【導(dǎo)讀】傳感器可測(cè)量各種參數(shù)，如壓力、溫度、有毒氣體pH值等，它們應(yīng)用廣泛，使工業(yè)處理更安全、更高效，成本也更低。不過(guò)，各種類型的傳感器都有一組自己獨(dú)有的特性，從而帶來(lái)了一系列復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文分享了工業(yè)傳感器實(shí)用指南，供大家學(xué)習(xí)參考！
工業(yè)處理中最常見(jiàn)的測(cè)量項(xiàng)之一就是溫度。溫度測(cè)量可以采用各種類型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測(cè)器，以及熱敏電阻等。
要測(cè)量最大范圍的溫度時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常會(huì)選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測(cè)量溫度范圍達(dá)0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應(yīng)，即：如果兩個(gè)相異的金屬被放在一起，則產(chǎn)生的電壓與結(jié)上的溫度成正比。熱電偶是雙極器件，它會(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)(或“熱”結(jié))溫度與參考結(jié)(或“冷”結(jié))溫度的相對(duì)關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)正的或負(fù)的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個(gè)偏壓，這樣在單電源系統(tǒng)中都不會(huì)受限于地電勢(shì)。然后，測(cè)量冷結(jié)的溫度，就獲得了要測(cè)的溫度。熱電偶有一個(gè)缺點(diǎn)，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(tǒng)在一個(gè)較小范圍內(nèi)(例如660℃)需要更高的精度，則設(shè)計(jì)者可以用RTD來(lái)實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量，它的精度可達(dá)±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(jié)構(gòu)。增加線數(shù)就可以增加精度。RTD需要一種電流源形式的激勵(lì)。電流源的值通常為100μA~1mA，用于PT100(0℃時(shí)100Ω)和PT1000RTD(0℃時(shí)1000Ω)。
當(dāng)精度要求提高到±0.1℃時(shí)，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時(shí)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(huì)接成一個(gè)電阻分壓器結(jié)構(gòu)，其中另一只電阻與熱敏電阻有相同的標(biāo)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(cè)溫度時(shí)，測(cè)的是分壓器中點(diǎn)的電壓。可以預(yù)計(jì)，在25℃時(shí)的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計(jì)算出熱敏電阻的阻值，并用一個(gè)查找表確定出被測(cè)的環(huán)境溫度。
總之，溫度傳感器都需要偏置(可以是電壓或電流)。對(duì)于熱電偶來(lái)說(shuō)，需要做冷結(jié)補(bǔ)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(gè)差分或七個(gè)單端輸入、兩個(gè)匹配的可編程電流源，以及連續(xù)后臺(tái)校準(zhǔn)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(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
采用Wheatstone橋電路的應(yīng)變計(jì)與稱重傳感器常用于測(cè)量壓力、力與重量。元件被施加任何應(yīng)力或壓力后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電阻變化，從而在傳感器輸出端出現(xiàn)一個(gè)電壓差變化(圖3)。這些傳感器產(chǎn)生的電壓很低，通常在毫伏范圍。要獲得最精確的測(cè)量，必須將這個(gè)小電壓放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。可編程增益放大器(PGA)級(jí)可以與多個(gè)傳感器相連接，有最好的靈活性。這一級(jí)應(yīng)有低噪聲、低偏移、低漂移的特性，以確保最佳的系統(tǒng)性能。
這些類型的傳感器還需要一種偏置電壓形式的激勵(lì)。壓力傳感器有一種常見(jiàn)的不正確測(cè)量法，即橋在開(kāi)路或短路情況下做測(cè)量。更難以探測(cè)的是因傳感器損壞或隨時(shí)間降級(jí)所導(dǎo)致的量程外信號(hào)。有一種方法能發(fā)現(xiàn)所有這些故障模式，就是加一個(gè)診斷電路。這種電路會(huì)在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)中注入一個(gè)小電流，有時(shí)也稱為“耗盡”(burnout)電流，然后再測(cè)量所獲得的電壓。
舉例來(lái)說(shuō)，如果橋的輸出為相同電勢(shì)(+V/2)，是表明測(cè)量計(jì)上沒(méi)有壓力嗎？還是因?yàn)橄到y(tǒng)中有一個(gè)故障，使輸出短路了？向其中一個(gè)差分輸出注入電流，然后測(cè)量輸出端之間的差分電壓，就可以解答這個(gè)問(wèn)題。正常工作情況下，差分電壓是橋內(nèi)電阻上的壓降。但是，如果確實(shí)存在著短路，則壓降很小或幾乎沒(méi)有壓降。
簡(jiǎn)言之，Wheatstone橋傳感器需要：一個(gè)激勵(lì)電壓、一個(gè)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(duì)傳感器做持續(xù)的后臺(tái)傳感器診斷，能夠探測(cè)出開(kāi)路、短路，以及超量程的信號(hào)。它采用在轉(zhuǎn)換后再向某個(gè)通道內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果。診斷電路提供了連續(xù)的非侵入性故障檢測(cè)，協(xié)助分析出故障的原因，并最大程度減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。
電化學(xué)元件通常廣泛用于有毒和無(wú)毒氣體的測(cè)量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測(cè)量原理是化學(xué)氧化與還原，并產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)氣體成正比的電流。大多數(shù)元件都有三個(gè)電極：工作極(WE)、計(jì)數(shù)極(CE)與參考極(RE)。WE極對(duì)目標(biāo)氣體做氧化或還原，產(chǎn)生一個(gè)與氣體濃度成正比的電流。CE對(duì)所產(chǎn)生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢(shì)，以確保正確的工作區(qū)間。電化學(xué)元件會(huì)連接到一個(gè)恒電勢(shì)電路。這個(gè)恒電勢(shì)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(shì)上，并用一個(gè)互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。
與很多傳感器類似，電化學(xué)傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能，就要測(cè)量元件的溫度。要根據(jù)該元件的性能-溫度圖(可在數(shù)據(jù)表中查到)，對(duì)其做適當(dāng)?shù)臏囟刃?zhǔn)。
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(diào)增益的TIA。可能的電流范圍在一到數(shù)百微安量級(jí)，因此，TIA的增益在一到數(shù)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(chǎn)生的電流才合乎規(guī)范。元件測(cè)量氣體時(shí)是氧化反應(yīng)(CO)亦或還原反應(yīng)(NO2)，相應(yīng)地決定了元件是在WE拉入一個(gè)電流，還是送出一個(gè)電流。在單電源系統(tǒng)下，TIA非反相端的電壓應(yīng)做相應(yīng)的電平調(diào)整，以確保最大增益時(shí)不會(huì)使放大器輸出飽和。例如，TIA產(chǎn)生的輸出電壓由下式?jīng)Q定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通過(guò)反饋電阻進(jìn)入TIA的電流。如果進(jìn)入TIA的電流為正(還原反應(yīng))，則VOUT相對(duì)非反相端的電壓將為負(fù)值。這個(gè)電壓應(yīng)加以提升，以避免輸出電壓碰到負(fù)電源軌。
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基本上，電化學(xué)元件的重點(diǎn)就是溫度校正，以及一個(gè)提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉(zhuǎn)換及電平變換的恒電勢(shì)電路。TI公司的LMP91000是一個(gè)可配置的AFE恒電勢(shì)電路，可以滿足這些功能要求。它包含一個(gè)完整的恒電勢(shì)電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學(xué)元件偏置及內(nèi)部零電壓。此外，這款傳感器AFE還包括了一個(gè)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(duì)電化學(xué)元件的精確溫度補(bǔ)償與改善噪聲性能。
并非所有氣體都能用電化學(xué)元件精確地測(cè)量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術(shù)，這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數(shù)氣體分子都會(huì)吸收IR光(吸收發(fā)生在某個(gè)波長(zhǎng)上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通過(guò)樣本氣體，用一個(gè)光濾波器隔離出有用的波長(zhǎng)。
通常，會(huì)用一個(gè)內(nèi)置濾波器的溫差電堆來(lái)檢測(cè)某種氣體的量。例如，由于CO2在波長(zhǎng)4.26μm處有強(qiáng)吸收，可以用一個(gè)帶通濾波器，去除這個(gè)波長(zhǎng)以外的所有光線。除了CO2和乙醇檢測(cè)以外，NDIR氣體傳感器也可以用于檢測(cè)溫室氣體，以及氟里昂這類制冷劑。
NDIR系統(tǒng)有一個(gè)主要問(wèn)題，即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，要確定檢測(cè)器上接收的光線是實(shí)際來(lái)源于氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內(nèi)的污染。在NDIR系統(tǒng)工作開(kāi)始時(shí)可以做校準(zhǔn)。但要解決一段時(shí)間后光源的劣化和腔內(nèi)污染問(wèn)題，就需要不斷地做校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)工作既費(fèi)錢(qián)又費(fèi)時(shí)間，在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下并不可行。
解決問(wèn)題的一種方式是在系統(tǒng)中使用一個(gè)基準(zhǔn)通道。這個(gè)基準(zhǔn)通道包含一個(gè)探測(cè)器，用于測(cè)量無(wú)吸收頻段中的光源。現(xiàn)在，由兩種發(fā)射光量的比率就可以探測(cè)出氣體的污染，還排除了任何由于光源偏離所帶來(lái)的誤差。由于這種偏離來(lái)自于長(zhǎng)期的漂移，因此，無(wú)需同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)通道和活動(dòng)通道做采樣。可以用一個(gè)輸入復(fù)用器，在兩個(gè)通道之間做切換，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，同時(shí)保持了精度。
溫差電堆在NDIR系統(tǒng)中被用作一個(gè)IR探測(cè)器，它根據(jù)接收到的入射光量(以瓦為單位)，產(chǎn)生一個(gè)電壓。所測(cè)氣體類型、其吸收系數(shù)，以及氣體濃度區(qū)間等都會(huì)影響到溫差電堆探測(cè)器上的入射光量。結(jié)果就是溫差電堆的輸出電壓，通常在數(shù)十微伏區(qū)間。因此，需要設(shè)計(jì)一些支持電路，能夠以不同增益對(duì)溫差電堆的輸出電壓做放大。這工作可以交給一只帶內(nèi)置PGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號(hào)放大給系統(tǒng)的滿量程ADC使用，獲得最大的系統(tǒng)精度，增益設(shè)定需要在數(shù)百到數(shù)千V/V范圍內(nèi)。
NDIR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的另外一個(gè)因素是知道如何處理與溫差電堆傳感器有關(guān)的明顯偏移電壓。溫差電堆預(yù)計(jì)會(huì)有一個(gè)比實(shí)際信號(hào)更大的偏移分量(高達(dá)1mV)，它限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。盡量減少這問(wèn)題的一種方法是在系統(tǒng)電路中集成偏移補(bǔ)償功能。一個(gè)方案是采用一只DAC，對(duì)所測(cè)得偏移做出補(bǔ)償。系統(tǒng)微控制器可以捕捉到偏移的水平，通過(guò)設(shè)定ADC，使輸出向負(fù)電壓軌，零標(biāo)尺點(diǎn)移動(dòng)，從而消除偏移。這種方案能用到ADC的全部動(dòng)態(tài)范圍，從而盡量減少對(duì)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(gè)共模發(fā)生器完成這一工作，用它為傳感器施加一個(gè)共模電壓。這種方案會(huì)偏移溫差電堆傳感器的信號(hào)電平，使之離開(kāi)負(fù)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(cè)。
同樣，NDIR系統(tǒng)需要一個(gè)基準(zhǔn)通道、可調(diào)放大倍率、偏移補(bǔ)償，以及偏置。LMP91051可配置傳感器AFE為NDIR探測(cè)應(yīng)用完成這些工作(圖4)。它有一個(gè)雙通道輸入，支持活動(dòng)通道和基準(zhǔn)通道、PGA、可調(diào)偏移抑制DAC，以及共模發(fā)生器。LMP91051能夠?qū)⑦@些重要的NDIR系統(tǒng)塊集成到一起，從而減少了設(shè)計(jì)時(shí)間、電路板空間、功率，以及成本。
pH電極用于測(cè)量氫離子(H+)的活動(dòng)，并產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)或電壓。pH電極的工作原理是：當(dāng)兩種不同pH值的液體在一個(gè)薄玻璃膜兩側(cè)相互接觸時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)。這些pH電極采用相同原理，可在各種應(yīng)用中測(cè)量pH值，包括水處理、化學(xué)過(guò)程、醫(yī)療儀器，以及環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)等。
pH電極是一種無(wú)源傳感器，意味著不需要激勵(lì)源(電壓或電流)。不過(guò)，它是一種輸出電壓可以在基準(zhǔn)點(diǎn)上下擺動(dòng)的雙極傳感器。因此，在單電源系統(tǒng)中，傳感器需要以某個(gè)共模電壓為基準(zhǔn)(通常是電源電壓的一半)，以防止擺到大地。
一個(gè)pH電極的源阻抗非常高，因?yàn)楸〔Ａ萦写箅娮瑁ǔＴ?0MΩ~1000MΩ范圍。這意味著只有高阻抗測(cè)量電路才可以監(jiān)控電極。此外，電路應(yīng)有低的輸入偏移電流，因?yàn)榧词棺钚〉碾娏髯⑷敫咦桦姌O，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的偏移電壓，從而給系統(tǒng)帶來(lái)測(cè)量誤差。另外，由于在系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)，也可能會(huì)從pH電極拉出電流，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間后可能使傳感器降級(jí)。因此，關(guān)鍵是要保持低的輸入偏移電流，即使測(cè)量電路并未通電。
pH電極產(chǎn)生的電壓輸出與待測(cè)溶液的pH值呈線性關(guān)系。圖5和圖6中的傳遞函數(shù)與pH范圍表明，當(dāng)溶液的pH升高時(shí)，pH測(cè)量電極所產(chǎn)生的電壓下降。注意，pH電極的靈敏度會(huì)隨溫度而改變。圖中的pH電極傳遞函數(shù)顯示，靈敏度會(huì)隨溫度而線性地增長(zhǎng)。由于這一特性，關(guān)鍵是要了解待測(cè)溶液的溫度，并對(duì)測(cè)量作相應(yīng)補(bǔ)償。
最后，pH傳感器需要一個(gè)高阻、低輸入偏移電流的接口、共模電壓，以及溫度補(bǔ)償能力。用于化學(xué)探測(cè)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(cè)量功能消除了溫度信號(hào)路徑中的誤差，從而進(jìn)一步提高了溫度測(cè)量的精度。該器件的輸入偏置電流在25C時(shí)只有數(shù)十fA量級(jí)，從而與高阻pH電極連接時(shí)最大限度地減少了誤差。最后，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，偏置電流只有數(shù)百fA，減少了由于拉出電流而帶來(lái)的電極衰退。
與工業(yè)傳感器相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括對(duì)激勵(lì)、增益、溫度補(bǔ)償、偏置抑制、電流-電壓轉(zhuǎn)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(cè)量精度，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
