工程師解讀：為什么工業(yè)傳感器會(huì)出錯(cuò)？ - 全文

　　在當(dāng)今的工業(yè)自動(dòng)化與過(guò)程控制應(yīng)用中，有大量的傳感器，對(duì)許多過(guò)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(lèi)型都有自己獨(dú)有的特性，從而帶來(lái)許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過(guò)連接這些傳感器來(lái)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(lèi)型，說(shuō)明它們帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并介紹開(kāi)發(fā)精確測(cè)量系統(tǒng)所需要的一些解決方案。

　　工業(yè)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)來(lái)接地（請(qǐng)參見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(jiàn)的壓力傳感器故障類(lèi)型是電橋開(kāi)路或者短路帶來(lái)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(lèi)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(chēng)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(méi)有壓力嗎？或者因?yàn)橄到y(tǒng)故障導(dǎo)致輸出短路嗎？通過(guò)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(méi)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(kāi)路、短路和出界信號(hào)。在通道完成轉(zhuǎn)換以后，通過(guò)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(wú)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。

　　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(jiàn)數(shù)據(jù)表），進(jìn)行正確的溫度校正。

　　傳感器、氣體類(lèi)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u(mài)A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(jiàn)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(zhǎng)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(guò)氣體采樣，然后使用一個(gè)光濾波器來(lái)隔離所需要的波長(zhǎng)。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(zhǎng)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(zhǎng)之外的所有光線。通過(guò)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(wèn)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(wèn)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(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中也不可行。解決這個(gè)問(wèn)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(méi)有光線吸收的范圍內(nèi)測(cè)量光源?，F(xiàn)在，氣體濃度由兩個(gè)發(fā)送光量之比來(lái)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(zhǎng)期漂移，其出現(xiàn)在較大的時(shí)間段內(nèi)。因此，無(wú)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(lái)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(lái)產(chǎn)生電壓。被測(cè)氣體類(lèi)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?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)含內(nèi)置PGA的模擬前端（AFE）來(lái)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(lái)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(wèn)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(guò)對(duì)DAC編程讓輸出趨向負(fù)軌即零刻度來(lái)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(guò)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(jiàn)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(lái)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(wú)源傳感器，其意味著無(wú)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(guò)一個(gè)高阻抗測(cè)量電路來(lái)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(lái)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。

　　pH電極產(chǎn)生的電壓輸出線性依賴于解決方案的被測(cè)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(shí)，pH測(cè)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(cè)溫度，并對(duì)測(cè)量進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償至關(guān)重要。

　　圖6 pH電極傳輸函數(shù)

　　圖7 pH刻度

　　最后，pH傳感器要求高阻抗、低輸入偏置電流接口、共模電壓和溫度補(bǔ)償功能。用于化學(xué)檢測(cè)的LMP91200傳感器AFE可以滿足以上要求（請(qǐng)參見(jiàn)圖8）。通過(guò)其可編程電流源，你可以輕松地連接RTD。利用多級(jí)溫度測(cè)量功能，消除了溫度信號(hào)路徑的誤差，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了溫度測(cè)量精確度。25°C下時(shí)，這種器件的輸入偏置電流范圍僅為數(shù)十fA，最小化了連接高阻抗pH電極時(shí)的誤差。最終，器件關(guān)閉時(shí)偏置電流僅為數(shù)百fA，從而把長(zhǎng)時(shí)間電流消耗帶來(lái)的電極老化降至最低。

　　圖8 用于化學(xué)檢測(cè)的LMP91200可配置傳感器AFE

　　我們討論了一些與工業(yè)傳感器相關(guān)的最為普遍的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括激發(fā)、增益、溫度補(bǔ)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(gè)正確的AFE，可在降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的同時(shí)提高測(cè)量精確度。

　　市場(chǎng)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(jì)工具“WEBENCH Sensor AFE Designer”結(jié)合使用。這種設(shè)計(jì)工具讓廣大系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)發(fā)出高性能的集成傳感器系統(tǒng)，并同時(shí)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　作者：Jason Seitz，德州儀器 （TI）

　　Jason Seitz現(xiàn)任 TI 傳感器信號(hào)路徑產(chǎn)品部主任應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)高精度、低功耗及低壓模擬系統(tǒng)方面的工作。Seitz 畢業(yè)于加州大學(xué)戴維斯分校 （University of California at Davis），獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后在圣塔克拉拉大學(xué)（Santa Clara University， California）獲電子工程碩士學(xué)位。

本文轉(zhuǎn)摘自電子發(fā)燒友網(wǎng)《傳感技術(shù)特刊》7月刊