Ⅰ 绪 论 (2).doc

第六章非电量数据采集技术当今工业社会正向信息社会过渡,信息采集和信息处理是信息社会的两大支柱。随着大规模集成电路、半导体技术和信息技术的飞速发展,使得以微型计算机为中心的信息处理系统发展迅猛,在社会各领域得到普及,逐步使得各行各业实现了自动化、智能化和系统化。从近20多年化学实验测量仪器的不断变换来看,就可以感受到其发展的迅猛。人们不仅仅满足简单的信息采集,而更多的是依赖于电子计算机对信息的处理。第一节非电量数据采集系统数据采集技术是将非电量如温度、力(压力)、湿度、气体、位移等模拟量转换为数字信号,再收集到计算机并进一步处理,传送显示与记录的过程,称为“信息采集”,相应的系统即为数据采集系统(简称DAS)。数据采集技术已在非电量检测、通讯、雷达、遥测、勘探、智能仪器、工业自动控制等领城有着广泛的应用。例如工业上用计算机控制生产过程时,首先由传感器对生产过程中有关参数,如温度、压力、位移等参数进行检测,然后这些参数经转换电路变换为工业计算机所要求的电流或电压等标准模拟信号。这些模拟信号由采样-保持电路将模拟信号按一定周期,依一定次序逐个采入,并经放大器、A/D转换器变换成相应的数字量信号,再将这些数字量信号输入计算机。然后计算机按原先已经编制过程控制的程序进行计算、控制、输入、输出等,这样就可控制生产过程了。图1-6-1所示为数据采集系统方框图,主要电路由传感器电路、信号处理电路、模-数(或数-摸)转换电路以及微机系统等四部分组成。图1-6-1数据采集系统为适应实现信息社会和以智能机器作为主要生产特征的转变,有必要介绍一下信息采集和信息处理等方面的基础知识。一、传感器电路传感器是信息采集系统的首要部件,是实现现代化测量和自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的主要环节,是现代信息产业的源头,又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在传感技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传感器,没有先进的传感器技术,那么信息的准确获取就成为一句空话,信息技术和计算机技术就成了无源之水。目前,从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活等等,几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。可见,应用、研究和开发传感器和传感器技术是信息时代的必然要求。因此,毫不夸张地说:没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。所谓的传感器是指一种具有特殊变换功能的装置,这种装置能够感受、检测到某种形态的信息,并将它变换成为另一种形态的信息。具体地说传感器能感知和检测到多种物理量、化学量或生物量的信息,并能将其变换成为相应的电信号。将这些经传感器变换后输出的电信号,送到相应的信息处理系统(通常为电脑)进行处理,井将其处理结果传送到各种执行机构、伺服机构,就能实现各种复杂过程和系统的自动检测、自动控制和自动调整。因而,通常把传感器看成各种机械和电子设备的感觉器官,它能感觉到诸如光、色、温度、压力,声音、气味、湿度、长度、转角等物理量,酸碱度(pH值),百分比含量等物理、化学量,心电、心音、脑电、脉相、血液分析等生物信息。这些传感器扩大了人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉等五官的功能。而且随着传感技术的不断发展和新型传感器的研制成功,传感器功能将日趋完善,有的功能已经超过人类五官的感觉能力和范围。如现在有不少传感器己能应用于人类无法经受的恶劣条件和无法感知的微弱信息。传感器电路包括图1-6-2所示部件图1-6-2传感器的组成框图其中敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件,转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件,通常这种输出信号以电量的形式出现。而信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。有的也称这一部分电路为信号调理电路。当今传感器和传感技术能得以急速扩大应用,一个是新材料的推出,使得传感器从单一尺寸发生变化的结构型传感器开始向导体材料、高分子材料的固态型传感器演变,这样就使得有可能在小块半导体上集成包括传感器、放大器、补偿器甚至微处理器。从而向高性能化、智能化方向迈进一大步。另外微电脑日益普及和极低的售价。许多低电平,非线性严重的传感器在高性能放大器和微电脑帮助下使其测量精确度大大提高。在我们实验室可以看到,由于传感器测量精度的提高,现代电子仪器已替代诸如福廷式气压计、贝克曼、U型压力计等大量含汞测量仪表,使得实验室向无汞害的环保实验室发展。传感器种类繁多,原理及构造各异,分类方法亦多。比如按照功能分,有单功能、多功能、智能和仿生传感器;按照所用的材料,可分为半导体、陶瓷、光学和有机高分子传感器;按所检测信息种类,分为物理量传感器、化学量