工業(yè)傳感器實(shí)用指南

傳感器可測量各種參數，如壓力、溫度、有毒氣體pH值等，它們應用廣泛，使工業(yè)處理更安全、更高效，成本也更低。不過(guò)，各種類(lèi)型的傳感器都有一組自己獨有的特性，從而帶來(lái)了一系列復雜的設計挑戰。

工業(yè)處理中最常見(jiàn)的測量項之一就是溫度。溫度測量可以采用各種類(lèi)型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測器，以及熱敏電阻等。

要測量最大范圍的溫度時(shí)，系統設計者通常會(huì )選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測量溫度范圍達0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應，即：如果兩個(gè)相異的金屬被放在一起，則產(chǎn)生的電壓與結上的溫度成正比。熱電偶是雙極器件，它會(huì )根據檢測結(或“熱”結)溫度與參考結(或“冷”結)溫度的相對關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)正的或負的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個(gè)偏壓，這樣在單電源系統中都不會(huì )受限于地電勢。然后，測量冷結的溫度，就獲得了要測的溫度。熱電偶有一個(gè)缺點(diǎn)，與其它溫度傳感器相比，它的精度有限，通常不到±1℃。

如果系統在一個(gè)較小范圍內(例如660℃)需要更高的精度，則設計者可以用RTD來(lái)實(shí)現這種測量，它的精度可達±1℃以下。RTD是阻性元件，電阻值取決于其周邊的溫度。它們有雙線(xiàn)、三線(xiàn)和四線(xiàn)結構。增加線(xiàn)數就可以增加精度。RTD需要一種電流源形式的激勵。電流源的值通常為100μA~1mA，用于PT100(0℃時(shí)100Ω)和PT1000RTD(0℃時(shí)1000Ω)。

當精度要求提高到±0.1℃時(shí)，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時(shí)可以用熱敏電阻。與RTD類(lèi)似，熱敏電阻的電阻值也是隨溫度而變化。熱敏電阻通常會(huì )接成一個(gè)電阻分壓器結構，其中另一只電阻與熱敏電阻有相同的標稱(chēng)值(25℃室溫下的阻值)。熱敏電阻的一端接至電源，另一端接另一只電阻，然后接地(圖1)。探測溫度時(shí)，測的是分壓器中點(diǎn)的電壓?？梢灶A計，在25℃時(shí)的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計算出熱敏電阻的阻值，并用一個(gè)查找表確定出被測的環(huán)境溫度。

總之，溫度傳感器都需要偏置(可以是電壓或電流)。對于熱電偶來(lái)說(shuō)，需要做冷結補償。德州儀器公司的LMP90100是一款24位傳感器模擬前端(AFE)，它有四個(gè)差分或七個(gè)單端輸入、兩個(gè)匹配的可編程電流源，以及連續后臺校準功能(圖2)。這款集成的可配置芯片可解決各種與溫度傳感器有關(guān)的設計挑戰。

采用Wheatstone橋電路的應變計與稱(chēng)重傳感器常用于測量壓力、力與重量。元件被施加任何應力或壓力后，都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電阻變化，從而在傳感器輸出端出現一個(gè)電壓差變化(圖3)。這些傳感器產(chǎn)生的電壓很低，通常在毫伏范圍。要獲得最精確的測量，必須將這個(gè)小電壓放大到數據轉換器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內?？删幊淘鲆娣糯笃?PGA)級可以與多個(gè)傳感器相連接，有最好的靈活性。這一級應有低噪聲、低偏移、低漂移的特性，以確保最佳的系統性能。

這些類(lèi)型的傳感器還需要一種偏置電壓形式的激勵。壓力傳感器有一種常見(jiàn)的不正確測量法，即橋在開(kāi)路或短路情況下做測量。更難以探測的是因傳感器損壞或隨時(shí)間降級所導致的量程外信號。有一種方法能發(fā)現所有這些故障模式，就是加一個(gè)診斷電路。這種電路會(huì )在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡(luò )中注入一個(gè)小電流，有時(shí)也稱(chēng)為“耗盡”(burnout)電流，然后再測量所獲得的電壓。