工业传感器实用指南

传感器可测量各种参数，如压力、温度、有毒气体pH值等，它们应用广泛，使工业处理更安全、更高效，成本也更低。不过，各种类型的传感器都有一组自己独有的特性，从而带来了一系列复杂的设计挑战。

工业处理中最常见的测量项之一就是温度。温度测量可以采用各种类型的传感器，包括热电偶、电阻温度探测器，以及热敏电阻等。

要测量最大范围的温度时，系统设计者通常会选择热电偶。例如，TypeC热电偶的测量温度范围达0℃~2320℃。热电偶的工作原理是基于Seebeck效应，即：如果两个相异的金属被放在一起，则产生的电压与结上的温度成正比。热电偶是双极器件，它会根据检测结(或“热”结)温度与参考结(或“冷”结)温度的相对关系，产生一个正的或负的电压。首先，你需要为热电偶加一个偏压，这样在单电源系统中都不会受限于地电势。然后，测量冷结的温度，就获得了要测的温度。热电偶有一个缺点，与其它温度传感器相比，它的精度有限，通常不到±1℃。

如果系统在一个较小范围内(例如660℃)需要更高的精度，则设计者可以用RTD来实现这种测量，它的精度可达±1℃以下。RTD是阻性元件，电阻值取决于其周边的温度。它们有双线、三线和四线结构。增加线数就可以增加精度。RTD需要一种电流源形式的激励。电流源的值通常为100μA~1mA，用于PT100(0℃时100Ω)和PT1000RTD(0℃时1000Ω)。

当精度要求提高到±0.1℃时，温度范围就要折衷到更小的范围(小于100℃)，此时可以用热敏电阻。与RTD类似，热敏电阻的电阻值也是随温度而变化。热敏电阻通常会接成一个电阻分压器结构，其中另一只电阻与热敏电阻有相同的标称值(25℃室温下的阻值)。热敏电阻的一端接至电源，另一端接另一只电阻，然后接地(图1)。探测温度时，测的是分压器中点的电压。可以预计，在25℃时的电阻为+V/2。如有偏差，则可以计算出热敏电阻的阻值，并用一个查找表确定出被测的环境温度。

总之，温度传感器都需要偏置(可以是电压或电流)。对于热电偶来说，需要做冷结补偿。德州仪器公司的LMP90100是一款24位传感器模拟前端(AFE)，它有四个差分或七个单端输入、两个匹配的可编程电流源，以及连续后台校准功能(图2)。这款集成的可配置芯片可解决各种与温度传感器有关的设计挑战。

采用Wheatstone桥电路的应变计与称重传感器常用于测量压力、力与重量。元件被施加任何应力或压力后，都会产生一个电阻变化，从而在传感器输出端出现一个电压差变化(图3)。这些传感器产生的电压很低，通常在毫伏范围。要获得最精确的测量，必须将这个小电压放大到数据转换器的整个动态范围内。可编程增益放大器(PGA)级可以与多个传感器相连接，有最好的灵活性。这一级应有低噪声、低偏移、低漂移的特性，以确保最佳的系统性能。

这些类型的传感器还需要一种偏置电压形式的激励。压力传感器有一种常见的不正确测量法，即桥在开路或短路情况下做测量。更难以探测的是因传感器损坏或随时间降级所导致的量程外信号。有一种方法能发现所有这些故障模式，就是加一个诊断电路。这种电路会在Wheatstone桥的梯形电阻网络中注入一个小电流，有时也称为“耗尽”(burnout)电流，然后再测量所获得的电压。

举例来说，如果桥的输出为相同电势(+V/2)，是表明测量计上没有压力吗?还是因为系统中有一个故障，使输出短路了?向其中一个差分输出注入电流，然后测量输出端之间的差分电压，就可以解答这个问题。正常工作情况下，差分电压是桥内电阻上的压降。但是，如果确实存在着短路，则压降很小或几乎没有压降。

简言之，Wheatstone桥传感器需要：一个激励电压、一个低噪声/偏移的PGA，以及诊断电路。LMP90100也非常适合用于这些类型的传感器。它对传感器做持续的后台传感器诊断，能够探测出开路、短路，以及超量程的信号。它采用在转换后再向某个通道内注入耗尽电流的方法，可以避免注入的耗尽电流干扰该通道的转换结果。诊断电路提供了连续的非侵入性故障检测，协助分析出故障的原因，并最大程度减少系统停机时间。

电化学元件通常广泛用于有毒和无毒气体的测量，如一氧化碳、氧气与氢气等。它们的测量原理是化学氧化与还原，并产生一个与被测气体成正比的电流。大多数元件都有三个电极：工作极(WE)、计数极(CE)与参考极(RE)。WE极对目标气体做氧化或还原，产生一个与气体浓度成正比的电流。CE对所产生的电流做均衡，而RE则维持工作电极的电势，以确保正确的工作区间。电化学元件会连接到一个恒电势电路。这个恒电势电路为CE提供电流(如有必要，也提供偏置)。它将WE维持在与RE相同电势上，并用一个互阻放大器(TIA)将WE的输出电流转换为一个电压。

与很多传感器类似，电化学传感器也有温度依赖性。要获得最佳性能，就要测量元件的温度。要根据该元件的性能-温度图(可在数据表中查到)，对其做适当的温度校准。

传感器、气体类型，以及气体浓度水平都决定着传感器工作极输出的电流大小。为处理这种变化性，要使用可调增益的TIA。可能的电流范围在一到数百微安量级，因此，TIA的增益在一到数百千欧范围就足够了。

不同的传感器需要不同的偏置，有些需要零偏置。要明白这些要求，这样传感器产生的电流才合乎规范。元件测量气体时是氧化反应(CO)亦或还原反应(NO2)，相应地决定了元件是在WE拉入一个电流，还是送出一个电流。在单电源系统下，TIA非反相端的电压应做相应的电平调整，以确保最大增益时不会使放大器输出饱和。例如，TIA产生的输出电压由下式决定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通过反馈电阻进入TIA的电流。如果进入TIA的电流为正(还原反应)，则VOUT相对非反相端的电压将为负值。这个电压应加以提升，以避免输出电压碰到负电源轨。

基本上，电化学元件的重点就是温度校正，以及一个提供电流吸入/供出、电压偏置、电流-电压转换及电平变换的恒电势电路。TI公司的LMP91000是一个可配置的AFE恒电势电路，可以满足这些功能要求。它包含一个完整的恒电势电路，具有拉入和供出电流能力，以及可编程TIA增益、电化学元件偏置及内部零电压。此外，这款传感器AFE还包括了一个集成的温度传感器，采用小型14脚的4mm2封装，因此这款器件的直接定位是对电化学元件的精确温度补偿与改善噪声性能。

并非所有气体都能用电化学元件精确地测量。一种替代方法是采用非色散红外(NDIR)技术，这是一种IR光谱法。IR光谱法的原理是:大多数气体分子都会吸收IR光(吸收发生在某个波长上)。光吸收量与气体浓度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通过样本气体，用一个光滤波器隔离出有用的波长。

通常，会用一个内置滤波器的温差电堆来检测某种气体的量。例如，由于CO2在波长4.26μm处有强吸收，可以用一个带通滤波器，去除这个波长以外的所有光线。除了CO2和乙醇检测以外，NDIR气体传感器也可以用于检测温室气体，以及氟里昂这类制冷剂。

NDIR系统有一个主要问题，即经过一段时间以后，要确定检测器上接收的光线是实际来源于气体吸收，而不是光源的劣化或腔内的污染。在NDIR系统工作开始时可以做校准。但要解决一段时间后光源的劣化和腔内污染问题，就需要不断地做校准。这种校准工作既费钱又费时间，在长期现场运行条件下并不可行。

解决问题的一种方式是在系统中使用一个基准通道。这个基准通道包含一个探测器，用于测量无吸收频段中的光源。现在，由两种发射光量的比率就可以探测出气体的污染，还排除了任何由于光源偏离所带来的误差。由于这种偏离来自于长期的漂移，因此，无需同时对基准通道和活动通道做采样。可以用一个输入复用器，在两个通道之间做切换，从而降低系统成本和复杂性，同时保持了精度。

温差电堆在NDIR系统中被用作一个IR探测器，它根据接收到的入射光量(以瓦为单位)，产生一个电压。所测气体类型、其吸收系数，以及气体浓度区间等都会影响到温差电堆探测器上的入射光量。结果就是温差电堆的输出电压，通常在数十微伏区间。因此，需要设计一些支持电路，能够以不同增益对温差电堆的输出电压做放大。这工作可以交给一只带内置PGA的AFE。要将微小的温差电堆信号放大给系统的满量程ADC使用，获得最大的系统精度，增益设定需要在数百到数千V/V范围内。

NDIR系统设计中的另外一个因素是知道如何处理与温差电堆传感器有关的明显偏移电压。温差电堆预计会有一个比实际信号更大的偏移分量(高达1mV)，它限制了系统的动态范围。尽量减少这问题的一种方法是在系统电路中集成偏移补偿功能。一个方案是采用一只DAC，对所测得偏移做出补偿。系统微控制器可以捕捉到偏移的水平，通过设定ADC，使输出向负电压轨，零标尺点移动，从而消除偏移。这种方案能用到ADC的全部动态范围，从而尽量减少对ADC分辨率的要求。

另外，由于存在温差电堆的偏移电压，因此需要将温差电堆偏置在地以上。可以用一个共模发生器完成这一工作，用它为传感器施加一个共模电压。这种方案会偏移温差电堆传感器的信号电平，使之离开负电压轨，从而在有传感器偏移电压情况下也能做出精确的探测。

同样，NDIR系统需要一个基准通道、可调放大倍率、偏移补偿，以及偏置。LMP91051可配置传感器AFE为NDIR探测应用完成这些工作(图4)。它有一个双通道输入，支持活动通道和基准通道、PGA、可调偏移抑制DAC，以及共模发生器。LMP91051能够将这些重要的NDIR系统块集成到一起，从而减少了设计时间、电路板空间、功率，以及成本。

pH电极用于测量氢离子(H+)的活动，并产生一个电势或电压。pH电极的工作原理是：当两种不同pH值的液体在一个薄玻璃膜两侧相互接触时，就会产生一个电势。这些pH电极采用相同原理，可在各种应用中测量pH值，包括水处理、化学过程、医疗仪器，以及环境测试系统等。

pH电极是一种无源传感器，意味着不需要激励源(电压或电流)。不过，它是一种输出电压可以在基准点上下摆动的双极传感器。因此，在单电源系统中，传感器需要以某个共模电压为基准(通常是电源电压的一半)，以防止摆到大地。

一个pH电极的源阻抗非常高，因为薄玻璃泡有大电阻，通常在10MΩ~1000MΩ范围。这意味着只有高阻抗测量电路才可以监控电极。此外，电路应有低的输入偏移电流，因为即使最小的电流注入高阻电极，也会产生相当大的偏移电压，从而给系统带来测量误差。另外，由于在系统关断时，也可能会从pH电极拉出电流，持续长时间后可能使传感器降级。因此，关键是要保持低的输入偏移电流，即使测量电路并未通电。

pH电极产生的电压输出与待测溶液的pH值呈线性关系。图5和图6中的传递函数与pH范围表明，当溶液的pH升高时，pH测量电极所产生的电压下降。注意，pH电极的灵敏度会随温度而改变。图中的pH电极传递函数显示，灵敏度会随温度而线性地增长。由于这一特性，关键是要了解待测溶液的温度，并对测量作相应补偿。

最后，pH传感器需要一个高阻、低输入偏移电流的接口、共模电压，以及温度补偿能力。用于化学探测的LMP91200传感器AFE就具备了这些功能(图7)。用它的可编程电流源就可以方便地与RTD连接。它的多步温度测量功能消除了温度信号路径中的误差，从而进一步提高了温度测量的精度。该器件的输入偏置电流在25C时只有数十fA量级，从而与高阻pH电极连接时最大限度地减少了误差。最后，当器件关断时，偏置电流只有数百fA，减少了由于拉出电流而带来的电极衰退。

与工业传感器相关的设计挑战包括对激励、增益、温度补偿、偏置抑制、电流-电压转换、高阻接口，以及诊断功能的需求。采用合适的AFE可以提高测量精度，同时降低设计复杂性。