智能传感器仿真加速信号调节系统的设计

设计传感器信号调节电子器件及相关校正算法并非易事，而且耗时长。使用硬件传感器仿真器可显著缩短 开发时间。例如，造成温度校正费时的一个主要原因是在环境舱中温度从冷到热循环时间长，可能需要几小时温度才能达到稳定，像典型的三点校正(-55℃、 25℃和85℃)需要八小时。传感器仿真器中已经设置了传感器温度漂移的模型，这样控制工程师仅需几分钟即可完成仿真校正。这样一天之内可以做很多校正， 节省了时间，仅需将注意力集中在传感器硬件的调试或开发校正算法。
      
传感器的另一问题是有些传感器需要昂贵的设备提供激励(比 如，湿度、加速、pH、压力和拉力)。在很多情况下并不容易接触这些设备。使用 传 感器仿真器可以在使用这样设备之前调试软硬件，可提高实验室研究的效率。此外，这些用于产生激励的设备有时是为特定传感器而开发的，未必通过验证。
     
例如，Contrivance Engineering开发的定制机械校正系统用于在传感器上加力矩。由于传感器是与那些校正系统同时开发的，没有传感器仿真器则很难调试这些传感器。而 且，如果校正系列一开始就存在机械振荡问题，如果没有仿真器，很难确定振荡是机械系统产生的还是来自电气系统。
     
传感器还可能在不可重复 的问题，这样就很难判断是传感器的故障还是传感器的性能所限。比如，压力传感器除了延时外，还会存在压力滞后或温 度滞后，因为传感器和电子器件通常放置在密封盒中，这样就很难判断故障是来自传感器的还是电子器件的。传感器赶集器不存在不可重复性，因此可评估传感器电 子器件的精度。
     
在详细讲解如何实现传感器仿真器之前，可把它视作一个黑箱。本文的传感器仿真器用于仿真四元件Wheatstone桥传感器。由于大多数桥传感器提供相关的温度传感器，因此它可效仿两种不同类型温度传感器的效果(二极管和串行电阻)。

图1 (a和b)分别为要效仿的桥传感器实例

桥传感器示例
      
PGA309 是典型的信号调节片上系统，它可用于补偿温度漂移和阻性桥传感器的非线性。图1a为桥传感器实例，其温度系数将用于确定电阻电 压(Rt)。Rt上的电压为温度信号。仿真器可模拟Rt温度感应方法，它提供一个可编程温度信号，根据温度信号调制桥电压。该传感器仿真器还可模拟图1b 的电路，该图中二极管用于测量桥温度。

图2 传感器的温度飘移

图3 传感器输出信号与激励间关系
     
图2描述了传感器的温度飘移。传感器仿真器将三个不同温度(室温、热和冷)下的飘移建立了模型。图3为传感器输出信号与激励间关系。通常该信号仅包括二阶非线性。传感器仿真器将传感器响应与所加激励在室温下五个分立点及冷热两种温度下三个分立点的情况分别模拟出来。

传感器温度漂移

输出信号与激励的关系
     
传感器信号调节系统通常调制激励电压以校正传感器的非线性。由于Vexc的调节可用于校正所加压力的非线性，因此才可以用于为现实传感器建模，即传感器仿真器输入Vexc的变化将直接影响所仿真的桥输出。

图4 视作黑箱的传感器仿真器
     
图4 表示了视作黑箱的传感器仿真器。注意到Vexc输入、传感器输出和温度信号输出，以及温度输出和传感器输出的控制。温度输出控制有三个 不同温度(室温、高温和低温)。传感器输出有如下输出：0、50%及100%低温、0、25、50、75和100室温、0、50和100%高温。

传感器仿真器可视作黑箱
     
有些工程师也许会问，为何提高精度并不能解决问题，比如采用精密电源(如毫伏校正器)模拟传感器输出。使用电压源模拟传感器输出的主要问题 是它不能用传感器的激励电压调制。传感器的电子器件通常用改变传感器激励电压的方式校正非线性，当传感器用于放射滴定时也会变化。在这种模式下，传感器和 电子器件共用一个电源。测试放射滴定电源抑制很难用精确的电源实现。
     
在模拟传感器的时候需要三个精确电源。一个用于共模信号，一个用于差分信号，另一个用于温度信号(参见图5)。这种设置比本文建议的仿真器方式成本高，而且它需要对每个传感器输出配置进行重设置。而仿真器输出配置仅需设置一次，并通过旋转开关选择。

图5 温度信号电源
     
仿真传感器所需的三个精密电压源其中之一。

传感器仿真器的简单实施
     
Wheatstone桥传感器的仿真器有多种实现方式。这里介绍的方式非常直观，它采用整形电位计和旋转开关，如果使用更复杂的方法，可以用D/A转换器、微控制器、PC接口和相关软件。这两种方法有各自的优势，用直观的方式可避免使用软件。
     
图5 介绍了传感器仿真器的单个通道和。完整的设计使用十一个通道和旋转开关以产生十一个独特的输出状态。这十一种不同的输出状态通常用于模 拟不同激励下在三种不同温度时的传感器输出。使用这种配置是因为，大多数常用传感器校正算法需要三个不同温度和三种不同程度的激励。通过调节R8(精调时 使用R9)产生差分信号。使用图中所示的元件，激励电压为5V时，电路输出范围为±25mV。数小时的测量稳定度约为0.03%。该电路的输出范围可通过 改变R7和R10来实现。例如，激励电压为5V时，使用1k欧电阻可将范围变为±250mV。这样电路可用于模拟不同范围的传感器输出，提高精度和可重复性。
     
该传感器仿真器还可以模拟温度输出信号。大多数传感器内置了简单的温度传感器以监视桥传感器温度。前文已经提及传感器通常用二极管产生温度信号，或者使用桥电阻的温度系数(the Rt method).

图6 产生Rt温度信号
    
图6解释了如何产生Rt温度信号。R2和R3用于模拟桥电阻的温度系数，R4用于温度传感器电阻Rt。

如何产生Rt温度信号的仿真
     
相同的阻性分压器可用于产生常温、高温和低温信号。该电路的另一优势是Rt温度信号可通过传感器的激励电压调制。U3和U4缓存温度输出信 号，可用于调节传感器输出信号，这样传感器输出信号相当于串联桥。温度感应的二极管方法仅需用阻性分压器代替二极管即可实现。而且同样的电路也可与旋转开 关共同使用以产生室温、高温和低温信号。