传感器中的电压/电流、电压/频率变换的实现

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       随着电子技术和计算机技术的迅速进步,工业自动化得到了快速发展,而在工业控制领域,检测传感器件起着越来越重要的作用,各种先进的传感器正在大量应用。 

       但是很多传感器只提供4~20mA或者0~5V的直流模拟信号输出,而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入1~5mA或者200~1000Hz的模拟信号,所以在一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用,除了考虑防爆因素外,还必须进行输出模拟信号的转换。这种输出信号的转换如果购买专用的转换设备,不仅价格高,使用也不是很方便。实际上自己设计制作一些转换电路也可以方便的实现所需性能,下面就介绍两种实用的电压/电流、电压/频率转换电路的设计和原理。

       1 电压/电流转换电路
  

       电压/电流转换即V/I转换,是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号,转换后的电流相当一个输出可调的恒流源,其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。V/I转换原理如图1。
           
  由图1可见,电路主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013及其他辅助元件构成,V0为偏置电压,Vin为输入电压即待转换电压,R 为负载电阻。其中运算放大器起比较器作用,将正相端电压输入信号与反相端电压V-进行比较,经运算放大器放大后再经三极管放大,BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上,由运放性质可知:
V-= Ie·Rw= (1+ k)Ib·Rw
(k为BG9013的放大倍数)
流经负荷R 的电流Io即BG9013的集电极电流等于k·Ib。令R1=R2,则有
V0+Vm= V+= V-= (1+k)Ib·Rw= (1+1/k)Io·Rw
其中k》1,所以Io≈ (Vo+Vin)/Rw。
 

  由上述分析可见,输出电流Io的大小在偏置电压和反馈电阻Rw为定值时,与输入电压Vin成正比,而与负载电阻R 的大小无关,说明了电路良好的恒流性能。改变V0的大小,可在Vin=0时改变Io的输出。在V0一定时改变Rw的大小,可以改变Vin与Io的比例关系。由Io≈(V0+Vi)/Rw 关系式也可以看出,当确定了Vin 和Io之间的比例关系后,即可方便地确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。例如将0~5V 电压转换成0~5mA的电流信号,可令V0=0,Rw=1kΩ,其中Vo=0相当于将其直接接地。若将0~5V电压信号转换成1~5mA电流信号,则可确定V0=1.25V,Rw=1.25kΩ。同样若将4~20mA 电流信号转换成1~5mA电流信号,只需先将4~20mA转换成电压即可按上述关系确定V0和Rw的参数大小,其他转换可依次类推。
  

  为了使输入输出获得良好的线性对应关系,要特别注意元器件的选择,如输入电阻R1、R2及反馈电阻Rw,要选用低温漂的精密电阻或精密电位器,元件要经过精确测量后再焊接,并经过仔细调试以获得最佳的性能。我们在多次实际应用中测试,上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03% ,转换精度符合要求。

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