强的处理能力，但对非电量和模拟信号是无能为力的。如果没有各种精确可靠的传感器去检测非电量和模拟信号并提供真实的信息，那么计算机也无法发挥其应有的作用。传感器把非电量转换为电量，经过放大处理后，转换为数字量输入计算机，由计算机对信号进行分析处理。因而传感器技术与计算机技术的结合，对自动化和信息化起着举足轻重的作用。
(1) 提高劳动生产率 采用带有微机的仪器、仪表进行自动化检测与控制，可以提高劳动生产率。
(2) 提高产品质量 采用各种传感器和微处理技术可以对各种工业参数及工业产品进行测控及检验，准确测量产品性能，及时发现隐患。为提高产品质量、改进产品性能，防止事故发生等提供必要的信息和更可靠的数据。由于系统的工作环境比较恶劣，且对测量要求比较高，所以本系统关键问题之一是温度传感器的确定。
目前国际上新型传感器正从模拟式向数字式，由集成化向智能化、网络化的方向发展。但是智能温度传感器的测温范围达不到工业现场的要求，表3-1给出几种类型的温度传感器。电阻温度传感器(RTD)虽然精确，但要求激励电流，通常用于电桥电路中；热敏电阻最灵敏，但非线性也最显著。现代半导体温度传感器在大约–55℃～+150℃的工作范围内具有良好的高精度和优良的线性。内部放大器可以将输出定标到方便的值。比如美国DALLAS公司最新推出的DS 18B20，内部包含温度传感器，A/D转换器、信号处理器、存储器和接口电路等，但其测温范围为–55℃～+125℃，无法满足系统要求。
热电偶是一种小型、牢固、相当便宜且能工作在极宽温度范围的接触型温度传感器，特别适合于在恶劣环境中测量极高的温度。其结构简单，主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；具有较高的准确度；测量范围宽：常用的热电偶，低温可测–50℃，高温可测到+1600℃左右，配用特殊材料的热电偶，最低可测–180℃，
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最高可测到+2800℃的温度；具有良好的敏感度；使用方便；能产生电动势，不用电源。与许多其他的传感器相比，热电偶的线性更好，而且其非线性己得到精确确定。尽管它们只能产生毫伏级输出，需要进行精确放大供进一步的处理，还要求采用冷端补偿技术，但是现在已有完整的将仪表放大器和热电偶冷端补偿器集成在一起的单一芯片，故热电偶的不足之处已得到良好的解决。考虑到热电偶的以上特性，本系统的传感器采用热电偶。表3-2列出了几种常用的热电偶。最常用的金属有铁、铝、佬、锌、镍铝合金、镍铬合金和康铜(铜镍合金)。尽管热电偶的热电势与温度关系为非线性关系，但K型热电偶在各类热电偶中是线性最好的一种[3]。考虑K型热电偶线性度好，它的热电势较大，精度较高，价格便宜，抗氧化性也较好，可在900℃以下的烘炉内长期使用，在工业环境应用较多，我们采用检测范围为0~600℃的K型热电偶。上海南浦东仪表厂生产的WRNM系列K型表面热电偶，可以与工件表面直接接触。还可以根据不同工件的要求，定做不同形状的热电偶探头，可以满足不同使用者的需求。
表3-1 温度传感器的类型
热电偶 测温范围：-184℃～2300℃；高精度和高重复性；需要冷端补偿；低压输出 RTD 测温范围：-200℃～185℃；线性良好；需要激励；低成本 热敏电阻 测温范围：0℃～100℃；线性差；需要激励；高灵敏度 半导体温度传感器 测温范围：-55℃～150℃；线性：1℃，精度：1℃；需要激励；10mV/K或20mV/K或1uV/K的典型输出
表3-2常用热电偶及其主要特征
热电偶材料 典型使用范围 （℃） 标称灵敏度 （uV/℃） 美国国家标准学会（ANSI）规定的符号 12
铂（6﹪）/ 铑-铂（30﹪）/ 铑 38～1800 7.7 B 钨（5﹪）/ 铼-钨（26﹪）/ 铼 0～2300 16 C 克露美尔-康铜 0～982 76 E 铁-康铜 0～760 55 J 克露美尔-阿留迈 -184～1260 39 K 铂（13﹪）/ 铑-铂 0～1593 11.7 R 铂（10﹪）/ 铑-铂 0～1538 10.4 S 铜-康铜 -184～400 45 T 为了更好理解热电偶的使用，下面简略介绍一下热电偶的工作原理。热电偶是利用热效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体A和B组成闭合回路时，若两端结点温度不同(分别为T0和T)，则回路中产生电流，相应的电势称为热电势，这种热电偶，其结构图如图3-1所示。热电势是由接触电势和温差电势两部分组成，其大小和两端点温差有关，还和材料性质有关。实验和理论都表明，在A, B间接入第三种材料C，只要结点2，3温度相同，则和2, 3直接联接时的热电势一样。这一点很重要，它 接多路转换开关 为热电偶测量时接测量引线带来方便。这种由
两种不同导体组成的热电偶的热电势一般情况 接AD574的+IN脚 下和两端点温度T0和T都有关。使T0为给定 2 的恒定温度，如取为0℃，则热电势仅为T一 端(称为测量端)温度T的单值函数。显然利用 热电偶的这一特性可做成测温计用于测温，但 要求材料的热性能要稳定，电阻系数小，导电
1 T T0 3
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率高，热电效应强、复制性好[4]。 图3-1 热电偶结构图 3.4 信号采集及处理电路的设计
信号处理及放大电路主要由多路开关、传感器信号调理电路(包括热电偶冷端补偿、线性化电路)、放大电路组成。其任务主要是实现对不同通道的选通，将定时采集的热电偶毫伏级的输出信号调理放大后，输出A/D转换器要求的输入电压范围。其结构如图3-2所示。
热电偶1 多 路 转 换 开 关 信号处理电路
热电偶2 放大电路
热电偶3
热电偶4
(1)多路开关
在数据采集系统、巡检装置、智能仪器及程控设备中，都离不开模拟开关。由于在数据采集系统中，多数时候需要同时采样若干个传感器的数据，这就需要用到多路转换开关，轮流把传感器采集的数据送到A/D转换器。多路开关有两种基本用法：①当信号从多路模拟开关的公共端输出时，可作为多信号传输器，实现从多线到一线的功能；②当信号从多路模拟开关的公共端输入时，又变成信号器，实现从一线到多线的传输功能。本系统中采用了多路
图3-2 信号采集及处理模块结构图
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模拟开关的用法一，用多路转换开关轮流使四个传感器中的一个与信号处理电路接通，从而把数据送到A/D转换器，即完成多到一的转换。
本系统选用CD4051作为多路开关。它的INH脚接地，A，B，C口分别接单片机P1口的P1.0，P1.1及P1.2。它是单向8通道多路模拟开关，IN0~IN7分别为八路模拟开关的输入输出端，作多路传输时为输入端，作信号分离时为输出端。I/O为输出端，分离信号时变成输入端，INH为禁止端，INH为“1”时，模拟开关均断开，输出呈高阻态。A,B, C是二进制地址码输入端，当INH =0时根据地址码选中相应的通道。例如当A=1, B=1,C=0时，地址码为011(所对应十进制数为3)，就接通第3路。VEE为负电源端，通常与USS短接，在传输交流信号时应接负电源。这种多路输入开关电平范围广，数字量为3至15伏，模拟量可达15V，二进制3-8译码器用来把选择输入端A，B，C的状态进行译码，以控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入与输出通道相连。 (2)信号采集及处理电路
由于K型热电偶(镍铬一镍铝)需要冷端补偿，我们采用美国模拟器件公司（Analog Devices Inc.，简称MI）生产的芯片AD595，其内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。它通过激光微调芯片进行预先校准，使之与K型热电偶的特性相匹配，它完整的将仪表放大器和热电偶冷端补偿集成在单一芯片上(其原理图见图3-3)，将冰点参考同预先经校准的放大器结合，直接依据热电偶信号给出高电平输出((10mV/℃)。引脚搭接选择利用固定值或远程设定值控制允许将它用作线性放大器―补偿器或用作开关输出设定值控制器。它可以用来直接放大本身的补偿电压，因而成为一个具有10mV/℃输出的独立摄氏温度传感器。在这类应用中，使集成电路芯片处于与热电偶冷端相同的温度是十分重要的，这可通过使两者紧靠在一起并与其它任何热源隔离来实现。
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