傳感器對(duì)溫度的依賴性分析 - 工程師解讀：為什么工業(yè)傳感器會(huì)出錯(cuò)？

　　與許多傳感器一樣，電氣化學(xué)傳感器具有對(duì)溫度的依賴性。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，需測(cè)量這種組件的溫度。根據(jù)組件的性能與溫度的對(duì)比曲線圖（參見數(shù)據(jù)表），進(jìn)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(duì)這種變化，可使用一個(gè)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(huì)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(cè)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(duì)TIA非反相引腳電壓進(jìn)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最大增益。例如，TIA產(chǎn)生一個(gè)由如下方程式計(jì)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(jìn)入TIA的該電流為正（還原反應(yīng)），則非反相引腳電壓時(shí)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(gè)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(qǐng)參見圖4）。它包含一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)精確溫度補(bǔ)償和更高噪聲性能。

　　圖4 LMP91000可配置傳感器AFE恒電位器

　　并非所有氣體都能用電氣化學(xué)組件精確地測(cè)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(gè)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(cè)具體氣體的多少。例如，CO2在4.26 μm波長下具有較強(qiáng)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(cè)相結(jié)合，NDIR氣體傳感器還可用于檢測(cè)溫室氣體和冷凍劑（例如：氟利昂等）。

　　NDIR系統(tǒng)存在的一個(gè)主要問題是隨著時(shí)間的推移，如何準(zhǔn)確地知道發(fā)送給檢測(cè)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(jìn)行校正是可能的，但是為了應(yīng)對(duì)隨著時(shí)間推移而出現(xiàn)的光源變化和艙室污染問題，要求不斷進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣做成本很高昂、耗費(fèi)時(shí)間，并且在長期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中也不可行。解決這個(gè)問題的一個(gè)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(gè)檢測(cè)器，在沒有光線吸收的范圍內(nèi)測(cè)量光源。現(xiàn)在，氣體濃度由兩個(gè)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(shí)間段內(nèi)。因此，無需同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)和有源通道進(jìn)行采樣。你可以使用一個(gè)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(shí)維持精確度。

　　在NDIR系統(tǒng)中用作紅外檢測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)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。可以通過一個(gè)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(hào)放大到系統(tǒng)全刻度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），從而實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)精確度。

　　NDIR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)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(huì)有一個(gè)大于實(shí)際信號(hào)的偏移分量（高達(dá)1mV），其限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。把這種問題降至最小程度的一種方法是，在系統(tǒng)的電子組件中集成偏移補(bǔ)償。一種解決方案是，使用一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）對(duì)被測(cè)偏移進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)微控制器（μC）可以捕獲偏移水平，并通過對(duì)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(dòng)態(tài)范圍，最小化了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(gè)共模生成器，向傳感器施加一個(gè)共模電壓，完成這項(xiàng)工作。這樣可以把熱電堆傳感器信號(hào)電平位移至負(fù)軌以外，從而允許精確地檢測(cè)傳感器偏移電壓的存在。

　　另外，NDIR系統(tǒng)需要一個(gè)基準(zhǔn)通道、可調(diào)節(jié)放大、偏移補(bǔ)償和偏置。LMP91051可以滿足這些要求，它是NDIR檢測(cè)應(yīng)用的可配置傳感器AFE（請(qǐng)參見圖5）。它擁有一個(gè)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(jì)時(shí)間，并減少了板級(jí)空間占用、功耗和成本。

　　圖5 用于NDIR檢測(cè)的LMP91051可配置傳感器AFE

　　一個(gè)pH電極測(cè)量氫離子（H+）活躍性，并產(chǎn)生一個(gè)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(shí)形成電位。這些pH電極利用相同的原理來測(cè)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(cè)試系統(tǒng)等。

　　pH電極是一種無源傳感器，其意味著無需激勵(lì)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(diǎn)上下擺動(dòng)。因此，在一個(gè)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10 MOhm到1000 MOhm），因此pH電極的源阻抗非常高。這意味著，只能通過一個(gè)高阻抗測(cè)量電路來監(jiān)測(cè)電極。另外，該電路應(yīng)具有低輸入偏置電流，因?yàn)榧词棺⑷敫咦杩闺姌O的電流極小，也會(huì)形成明顯的偏移電壓，并給系統(tǒng)帶來測(cè)量誤差。另外，即使系統(tǒng)關(guān)閉，隨著時(shí)間的推移，pH電極所吸的電流也可能會(huì)使傳感器老化。因此，即使在未向測(cè)量電路供電時(shí)，也應(yīng)維持低輸入偏置電流，這一點(diǎn)很重要。