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在當(dāng)今的工業(yè)自動化與過程控制應(yīng)用中，有大量的傳感器，對許多過程參數(shù)進行測量。工業(yè)過程中最為普遍的測量參數(shù)之一便是溫度。我們可以通過包括熱電偶等來獲得真實、精確的測量結(jié)果。
例如：壓力、溫度、有毒氣體和pH值等。這些傳感器讓工業(yè)處理變得更安全、更高效和更低成本。但是，每種傳感器類型都有自己獨有的特性，從而帶來許多復(fù)雜的設(shè)計挑戰(zhàn)。通過連接這些傳感器來獲得真實、精確的測量結(jié)果，是最為重要的一項工作。本文中，我們將為你介紹這些傳感器類型，說明它們帶來的挑戰(zhàn)，并介紹開發(fā)精確測量系統(tǒng)所需要的一些解決方案。
工業(yè)過程中較為普遍的測量參數(shù)之一便是溫度。我們可以通過包括熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)和電熱調(diào)節(jié)器等在內(nèi)的許多傳感器對溫度進行測量。為了對大溫度范圍進行測量，系統(tǒng)設(shè)計人員通常使用熱電偶。
例如，一個C型熱電偶擁有0到2320°C的測量溫度范圍。熱電偶工作原理是基于Seebeeck效應(yīng)的：如果將兩個不同金屬放置在一起，則產(chǎn)生一個與結(jié)溫成比例關(guān)系的電壓。熱電偶為雙極性器件，其根據(jù)檢測情況(相對于基準(zhǔn)值“熱”結(jié)溫或者“冷”結(jié)溫)產(chǎn)生一個正或者負(fù)電壓。首先，需要一個熱電偶偏置，因此它在一個單電源系統(tǒng)中不會背離接地。其次，對冷結(jié)溫進行測量，以獲得被測溫度值。我們可以使用如LM94022等IC溫度傳感器測量冷結(jié)溫。相比其它溫度傳感器，熱電偶的一個缺點是精確度有限，通常低于±1°C。
如果在某個低溫度范圍(例如：660°C以下)，系統(tǒng)要求更高的精確度，則設(shè)計人員可使用RTD來實現(xiàn)這種測量，其精確度可達(dá)±1°C以下。RTD為一些電阻式組件，其電阻取決于它們所處環(huán)境的溫度。它使用二、三及四線配置。線數(shù)增加，精確度也增加。RTD要求電流源形式的激勵。電流源值通常為100μA到1mA，以處理PT100(0°C，100Ohm)和PT1000RTDs(0°C，1000Ohm)。
為了實現(xiàn)高達(dá)±0.1°C的精確度，甚至可以使用更小溫度范圍(100°C以下)的電熱調(diào)節(jié)器。與RTD一樣，電熱調(diào)節(jié)器的電阻也隨溫度而變化。電熱調(diào)節(jié)器通常連接在一個電阻分壓器配置中，其中，分壓器的另一個電阻器值與電熱調(diào)節(jié)器的額定值(25°C室溫下的值)相同。該電熱調(diào)節(jié)器的一端連接至電源電壓，而另一端則連接至另一個電阻器，其反過來接地(請參見圖1)。為了獲得溫度，需對分壓器中間點的電壓進行測量。你可得到25°C下為+V/2。當(dāng)與該值有所偏差時，你可以計算電熱調(diào)節(jié)器的電阻，并利用檢查表確定被測環(huán)境溫度。
總之，溫度傳感器需要偏置(電壓或者電流)。使用熱電偶時，需要冷結(jié)溫補償。TI擁有一整套解決方案，可以滿足這些要求。LMP90100是一種24位傳感器AFE系統(tǒng)，擁有四個差動輸入或者七個單端輸入，兩個匹配可編程電流源，以及連續(xù)本底校準(zhǔn)(請參見圖2)。LMP90100是一款集成可配置芯片，是克服各種溫度傳感器相關(guān)設(shè)計挑戰(zhàn)的理想選擇。
使用惠斯通橋接電路的應(yīng)變儀和測力傳感器是測量壓力、力和重力的普遍實現(xiàn)方式。對這種儀器施加的任何應(yīng)變或者應(yīng)力，都會引起傳感器輸出的電阻變化并導(dǎo)致電壓差變化(請參見圖3)。這些傳感器所產(chǎn)生的電壓很低，通常為mV級別。為了實現(xiàn)最高精確度測量，需把這種小電壓范圍放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的全動態(tài)范圍。為了實現(xiàn)與多個傳感器連接并帶來靈活性，需使用一個可編程增益放大器(PGA)級。該級應(yīng)為低噪、低偏差和低偏差漂移，以確保系統(tǒng)性能。
這些傳感器還要求偏壓形式的激勵。一種常見的壓力傳感器故障類型是電橋開路或者短路帶來的測量錯誤。隨著時間的流逝，傳感器損壞或者老化所引起的出界信號更加難以檢測。捕獲所有這些故障種類的一種方法是集成一個診斷電路。這種電路向惠斯通橋接的電阻梯形電路注入一個小電流(有時被稱作“燒斷”電流)，然后測量所產(chǎn)生的電壓。例如，電橋輸出為相同電位(V+/2)，則原因是應(yīng)變儀沒有壓力嗎?或者因為系統(tǒng)故障導(dǎo)致輸出短路嗎?通過向差動輸出之一注入電流，然后測量輸出之間的差動電壓，可以得到答案。在正常工作下，差動電壓為電橋電阻器的壓降。但是，如果存在實際短路，則壓降就會很少或者沒有。
簡言而之，惠斯通橋接傳感器要求有激發(fā)電壓、低噪/偏移PGA和診斷電路。LMP90100也可與這些傳感器進行非常好的匹配。它的連續(xù)本底傳感器診斷電路可檢測開路、短路和出界信號。在通道完成轉(zhuǎn)換以后，通過向其注入“燒斷”電流，避免燒斷電流注入，影響該通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生。診斷電路提供連續(xù)非侵害故障檢測，幫助分析根本原因，并小化系統(tǒng)停機時間。
電氣化學(xué)組件通常用于測量各種有毒和無毒氣體，例如：一氧化碳、氧氣和氫氣。它們基于化學(xué)氧化與化學(xué)還原的主要方法，并產(chǎn)生與被測氣體成比例的電流。大多數(shù)組件均由三個電極組成：工作極(WE)、計數(shù)器極(CE)和基準(zhǔn)極(RE)。WE氧化或者還原目標(biāo)氣體，然后產(chǎn)生一個與氣體濃度成比例關(guān)系的電流。CE平衡所產(chǎn)生的電流，而RE則維持工作電極電位以保證正確的工作區(qū)。電氣化學(xué)組件往往連接恒電位器電路。這種恒電位器電路向CE提供電流(并在要求時偏置)。它讓W(xué)E保持與RE相同的電位，并使用一個跨阻抗放大器(TIA)把WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。
與許多傳感器一樣，電氣化學(xué)傳感器具有對溫度的依賴性。為了實現(xiàn)較佳性能，需測量這種組件的溫度。根據(jù)組件的性能與溫度的對比曲線圖(參見數(shù)據(jù)表)，進行正確的溫度校正。
傳感器、氣體類型和氣體深度水平?jīng)Q定了傳感器工作電極輸出電流的多少。為了應(yīng)對這種變化，可使用一個具有可調(diào)節(jié)增益的TIA。一到數(shù)百uA的電流范圍是可能的，因此使用一到數(shù)百kOhm范圍的TIA增益就已足夠。
不同的傳感器要求不同的偏置，或者一些傳感器會要求零偏置。注意這些要求，以便傳感器產(chǎn)生電流便可達(dá)到規(guī)范。組件是否完成被測氣體的氧化(CO)或者還原(NO2)反應(yīng)，決定了組件是否產(chǎn)生WE輸入或者輸出電流。應(yīng)對TIA非反相引腳電壓進行正確的電平位移，以確保單電源系統(tǒng)中放大器輸出不飽和的情況下獲得較大增益。例如，TIA產(chǎn)生一個由如下方程式計算得到的輸出電壓：VOUT=-IIN×RFEEDBACK，其中IIN為流向反饋電阻器TIA的電流。如果進入TIA的該電流為正(還原反應(yīng))，則非反相引腳電壓時VOUT為負(fù)。應(yīng)升高該電壓，以避免輸出至負(fù)電源。
基本上，電氣化學(xué)組件中包含溫度校正以及一個提供灌電流/拉電流、電壓偏置、電流到電壓轉(zhuǎn)換以及電平位移的恒電位器是非常重要的。例如，LMP91000(可配置AFE恒電位器)是傳感器AFE系列的組成部分，并擁有這些功能(請參見圖4)。它包含一個完整的恒電位器電路，擁有灌電流和拉電流功能，以及可編程TIA增益、電氣化學(xué)單元偏置和內(nèi)部零電壓。另外，這種傳感器AFE還包含一個集成溫度傳感器，并使用小型14引腳、4mm2封裝，從而允許直接將該器件放置在電氣化學(xué)組件下面，以實現(xiàn)精確溫度補償和更高噪聲性能。
并非所有氣體都能用電氣化學(xué)組件精確地測量。一種備用方法是，使用非分散紅外(NDIR)技術(shù)。它是一種紅外光譜技術(shù)。紅外光譜技術(shù)的原理是，大多數(shù)氣體分子都吸收紅外光(在特定波長下)。吸收光線的多少與氣體濃度成比例關(guān)系。特別是，NDIR讓所有紅外光線通過氣體采樣，然后使用一個光濾波器來隔離所需要的波長。通常，具有內(nèi)置濾波器的熱電堆用于檢測具體氣體的多少。例如，CO2在4.26μm波長下具有較強的吸光率，因此使用帶通濾波器移除這種波長之外的所有光線。通過與CO2和乙醇檢測相結(jié)合，NDIR氣體傳感器還可用于檢測溫室氣體和冷凍劑(例如：氟利昂等)。
NDIR系統(tǒng)存在的一個主要問題是隨著時間的推移，如何準(zhǔn)確地知道發(fā)送給檢測器的光線變化是否真的因氣體吸收所引起，而不是光源變化或者艙室污染所引起。盡管在NDIR系統(tǒng)工作之初進行校正是可能的，但是為了應(yīng)對隨著時間推移而出現(xiàn)的光源變化和艙室污染問題，要求不斷進行校準(zhǔn)。這樣做成本很高昂、耗費時間，并且在長期現(xiàn)場運行過程中也不可行。解決這個問題的一個方法是，在你的系統(tǒng)中使用一條基準(zhǔn)通道。該基準(zhǔn)通道包含一個檢測器，在沒有光線吸收的范圍內(nèi)測量光源。現(xiàn)在，氣體濃度由兩個發(fā)送光量之比來決定。光源偏差引起的任何誤差現(xiàn)在都被抵消。這種偏差導(dǎo)致長期漂移，其出現(xiàn)在較大的時間段內(nèi)。因此，無需同時對基準(zhǔn)和有源通道進行采樣。你可以使用一個輸入多路復(fù)用器(MUX)來在兩條通道之間切換，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，并同時維持精確度
在NDIR系統(tǒng)中用作紅外檢測器的熱電堆根據(jù)其接收的入射光多少(單位為瓦特)來產(chǎn)生電壓。被測氣體類型、其吸光系數(shù)和氣體濃度范圍都影響熱電堆檢測器的入射光線量。它產(chǎn)生熱電堆輸出電壓(范圍通常為數(shù)十μV)。因此，你需要設(shè)計出具有使用不同增益放大熱電堆輸出電壓功能的電子支持組件?？梢酝ㄟ^一個含內(nèi)置PGA的模擬前端(AFE)來處理這種情況。要求使用數(shù)百到數(shù)千V/V范圍的增益設(shè)置，來把小熱電堆信號放大到系統(tǒng)全刻度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，從而實現(xiàn)大系統(tǒng)精確度。
NDIR系統(tǒng)設(shè)計的另一個因素是知道如何處理熱電堆傳感器相關(guān)的顯著偏移電壓。熱電堆會有一個大于實際信號的偏移分量(高達(dá)1mV)，其限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。把這種問題降至小程度的一種方法是，在系統(tǒng)的電子組件中集成偏移補償。一種解決方案是，使用一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)對被測偏移進行補償。系統(tǒng)微控制器(μC)可以捕獲偏移水平，并通過對DAC編程讓輸出趨向負(fù)軌即零刻度來消除這種偏移。這種解決方案利用ADC的全部動態(tài)范圍，小化了ADC分辨率要求。
另外，由于存在熱電堆偏移電壓，需要把熱電堆偏置至接地以上。你可以通過利用一個共模生成器，向傳感器施加一個共模電壓，完成這項工作。這樣可以把熱電堆傳感器信號電平位移至負(fù)軌以外，從而允許精確地檢測傳感器偏移電壓的存在。
另外，NDIR系統(tǒng)需要一個基準(zhǔn)通道、可調(diào)節(jié)放大、偏移補償和偏置。LMP91051可以滿足這些要求，它是NDIR檢測應(yīng)用的可配置傳感器AFE(請參見圖5)。它擁有一個雙通道輸入，可支持有源基準(zhǔn)通道、PGA、可調(diào)節(jié)偏移抵消DAC以及共模生成器。LMP91051集成了這些重要的NDIR系統(tǒng)模塊，降低了設(shè)計時間，并減少了板級空間占用、功耗和成本。
一個pH電極測量氫離子(H+)活躍性，并產(chǎn)生一個電位，即電壓。pH電極的工作原理是：pH值不同的兩種液體在薄玻璃隔膜的兩邊接觸時形成電位。這些pH電極利用相同的原理來測量各種應(yīng)用的pH值，包括水處理、化學(xué)處理、醫(yī)學(xué)儀器和環(huán)境測試系統(tǒng)等。
pH電極是一種無源傳感器，其意味著無需激勵源(電壓或者電流)。但是，它是一種雙極傳感器，它的輸出可以圍繞基準(zhǔn)點上下擺動。因此，在一個單電源系統(tǒng)中，傳感器需要參考共模電壓(通常為半電源)，以防止其軌接地。
由于薄玻璃殼具有很大的電阻(范圍通常為10MOhm到1000MOhm)，因此pH電極的源阻抗非常高。這意味著，只能通過一個高阻抗測量電路來監(jiān)測電極。另外，該電路應(yīng)具有低輸入偏置電流，因為即使注入高阻抗電極的電流極小，也會形成明顯的偏移電壓，并給系統(tǒng)帶來測量誤差。另外，即使系統(tǒng)關(guān)閉，隨著時間的推移，pH電極所吸的電流也可能會使傳感器老化。因此，即使在未向測量電路供電時，也應(yīng)維持低輸入偏置電流，這一點很重要。
pH電極產(chǎn)生的電壓輸出線性依賴于解決方案的被測pH。圖6和圖7所示傳輸函數(shù)和pH刻度表明，當(dāng)解決方案的pH增加時，pH測量電極產(chǎn)生的電壓降低。注意，pH電極的靈敏度隨溫度而變化。觀察pH電極傳輸函數(shù)曲線，我們可以看到，靈敏度隨溫度上升而線性上升。由于這種特性的存在，了解解決方案的被測溫度，并對測量進行相應(yīng)的補償至關(guān)重要。
我們討論了一些與工業(yè)傳感器相關(guān)的較為普遍的設(shè)計挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括激發(fā)、增益、溫度補償、偏移抵消、電流到電壓轉(zhuǎn)換、高阻抗接口和診斷電路等。使用一個正確的AFE，可在降低設(shè)計復(fù)雜程度的同時提高測量精確度。
市場上，有許多可配置和易用型傳感器AFE供我們選擇。在TI，這些器件與在線設(shè)計工具“WEBENCHSensorAFEDesigner”結(jié)合使用。這種設(shè)計工具讓廣大系統(tǒng)設(shè)計人員可以開發(fā)出高性能的集成傳感器系統(tǒng)，并同時縮短產(chǎn)品上市時間。
