表2所示,输出数据的二进制形式与十六进制形式的精确关系如表3所示。在表3中,假定DS1731配置为12位分辨率。
4应用电路
DS1731典型应用电路如图3所示,通过2线串行接口与单片机或其他器件通信。工作过程中,单片机设定温度上、下限值。
5 结束语
集成数字温度传感器DS1731利用其内部的温度传感器、A/D转换器可直接将温度信号转换成数字量输出,与单片机及外围电路可构成功能多样、性能稳定的温度测量、控制系统。相信DS1731的应用会更加广泛。
参考文献
[1]沙占友.集成传感器应用[M].北京:机械电力出版社.2005.
[2]张志良.单片机原理与控制技术[M].北京:机械工业出版社.2005.
数字式传感器 篇9
为了满足现代工、农业对温度监测和控制的要求, 温度采集器必须朝着小型、高速和高稳定性的方向发展。而传统的温度采集系统一般是基于模拟的温度传感器, 得到模拟信号处理后再经过周A/D转换得到数字信号。一方面, 模拟信号在处理和传输过程中极易受到干扰而影响温度采集的精度和稳定性;另一方面, 高精度A/D转换器价格较高而影响系统的成本, 使得整个温度采集系统的性价比降低。随着现代科学技术的飞速发展, 特别是大规模集成电路设计技术的发展, 微型化、集成化、数字化、智能化正成为温度传感器发展的一个重要方向。针对这种情况, 研究和改进多点温度的监测具有现实的意义。
2. 硬件组成
数字温度传感器可通过串行口, 也可通过其它I/O口线与微机接口, 无须经过其它变换电路, 直接输出被测温度值。因此, 利用数字温度传感器对多点温度进行测量时非常好的解决方案。本设计以AT89S52单片机为控制单元、温度传感器DS18B20为主要检测器件, 实现多路温度的测量、显示、存储和报警。本设计使用C语言进行设计开发, 采用Proteus7.4进行电路的设计并仿真, 实现:八路温度循环检测, 超限自动报警还可固定其中一路检测, 测量温度的同时, 还能记录当时的时间, 并存储到EEPROM中, 温度测量范围为-10℃～+100℃, 精度为±0.5℃。系统设计的总框图如图1所示。
3. 软件设计
系统程序主要包括主程序, 读DS18B20序列号程序, 读出温度子程序, 写温度子程序, 温度换命令子程序, 计算温度子程序, 存储子程序, 液晶显示子程序等。主程序主要是对DS18B20进行匹配, 读取温度, 显示温度, 存储信息以及报警, 系统设计主流程图见图2。
4. 结论
由于温度传感器逐渐向着数字化、智能化的方向发展, 目前基于温度探测的监控或者报警系统也产生了深刻的变化。电路设计得更简单, 也部分简化了软件的编写。另外, 无论是响应速度、系统运行周期、抗干扰能力、支持总线功能等等指标, 都大大优于传统的、基于模拟传感器的测温系统。
参考文献
[1]祁伟, 杨婷.单片机C51程序设计教程与实验[M].北京航空航天大学出版社.2006
[2]赵建领, 薛园园.51单片机开发与应用技术详解[M].电子工业出版社.2009
[3]邓智坚, 倪远平, 基于ARM7和数字温度传感器的多点温度测量系统设计[J], 中国仪器仪表, 2007年第04期
[4]张毅刚, 修林成, 胡振江.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005.
[5]蒋鸿宇, 王勇, 植涌.由DS18B20构成的多点温度测量系统[J].应用天地.2006.09
数字式传感器 篇10
传统条件下, 小学科学探究实验中相当一部分探究过程使得学生的探究需求受到限制, 如:操作技术上的障碍;探究花时间, 实验效率不高;实验数据的误差较大, 造成实验分析的错误等。可以进行科学探究实验的内容相对较少。但在科学教学中, 教师往往又需要通过探究实验再现科学发现的过程, 从而让学生体验到“猜想——验证——归纳”的科学探究过程, 这就形成了教与学需求与设备的矛盾。将数字传感器技术引入科学探究实验, 给解决这些问题带来了契机。传感器以其操作简单、实验数据精确、效率高等优势, 为提升小学科学实验的科学性, 激发学生学习科学的兴趣, 培养学生的探究能力、创新能力以及科学素养提供了良好的技术保障。结合笔者自己的课堂实践, 本文探讨在小学科学探究实验中应用传感器促进学生发展的几点做法。
二、数字传感器应用于小学科学探究实验的探索
(一) 降低实验难度, 利于学生完成对新知的自主建构
“小车下山的速度”实验传统的做法是学生分工合作: 一位学生手动放小车, 一位学生用秒表计时, 然后再对测得的数据进行分析与比较。实验的弊端主要有两个环节:一是手动放小车因为人的原因不能做到小车完全自然下滑;二是手动秒表计时, 车子下滑的信息由眼 (耳) 传到大脑, 再由大脑发出指令按下计时键, 不同学生的反应时间不同, 也易犯错, 导致数据误差大。设备的限制导致测量不准确, 可能引起学生对实验设计和初始判断的否定, 对学生探究未知形成障碍。
在以往的教学中, 解决的方案是加长斜坡, 使运动时间增加, 从而相对减小实验数据误差。但这种方法在实验室中却较难实现, 且较大的误差依然存在。以测量同一小车经过倾斜度相同的同一块粗糙木板的时间为例, 每次同一辆小车从相同位置释放, 手动测量记录数据如表1 所示:
而如果引导学生利用“光电传感器”对 “小车下山的速度”进行测量, 效果却很好:在小车经过的地方两侧架设光电传感器。小车经过时, 光就不能传过去。此时就开始计时。小车过去之后, 光又能射过去, 这就获得了时间差。再量出小车的长度, 就可以算出小车的速度。每次同一辆小车从相同位置释放, 光电传感器测量记录数据如表2 所示:
利用“光电传感器”, 这既降低了实验难度, 又提高了实验准确性, 一组组精确的实验数据, 为学生进一步的思考、计论、各抒己见提供了科学的依据, 学生获得的探究结果更真实、更准确。
(二) 拓展实验内容, 更好地满足学生的好奇心和求知欲
探究式科学教育的第一步就是“提出问题”, 教师将学生引入情境, 让他们观察和获得有关的信息, 逐步聚焦话题[1]。从学生原有的概念和实际理解出发, 由教师或在教师帮助下由学生归结出将要进行探究的问题。学生对原有概念和实际理解各异, 产生的研究需求也是多样化的, 在需求和条件之间往往会产生矛盾, 只有积极创造条件, 才能进一步拓展探究内容, 尽可能满足学生多样化的探究需求。
热水变化不仅仅只有“温度变化”这一方面, 还包括“重量变化”。在研究“热水变凉”这一内容时, 由于受制于设备的限制 (天秤的精度不够, 操作难度又非常大, 容易出错) , 在传统教学中, 通常只能让学生用温度计进行手动测量, 而刻意回避会引起学生关注“重量变化”。 但即使这样, 有时在探究过程中数据还是存在很大的出入, 如“热水变凉”温度变化测量统计表 (测量仪器:温度计, 测量间隔时间:2 分钟, 如表3)
最终虽然勉强能得出结论:热水在自然状态下由热变凉, 温度下降的规律是:均匀下降。不过从学生的表情来看, 还是不能很好地信服。这既不利于培养学生获取数据、分析数据的能力, 也不利于培养学生的科学探究精神。
但如果将重力传感器和温度传感器结合使用:将重量为250g (其中烧杯50g, 85。C热水200g) 热水放在精度为0.01g的数字电子秤上, 将温度传感器的测热棒放入热水中 ( 因传热棒的加入, 此时重量为265.58g) 。将传感器连DIS数据收集器, 接电脑USB接口。传感器测量到的重量、温度的变化将通过数字屏显示出来, 如“热水变凉”温度变化测量统计表 (测量仪器:温度传感器, 统计间隔时间:2 分钟, 如表4) 。
实验既容易操作, 数据也能很直观地读取。并能生成温度变化曲线和重量变化曲线, 学生能很轻易地分析和归纳出热水温度的变化规律及重量的变化, 直观、生动形象, 可信度也高。实验后很多学生都连呼意外:没想到温度降低的同时水的重量也发生了轻微变化。少了的0.40g水去哪了?这又引发了学生浓厚的探究欲望。
(三) 提高实验效率, 让学生有更多的时间和精力交流、反思
郁波老师曾在题为“科学探究与人是如何学习的”讲座中提到:如果仅仅让学生经历探究活动, 这还不能帮助他们学会如何学习。让学生运用批判性的眼光对自己和同伴的探究过程和结果进行监控和评价, 可以使他们不断明白自己在做什么, 以及为什么这么做[2]。这就要求教师在组织科学探究实验过程中, 既要保证亲历、体验的过程, 又要确保学生有足够的时间思考和交流。
例如, 在研究小学科学六年级上册《斜面》一课中有关斜面的省力规律的实验, 学生每个坡度做3 次实验, 取平均值。如何更快更准地得到实验数据, 节省许多宝贵的探究时间, 把更多精力集中在对探究过程的分析和研究上, 提高小学科学探究实验的效率?这是应该考虑的现实问题。而如果在实验中使用数字传感器, 就能快捷准确地得到实验数据, 节省许多宝贵的探究时间。
又如在学习 “测量呼吸和心跳”一课时, 学生进行心跳的测量实验费时费力。原因有三:一是用手摸心脏部位测量心跳, 既费时也易错;二是运动后, 学生注意力不能马上集中, 测量准确性不高;三是要测多个 “一分钟”。整个一节课时间, 被测量、纠错活动占去了大半, 探究的重心完全放在了“做”, 而学生的“想”和“交流”的时间和机会被迫减少甚至忽略。应用心率传感器, 学生就可以即时测得不同状态下的精确心率数值, 既节约学生的时间, 又排除了其他因素的干扰, 提高了数据准确性。让学生的注意力从“摸心跳”“数数”等转向对“呼吸和心跳”关系的深层分析与探究, 有更多的时间交流、分析、概括实验现象和数据, 实现“思”“做”“说”等各个环节时间的灵活分配, 提高探究实验效率。
(四) 创新实验方法, 让学生拥有更多实验的机会
当前小学科学教材上的科学实验大多是以简陋、不精确、定性为特征的, 很少有定量研究。其中主要原因是小学科学实验仪器配备标准已有多年未更新, 旧的实验器材依然是主流。传感器的引入, 不仅仅是实验工具的更新, 更重要的是它为定性实验转变为定量实验提供了现实的可能, 这必然带来实验方法的新变化。探究活动中, 定性的描述与推理减少, 以某种数值或数量间关系为证据揭示现象背后的奥秘增多。
例如研究“不同物体的反光能力”, 传统的方法靠眼睛感觉做出主观的定性描述, 在反光能力相差较大的物体之间学生凭借自己的主观判断能形成共识, 而对反光能力相差不大的物体往往容易产生分歧。如果用光线传感器, 反光能力细微的变化都会被传感器捕捉到, 通过数值反映出来, 在这个过程中, 学生需要做的不再是仔细分辨, 而是创新性地设计各种合理的实验方法, 严格控制实验中的变量, 大胆实验, 小心求证, 用证据揭示物体反光能力的强弱规律。
三、结束语
数字传感器的优势, 使科学探究实验更丰富、更规范、更科学、更有效, 更有助于学生科学素养的培养与发展, 但同时也应该认识到, 传感器的应用也有些不足:例如, 虽然使数据的获得更加直接和直观, 却弱化了学生在实验过程中的计算、作图、操作等重要能力的培养[3]。而这些明显不利于学生科学思维的培养及科学素养提高。
参考文献
[1]韦钰.探究式科学教育教学指导[M].教育科学出版社, 2005.
[2]郁波.科学探究与人是如何学习的.http://www.zjxxkx.com.