工程師解讀：為什么工業傳感器會出錯？

　　在當今的工業自動化與過程控制應用中，有大量的傳感器，對許多過程參數進行測量，例如：壓力、溫度、有毒氣體和pH值等。這些傳感器讓工業處理變得更安全、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，從而帶來許多復雜的設計挑戰。通過連接這些傳感器來獲得真實、精確的測量結果，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，并介紹開發精確測量系統所需要的一些解決方案。

　　工業過程中最為普遍的測量參數之一便是溫度。我們可以通過包括熱電偶、電阻溫度檢測器（RTD）和電熱調節器等在內的許多傳感器對溫度進行測量。為了對最大溫度范圍進行測量，系統設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效應的：如果將兩個不同金屬放置在一起，則產生一個與結溫成比例關系的電壓。熱電偶為雙極性器件，其根據檢測情況（相對于基準值“熱”結溫或者“冷”結溫）產生一個正或者負電壓。首先，需要一個熱電偶偏置，因此它在一個單電源系統中不會背離接地。其次，對冷結溫進行測量，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），系統要求更高的精確度，則設計人員可使用RTD來實現這種測量，其精確度可達±1°C以下。RTD為一些電阻式組件，其電阻取決于它們所處環境的溫度。它使用二、三及四線配置。線數增加，精確度也增加。RTD要求電流源形式的激勵。電流源值通常為100 μA到1 mA，以處理PT100 （0°C，100 Ohm）和PT1000 RTDs （0°C，1000 Ohm）。

　　為了實現高達±0.1°C的精確度，甚至可以使用更小溫度范圍（100°C以下）的電熱調節器。與RTD一樣，電熱調節器的電阻也隨溫度而變化。電熱調節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節器的額定值（25°C室溫下的值）相同。該電熱調節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。當與該值有所偏差時，你可以計算電熱調節器的電阻，并利用檢查表確定被測環境溫度。

　　圖1 電熱調節器電路

　　總之，溫度傳感器需要偏置（電壓或者電流）。使用熱電偶時，需要冷結溫補償。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，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，以及連續本底校準（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設計挑戰的理想選擇。

　　圖2 LMP90100 24位可配置傳感器AFE系統

　　使用惠斯通橋接電路的應變儀和測力傳感器是測量壓力、力和重力的普遍實現方式。對這種儀器施加的任何應變或者應力，都會引起傳感器輸出的電阻變化并導致電壓差變化（請參見圖3）。這些傳感器所產生的電壓很低，通常為mV級別。為了實現最高精確度測量，需把這種小電壓范圍放大到數據轉換器的全動態范圍。為了實現與多個傳感器連接并帶來最佳靈活性，需使用一個可編程增益放大器（PGA）級。該級應為低噪、低偏差和低偏差漂移，以確保最佳系統性能。

　　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），然后測量所產生的電壓。例如，電橋輸出為相同電位（V+/2），則原因是應變儀沒有壓力嗎？或者因為系統故障導致輸出短路嗎？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。

　　圖3 惠斯通橋接電路

　　簡言而之，惠斯通橋接傳感器要求有激發電壓、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，影響該通道的轉換結果產生。診斷電路提供連續非侵害故障檢測，幫助分析根本原因，并最小化系統停機時間。

　　電氣化學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。它們基于化學氧化與化學還原的主要方法，并產生與被測氣體成比例的電流。大多數組件均由三個電極組成：工作極（WE）、計數器極（CE）和基準極（RE）。WE氧化或者還原目標氣體，然后產生一個與氣體濃度成比例關系的電流。CE平衡所產生的電流，而RE則維持工作電極電位以保證正確的工作區。電氣化學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WE保持與RE相同的電位，并使用一個跨阻抗放大器（TIA）把WE的輸出電流轉換為電壓。