工程師解讀：為什么工業(yè)傳感器會(huì)出錯(cuò)？

　　在當(dāng)今的工業(yè)自動(dòng)化與過程控制應(yīng)用中，有大量的傳感器，對(duì)許多過程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，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(dú)有的特性，從而帶來許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過連接這些傳感器來獲得真實(shí)、精確的測(cè)量結(jié)果，是最為重要的一項(xiàng)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(cè)量系統(tǒng)所需要的一些解決方案。

　　工業(yè)過程中最為普遍的測(cè)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(cè)器（RTD）和電熱調(diào)節(jié)器等在內(nèi)的許多傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。為了對(duì)最大溫度范圍進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常使用熱電偶。

　　例如，一個(gè)C型熱電偶擁有0到2320°C的測(cè)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(gè)不同金屬放置在一起，則產(chǎn)生一個(gè)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(cè)情況（相對(duì)于基準(zhǔn)值“熱”結(jié)溫或者“冷”結(jié)溫）產(chǎn)生一個(gè)正或者負(fù)電壓。首先，需要一個(gè)熱電偶偏置，因此它在一個(gè)單電源系統(tǒng)中不會(huì)背離接地。其次，對(duì)冷結(jié)溫進(jìn)行測(cè)量，以獲得被測(cè)溫度值。我們可以使用如LM94022等IC溫度傳感器測(cè)量冷結(jié)溫。相比其它溫度傳感器，熱電偶的一個(gè)缺點(diǎn)是精確度有限，通常低于±1°C。

　　如果在某個(gè)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(jì)人員可使用RTD來實(shí)現(xiàn)這種測(cè)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(lì)。電流源值通常為100 μA到1 mA，以處理PT100 （0°C，100 Ohm）和PT1000 RTDs （0°C，1000 Ohm）。

　　為了實(shí)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(gè)電阻分壓器配置中，其中，分壓器的另一個(gè)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(gè)電阻器，其反過來接地（請(qǐng)參見圖1）。為了獲得溫度，需對(duì)分壓器中間點(diǎn)的電壓進(jìn)行測(cè)量。你可得到25°C下為+V/2。當(dāng)與該值有所偏差時(shí)，你可以計(jì)算電熱調(diào)節(jié)器的電阻，并利用檢查表確定被測(cè)環(huán)境溫度。

　　圖1 電熱調(diào)節(jié)器電路

　　總之，溫度傳感器需要偏置（電壓或者電流）。使用熱電偶時(shí)，需要冷結(jié)溫補(bǔ)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(gè)差動(dòng)輸入或者七個(gè)單端輸入，兩個(gè)匹配可編程電流源，以及連續(xù)本底校準(zhǔn)（請(qǐng)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(jì)挑戰(zhàn)的理想選擇。

　　圖2 LMP90100 24位可配置傳感器AFE系統(tǒng)

　　使用惠斯通橋接電路的應(yīng)變儀和測(cè)力傳感器是測(cè)量壓力、力和重力的普遍實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)這種儀器施加的任何應(yīng)變或者應(yīng)力，都會(huì)引起傳感器輸出的電阻變化并導(dǎo)致電壓差變化（請(qǐng)參見圖3）。這些傳感器所產(chǎn)生的電壓很低，通常為mV級(jí)別。為了實(shí)現(xiàn)最高精確度測(cè)量，需把這種小電壓范圍放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的全動(dòng)態(tài)范圍。為了實(shí)現(xiàn)與多個(gè)傳感器連接并帶來最佳靈活性，需使用一個(gè)可編程增益放大器（PGA）級(jí)。該級(jí)應(yīng)為低噪、低偏差和低偏差漂移，以確保最佳系統(tǒng)性能。

　　這些傳感器還要求偏壓形式的激勵(lì)。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(cè)量錯(cuò)誤。隨著時(shí)間的流逝，傳感器損壞或者老化所引起的出界信號(hào)更加難以檢測(cè)。捕獲所有這些故障種類的一種方法是集成一個(gè)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(gè)小電流（有時(shí)被稱作“燒斷”電流），然后測(cè)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?yàn)橄到y(tǒng)故障導(dǎo)致輸出短路嗎？通過向差動(dòng)輸出之一注入電流，然后測(cè)量輸出之間的差動(dòng)電壓，可以得到答案。在正常工作下，差動(dòng)電壓為電橋電阻器的壓降。但是，如果存在實(shí)際短路，則壓降就會(huì)很少或者沒有。

　　圖3 惠斯通橋接電路

　　簡(jiǎn)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(jìn)行非常好的匹配。它的連續(xù)本底傳感器診斷電路可檢測(cè)開路、短路和出界信號(hào)。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(cè)，幫助分析根本原因，并最小化系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。

　　電氣化學(xué)組件通常用于測(cè)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(cè)氣體成比例的電流。大多數(shù)組件均由三個(gè)電極組成：工作極（WE）、計(jì)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(gè)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(shí)偏置）。它讓W(xué)E保持與RE相同的電位，并使用一個(gè)跨阻抗放大器（TIA）把WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。