工業(yè)傳感器實(shí)用指南

舉例來(lái)說(shuō)，如果橋的輸出為相同電勢(+V/2)，是表明測量計上沒(méi)有壓力嗎?還是因為系統中有一個(gè)故障，使輸出短路了?向其中一個(gè)差分輸出注入電流，然后測量輸出端之間的差分電壓，就可以解答這個(gè)問(wèn)題。正常工作情況下，差分電壓是橋內電阻上的壓降。但是，如果確實(shí)存在著(zhù)短路，則壓降很小或幾乎沒(méi)有壓降。

簡(jiǎn)言之，Wheatstone橋傳感器需要：一個(gè)激勵電壓、一個(gè)低噪聲/偏移的PGA，以及診斷電路。LMP90100也非常適合用于這些類(lèi)型的傳感器。它對傳感器做持續的后臺傳感器診斷，能夠探測出開(kāi)路、短路，以及超量程的信號。它采用在轉換后再向某個(gè)通道內注入耗盡電流的方法，可以避免注入的耗盡電流干擾該通道的轉換結果。診斷電路提供了連續的非侵入性故障檢測，協(xié)助分析出故障的原因，并最大程度減少系統停機時(shí)間。

電化學(xué)元件通常廣泛用于有毒和無(wú)毒氣體的測量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測量原理是化學(xué)氧化與還原，并產(chǎn)生一個(gè)與被測氣體成正比的電流。大多數元件都有三個(gè)電極：工作極(WE)、計數極(CE)與參考極(RE)。WE極對目標氣體做氧化或還原，產(chǎn)生一個(gè)與氣體濃度成正比的電流。CE對所產(chǎn)生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢，以確保正確的工作區間。電化學(xué)元件會(huì )連接到一個(gè)恒電勢電路。這個(gè)恒電勢電路為CE提供電流(如有必要，也提供偏置)。它將WE維持在與RE相同電勢上，并用一個(gè)互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉換為一個(gè)電壓。

與很多傳感器類(lèi)似，電化學(xué)傳感器也有溫度依賴(lài)性。要獲得最佳性能，就要測量元件的溫度。要根據該元件的性能-溫度圖(可在數據表中查到)，對其做適當的溫度校準。

傳感器、氣體類(lèi)型，以及氣體濃度水平都決定著(zhù)傳感器工作極輸出的電流大小。為處理這種變化性，要使用可調增益的TIA?？赡艿碾娏鞣秶谝坏綌蛋傥擦考?，因此，TIA的增益在一到數百千歐范圍就足夠了。

不同的傳感器需要不同的偏置，有些需要零偏置。要明白這些要求，這樣傳感器產(chǎn)生的電流才合乎規范。元件測量氣體時(shí)是氧化反應(CO)亦或還原反應(NO2)，相應地決定了元件是在WE拉入一個(gè)電流，還是送出一個(gè)電流。在單電源系統下，TIA非反相端的電壓應做相應的電平調整，以確保最大增益時(shí)不會(huì )使放大器輸出飽和。例如，TIA產(chǎn)生的輸出電壓由下式?jīng)Q定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通過(guò)反饋電阻進(jìn)入TIA的電流。如果進(jìn)入TIA的電流為正(還原反應)，則VOUT相對非反相端的電壓將為負值。這個(gè)電壓應加以提升，以避免輸出電壓碰到負電源軌。

基本上，電化學(xué)元件的重點(diǎn)就是溫度校正，以及一個(gè)提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉換及電平變換的恒電勢電路。TI公司的LMP91000是一個(gè)可配置的AFE恒電勢電路，可以滿(mǎn)足這些功能要求。它包含一個(gè)完整的恒電勢電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學(xué)元件偏置及內部零電壓。此外，這款傳感器AFE還包括了一個(gè)集成的溫度傳感器，采用小型14腳的4mm2封裝，因此這款器件的直接定位是對電化學(xué)元件的精確溫度補償與改善噪聲性能。

并非所有氣體都能用電化學(xué)元件精確地測量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術(shù)，這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數氣體分子都會(huì )吸收IR光(吸收發(fā)生在某個(gè)波長(cháng)上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通過(guò)樣本氣體，用一個(gè)光濾波器隔離出有用的波長(cháng)。

通常，會(huì )用一個(gè)內置濾波器的溫差電堆來(lái)檢測某種氣體的量。例如，由于CO2在波長(cháng)4.26μm處有強吸收，可以用一個(gè)帶通濾波器，去除這個(gè)波長(cháng)以外的所有光線(xiàn)。除了CO2和乙醇檢測以外，NDIR氣體傳感器也可以用于檢測溫室氣體，以及氟里昂這類(lèi)制冷劑。

NDIR系統有一個(gè)主要問(wèn)題，即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，要確定檢測器上接收的光線(xiàn)是實(shí)際來(lái)源于氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內的污染。在NDIR系統工作開(kāi)始時(shí)可以做校準。但要解決一段時(shí)間后光源的劣化和腔內污染問(wèn)題，就需要不斷地做校準。這種校準工作既費錢(qián)又費時(shí)間，在長(cháng)期現場(chǎng)運行條件下并不可行。

解決問(wèn)題的一種方式是在系統中使用一個(gè)基準通道。這個(gè)基準通道包含一個(gè)探測器，用于測量無(wú)吸收頻段中的光源?，F在，由兩種發(fā)射光量的比率就可以探測出氣體的污染，還排除了任何由于光源偏離所帶來(lái)的誤差。由于這種偏離來(lái)自于長(cháng)期的漂移，因此，無(wú)需同時(shí)對基準通道和活動(dòng)通道做采樣?？梢杂靡粋€(gè)輸入復用器，在兩個(gè)通道之間做切換，從而降低系統成本和復雜性，同時(shí)保持了精度。

溫差電堆在NDIR系統中被用作一個(gè)IR探測器，它根據接收到的入射光量(以瓦為單位)，產(chǎn)生一個(gè)電壓。所測氣體類(lèi)型、其吸收系數，以及氣體濃度區間等都會(huì )影響到溫差電堆探測器上的入射光量。結果就是溫差電堆的輸出電壓，通常在數十微伏區間。因此，需要設計一些支持電路，能夠以不同增益對溫差電堆的輸出電壓做放大。這工作可以交給一只帶內置PGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號放大給系統的滿(mǎn)量程ADC使用，獲得最大的系統精度，增益設定需要在數百到數千V/V范圍內。

NDIR系統設計中的另外一個(gè)因素是知道如何處理與溫差電堆傳感器有關(guān)的明顯偏移電壓。溫差電堆預計會(huì )有一個(gè)比實(shí)際信號更大的偏移分量(高達1mV)，它限制了系統的動(dòng)態(tài)范圍。盡量減少這問(wèn)題的一種方法是在系統電路中集成偏移補償功能。一個(gè)方案是采用一只DAC，對所測得偏移做出補償。系統微控制器可以捕捉到偏移的水平，通過(guò)設定ADC，使輸出向負電壓軌，零標尺點(diǎn)移動(dòng)，從而消除偏移。這種方案能用到ADC的全部動(dòng)態(tài)范圍，從而盡量減少對ADC分辨率的要求。

另外，由于存在溫差電堆的偏移電壓，因此需要將溫差電堆偏置在地以上?？梢杂靡粋€(gè)共模發(fā)生器完成這一工作，用它為傳感器施加一個(gè)共模電壓。這種方案會(huì )偏移溫差電堆傳感器的信號電平，使之離開(kāi)負電壓軌，從而在有傳感器偏移電壓情況下也能做出精確的探測。

同樣，NDIR系統需要一個(gè)基準通道、可調放大倍率、偏移補償，以及偏置。LMP91051可配置傳感器AFE為NDIR探測應用完成這些工作(圖4)。它有一個(gè)雙通道輸入，支持活動(dòng)通道和基準通道、PGA、可調偏移抑制DAC，以及共模發(fā)生器。LMP91051能夠將這些重要的NDIR系統塊集成到一起，從而減少了設計時(shí)間、電路板空間、功率，以及成本。

pH電極用于測量氫離子(H+)的活動(dòng)，并產(chǎn)生一個(gè)電勢或電壓。pH電極的工作原理是：當兩種不同pH值的液體在一個(gè)薄玻璃膜兩側相互接觸時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電勢。這些pH電極采用相同原理，可在各種應用中測量pH值，包括水處理、化學(xué)過(guò)程、醫療儀器，以及環(huán)境測試系統等。

pH電極是一種無(wú)源傳感器，意味著(zhù)不需要激勵源(電壓或電流)。不過(guò)，它是一種輸出電壓可以在基準點(diǎn)上下擺動(dòng)的雙極傳感器。因此，在單電源系統中，傳感器需要以某個(gè)共模電壓為基準(通常是電源電壓的一半)，以防止擺到大地。

一個(gè)pH電極的源阻抗非常高，因為薄玻璃泡有大電阻，通常在10MΩ~1000MΩ范圍。這意味著(zhù)只有高阻抗測量電路才可以監控電極。此外，電路應有低的輸入偏移電流，因為即使最小的電流注入高阻電極，也會(huì )產(chǎn)生相當大的偏移電壓，從而給系統帶來(lái)測量誤差。另外，由于在系統關(guān)斷時(shí)，也可能會(huì )從pH電極拉出電流，持續長(cháng)時(shí)間后可能使傳感器降級。因此，關(guān)鍵是要保持低的輸入偏移電流，即使測量電路并未通電。