【導讀】傳感器可測量各種參數，如壓力、溫度、有毒氣體pH值等，它們應用廣泛，使工業處理更安全、更高效，成本也更低。不過，各種類型的傳感器都有一組自己獨有的特性，從而帶來了一系列復雜的設計挑戰。本文分享了工業傳感器實用指南，供大家學習參考！
工業處理中最常見的測量項之一就是溫度。溫度測量可以采用各種類型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測器，以及熱敏電阻等。
要測量最大范圍的溫度時，系統設計者通常會選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測量溫度范圍達0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應，即：如果兩個相異的金屬被放在一起，則產生的電壓與結上的溫度成正比。熱電偶是雙極器件，它會根據檢測結(或“熱”結)溫度與參考結(或“冷”結)溫度的相對關系，產生一個正的或負的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個偏壓，這樣在單電源系統中都不會受限于地電勢。然后，測量冷結的溫度，就獲得了要測的溫度。熱電偶有一個缺點，與其它溫度傳感器相比，它的精度有限，通常不到±1℃。
如果系統在一個較小范圍內(例如660℃)需要更高的精度，則設計者可以用RTD來實現這種測量，它的精度可達±1℃以下。RTD是阻性元件，電阻值取決于其周邊的溫度。它們有雙線、三線和四線結構。增加線數就可以增加精度。RTD需要一種電流源形式的激勵。電流源的值通常為100μA~1mA，用于PT100(0℃時100Ω)和PT1000RTD(0℃時1000Ω)。
當精度要求提高到±0.1℃時，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時可以用熱敏電阻。與RTD類似，熱敏電阻的電阻值也是隨溫度而變化。熱敏電阻通常會接成一個電阻分壓器結構，其中另一只電阻與熱敏電阻有相同的標稱值(25℃室溫下的阻值)。熱敏電阻的一端接至電源，另一端接另一只電阻，然后接地(圖1)。探測溫度時，測的是分壓器中點的電壓。可以預計，在25℃時的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計算出熱敏電阻的阻值，并用一個查找表確定出被測的環境溫度。
總之，溫度傳感器都需要偏置(可以是電壓或電流)。對于熱電偶來說，需要做冷結補償。德州儀器公司的LMP90100是一款24位傳感器模擬前端(AFE)，它有四個差分或七個單端輸入、兩個匹配的可編程電流源，以及連續后臺校準功能(圖2)。這款集成的可配置芯片可解決各種與溫度傳感器有關的設計挑戰。
采用Wheatstone橋電路的應變計與稱重傳感器常用于測量壓力、力與重量。元件被施加任何應力或壓力后，都會產生一個電阻變化，從而在傳感器輸出端出現一個電壓差變化(圖3)。這些傳感器產生的電壓很低，通常在毫伏范圍。要獲得最精確的測量，必須將這個小電壓放大到數據轉換器的整個動態范圍內。可編程增益放大器(PGA)級可以與多個傳感器相連接，有最好的靈活性。這一級應有低噪聲、低偏移、低漂移的特性，以確保最佳的系統性能。
這些類型的傳感器還需要一種偏置電壓形式的激勵。壓力傳感器有一種常見的不正確測量法，即橋在開路或短路情況下做測量。更難以探測的是因傳感器損壞或隨時間降級所導致的量程外信號。有一種方法能發現所有這些故障模式，就是加一個診斷電路。這種電路會在Wheatstone橋的梯形電阻網絡中注入一個小電流，有時也稱為“耗盡”(burnout)電流，然后再測量所獲得的電壓。
舉例來說，如果橋的輸出為相同電勢(+V/2)，是表明測量計上沒有壓力嗎？還是因為系統中有一個故障，使輸出短路了？向其中一個差分輸出注入電流，然后測量輸出端之間的差分電壓，就可以解答這個問題。正常工作情況下，差分電壓是橋內電阻上的壓降。但是，如果確實存在著短路，則壓降很小或幾乎沒有壓降。
簡言之，Wheatstone橋傳感器需要：一個激勵電壓、一個低噪聲/偏移的PGA，以及診斷電路。LMP90100也非常適合用于這些類型的傳感器。它對傳感器做持續的后臺傳感器診斷，能夠探測出開路、短路，以及超量程的信號。它采用在轉換后再向某個通道內注入耗盡電流的方法，可以避免注入的耗盡電流干擾該通道的轉換結果。診斷電路提供了連續的非侵入性故障檢測，協助分析出故障的原因，并最大程度減少系統停機時間。
電化學元件通常廣泛用于有毒和無毒氣體的測量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測量原理是化學氧化與還原，并產生一個與被測氣體成正比的電流。大多數元件都有三個電極：工作極(WE)、計數極(CE)與參考極(RE)。WE極對目標氣體做氧化或還原，產生一個與氣體濃度成正比的電流。CE對所產生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢，以確保正確的工作區間。電化學元件會連接到一個恒電勢電路。這個恒電勢電路為CE提供電流(如有必要，也提供偏置)。它將WE維持在與RE相同電勢上，并用一個互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉換為一個電壓。
與很多傳感器類似，電化學傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能，就要測量元件的溫度。要根據該元件的性能-溫度圖(可在數據表中查到)，對其做適當的溫度校準。
傳感器、氣體類型，以及氣體濃度水平都決定著傳感器工作極輸出的電流大小。為處理這種變化性，要使用可調增益的TIA。可能的電流范圍在一到數百微安量級，因此，TIA的增益在一到數百千歐范圍就足夠了。
不同的傳感器需要不同的偏置，有些需要零偏置。要明白這些要求，這樣傳感器產生的電流才合乎規范。元件測量氣體時是氧化反應(CO)亦或還原反應(NO2)，相應地決定了元件是在WE拉入一個電流，還是送出一個電流。在單電源系統下，TIA非反相端的電壓應做相應的電平調整，以確保最大增益時不會使放大器輸出飽和。例如，TIA產生的輸出電壓由下式決定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通過反饋電阻進入TIA的電流。如果進入TIA的電流為正(還原反應)，則VOUT相對非反相端的電壓將為負值。這個電壓應加以提升，以避免輸出電壓碰到負電源軌。
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基本上，電化學元件的重點就是溫度校正，以及一個提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉換及電平變換的恒電勢電路。TI公司的LMP91000是一個可配置的AFE恒電勢電路，可以滿足這些功能要求。它包含一個完整的恒電勢電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學元件偏置及內部零電壓。此外，這款傳感器AFE還包括了一個集成的溫度傳感器，采用小型14腳的4mm2封裝，因此這款器件的直接定位是對電化學元件的精確溫度補償與改善噪聲性能。
并非所有氣體都能用電化學元件精確地測量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術，這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數氣體分子都會吸收IR光(吸收發生在某個波長上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通過樣本氣體，用一個光濾波器隔離出有用的波長。
通常，會用一個內置濾波器的溫差電堆來檢測某種氣體的量。例如，由于CO2在波長4.26μm處有強吸收，可以用一個帶通濾波器，去除這個波長以外的所有光線。除了CO2和乙醇檢測以外，NDIR氣體傳感器也可以用于檢測溫室氣體，以及氟里昂這類制冷劑。
NDIR系統有一個主要問題，即經過一段時間以后，要確定檢測器上接收的光線是實際來源于氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內的污染。在NDIR系統工作開始時可以做校準。但要解決一段時間后光源的劣化和腔內污染問題，就需要不斷地做校準。這種校準工作既費錢又費時間，在長期現場運行條件下并不可行。
解決問題的一種方式是在系統中使用一個基準通道。這個基準通道包含一個探測器，用于測量無吸收頻段中的光源。現在，由兩種發射光量的比率就可以探測出氣體的污染，還排除了任何由于光源偏離所帶來的誤差。由于這種偏離來自于長期的漂移，因此，無需同時對基準通道和活動通道做采樣。可以用一個輸入復用器，在兩個通道之間做切換，從而降低系統成本和復雜性，同時保持了精度。
溫差電堆在NDIR系統中被用作一個IR探測器，它根據接收到的入射光量(以瓦為單位)，產生一個電壓。所測氣體類型、其吸收系數，以及氣體濃度區間等都會影響到溫差電堆探測器上的入射光量。結果就是溫差電堆的輸出電壓，通常在數十微伏區間。因此，需要設計一些支持電路，能夠以不同增益對溫差電堆的輸出電壓做放大。這工作可以交給一只帶內置PGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號放大給系統的滿量程ADC使用，獲得最大的系統精度，增益設定需要在數百到數千V/V范圍內。
NDIR系統設計中的另外一個因素是知道如何處理與溫差電堆傳感器有關的明顯偏移電壓。溫差電堆預計會有一個比實際信號更大的偏移分量(高達1mV)，它限制了系統的動態范圍。盡量減少這問題的一種方法是在系統電路中集成偏移補償功能。一個方案是采用一只DAC，對所測得偏移做出補償。系統微控制器可以捕捉到偏移的水平，通過設定ADC，使輸出向負電壓軌，零標尺點移動，從而消除偏移。這種方案能用到ADC的全部動態范圍，從而盡量減少對ADC分辨率的要求。
另外，由于存在溫差電堆的偏移電壓，因此需要將溫差電堆偏置在地以上。可以用一個共模發生器完成這一工作，用它為傳感器施加一個共模電壓。這種方案會偏移溫差電堆傳感器的信號電平，使之離開負電壓軌，從而在有傳感器偏移電壓情況下也能做出精確的探測。
同樣，NDIR系統需要一個基準通道、可調放大倍率、偏移補償，以及偏置。LMP91051可配置傳感器AFE為NDIR探測應用完成這些工作(圖4)。它有一個雙通道輸入，支持活動通道和基準通道、PGA、可調偏移抑制DAC，以及共模發生器。LMP91051能夠將這些重要的NDIR系統塊集成到一起，從而減少了設計時間、電路板空間、功率，以及成本。
pH電極用于測量氫離子(H+)的活動，并產生一個電勢或電壓。pH電極的工作原理是：當兩種不同pH值的液體在一個薄玻璃膜兩側相互接觸時，就會產生一個電勢。這些pH電極采用相同原理，可在各種應用中測量pH值，包括水處理、化學過程、醫療儀器，以及環境測試系統等。
pH電極是一種無源傳感器，意味著不需要激勵源(電壓或電流)。不過，它是一種輸出電壓可以在基準點上下擺動的雙極傳感器。因此，在單電源系統中，傳感器需要以某個共模電壓為基準(通常是電源電壓的一半)，以防止擺到大地。
一個pH電極的源阻抗非常高，因為薄玻璃泡有大電阻，通常在10MΩ~1000MΩ范圍。這意味著只有高阻抗測量電路才可以監控電極。此外，電路應有低的輸入偏移電流，因為即使最小的電流注入高阻電極，也會產生相當大的偏移電壓，從而給系統帶來測量誤差。另外，由于在系統關斷時，也可能會從pH電極拉出電流，持續長時間后可能使傳感器降級。因此，關鍵是要保持低的輸入偏移電流，即使測量電路并未通電。
pH電極產生的電壓輸出與待測溶液的pH值呈線性關系。圖5和圖6中的傳遞函數與pH范圍表明，當溶液的pH升高時，pH測量電極所產生的電壓下降。注意，pH電極的靈敏度會隨溫度而改變。圖中的pH電極傳遞函數顯示，靈敏度會隨溫度而線性地增長。由于這一特性，關鍵是要了解待測溶液的溫度，并對測量作相應補償。
最后，pH傳感器需要一個高阻、低輸入偏移電流的接口、共模電壓，以及溫度補償能力。用于化學探測的LMP91200傳感器AFE就具備了這些功能(圖7)。用它的可編程電流源就可以方便地與RTD連接。它的多步溫度測量功能消除了溫度信號路徑中的誤差，從而進一步提高了溫度測量的精度。該器件的輸入偏置電流在25C時只有數十fA量級，從而與高阻pH電極連接時最大限度地減少了誤差。最后，當器件關斷時，偏置電流只有數百fA，減少了由于拉出電流而帶來的電極衰退。
與工業傳感器相關的設計挑戰包括對激勵、增益、溫度補償、偏置抑制、電流-電壓轉換、高阻接口，以及診斷功能的需求。采用合適的AFE可以提高測量精度，同時降低設計復雜性。
