為什么工業(yè)傳感器會(huì )出錯？
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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。它的連續本底傳感器診斷電路可檢測開(kāi)路、短路和出界信號。在通道完成轉換以后，通過(guò)向其注入“燒斷”電流，避免燒斷電流注入，影響該通道的轉換結果產(chǎn)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(shí)間。
電氣化學(xué)組件通常用于測量各種有毒和無(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)生與被測氣體成比例的電流。大多數組件均由三個(gè)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(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。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的輸出電流轉換為電壓。
與許多傳感器一樣，電氣化學(xué)傳感器具有對溫度的依賴(lài)性。為了實(shí)現最佳性能，需測量這種組件的溫度。根據組件的性能與溫度的對比曲線(xiàn)圖(參見(jiàn)數據表)，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。為了應對這種變化，可使用一個(gè)具有可調節增益的TIA。一到數百u(mài)A的電流范圍是可能的，因此使用一到數百kΩ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)生電流便可達到規范。組件是否完成被測氣體的氧化(CO)或者還原(NO2)反應，決定了組件是否產(chǎn)生WE輸入或者輸出電流。應對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)，則非反相引腳電壓時(shí)VOUT為負。應升高該電壓，以避免輸出至負電源。
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)現精確溫度補償和更高噪聲性能。
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，大多數氣體分子都吸收紅外光(在特定波長(cháng)下)。吸收光線(xiàn)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(xiàn)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(cháng)。通常，具有內置濾波器的熱電堆用于檢測具體氣體的多少。例如，CO2在4.26μm波長(cháng)下具有較強的吸光率，因此使用帶通濾波器移除這種波長(cháng)之外的所有光線(xiàn)。通過(guò)與CO2和乙醇檢測相結合，NDIR氣體傳感器還可用于檢測溫室氣體和冷凍劑(例如：氟利昂等)。
NDIR系統存在的一個(gè)主要問(wèn)題是隨著(zhù)時(shí)間的推移，如何準確地知道發(fā)送給檢測器的光線(xiàn)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系統工作之初進(jìn)行校正是可能的，但是為了應對隨著(zhù)時(shí)間推移而出現的光源變化和艙室污染問(wèn)題，要求不斷進(jìn)行校準。這樣做成本很高昂、耗費時(shí)間，并且在長(cháng)期現場(chǎng)運行過(guò)程中也不可行。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是，在你的系統中使用一條基準通道。該基準通道包含一個(gè)檢測器，在沒(méi)有光線(xiàn)吸收的范圍內測量光源?，F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在都被抵消。這種偏差導致長(cháng)期漂移，其出現在較大的時(shí)間段內。因此，無(wú)需同時(shí)對基準和有源通道進(jìn)行采樣。你可以使用一個(gè)輸入多路復用器(MUX)來(lái)在兩條通道之間切換，從而降低系統成本和復雜程度，并同時(shí)維持精確度。
在NDIR系統中用作紅外檢測器的熱電堆根據其接收的入射光多少(單位為瓦特)來(lái)產(chǎn)生電壓。被測氣體類(lèi)型、其吸光系數和氣體濃度范圍都影響熱電堆檢測器的入射光線(xiàn)量。它產(chǎn)生熱電堆輸出電壓(范圍通常為數十μV)。因此，你需要設計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)含內置PGA的模擬前端(AFE)來(lái)處理這種情況。要求使用數百到數千V/V范圍的增益設置，來(lái)把小熱電堆信號放大到系統全刻度模數轉換器(ADC)，從而實(shí)現最大系統精確度。
NDIR系統設計的另一個(gè)因素是知道如何處理熱電堆傳感器相關(guān)的顯著(zhù)偏移電壓。熱電堆會(huì )有一個(gè)大于實(shí)際信號的偏移分量(高達1mV)，其限制了系統的動(dòng)態(tài)范圍。把這種問(wèn)題降至最小程度的一種方法是，在系統的電子組件中集成偏移補償。一種解決方案是，使用一個(gè)數模轉換器(DAC)對被測偏移進(jìn)行補償。系統微控制器(μC)可以捕獲偏移水平，并通過(guò)對DAC編程讓輸出趨向負軌即零刻度來(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，完成這項工作。這樣可以把熱電堆傳感器信號電平位移至負軌以外，從而允許精確地檢測傳感器偏移電壓的存在。
另外，NDIR系統需要一個(gè)基準通道、可調節放大、偏移補償和偏置。LMP91051可以滿(mǎn)足這些要求，它是NDIR檢測應用的可配置傳感器AFE(請參見(jiàn)圖5)。它擁有一個(gè)雙通道輸入，可支持有源基準通道、PGA、可調節偏移抵消DAC以及共模生成器。LMP91051集成了這些重要的NDIR系統模塊，降低了設計時(shí)間，并減少了板級空間占用、功耗和成本。
圖5：用于NDIR檢測的LMP91051可配置傳感器AFE
一個(gè)pH電極測量氫離子(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)測量各種應用的pH值，包括水處理、化學(xué)處理、醫學(xué)儀器和環(huán)境測試系統等。
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