工業(yè)傳感器實用指南

傳感器可測量各種參數(shù)，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，各種類型的傳感器都有一組自己獨有的特性，從而帶來了一系列復雜的設(shè)計挑戰(zhàn)。

工業(yè)處理中最常見的測量項之一就是溫度。溫度測量可以采用各種類型的傳感器，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，系統(tǒng)設(shè)計者通常會選擇熱電偶。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：如果兩個相異的金屬被放在一起，則產(chǎn)生的電壓與結(jié)上的溫度成正比。熱電偶是雙極器件，它會根據(jù)檢測結(jié)(或“熱”結(jié))溫度與參考結(jié)(或“冷”結(jié))溫度的相對關(guān)系，產(chǎn)生一個正的或負的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個偏壓，這樣在單電源系統(tǒng)中都不會受限于地電勢。然后，測量冷結(jié)的溫度，就獲得了要測的溫度。熱電偶有一個缺點，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(tǒng)在一個較小范圍內(nèi)(例如660℃)需要更高的精度，則設(shè)計者可以用RTD來實現(xiàn)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、三線和四線結(jié)構(gòu)。增加線數(shù)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100Ω)和PT1000RTD(0℃時1000Ω)。

當精度要求提高到±0.1℃時，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時可以用熱敏電阻。與RTD類似，熱敏電阻的電阻值也是隨溫度而變化。熱敏電阻通常會接成一個電阻分壓器結(jié)構(gòu)，其中另一只電阻與熱敏電阻有相同的標稱值(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，測的是分壓器中點的電壓。可以預計，在25℃時的電阻為+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)。對于熱電偶來說，需要做冷結(jié)補償。德州儀器公司的LMP90100是一款24位傳感器模擬前端(AFE)，它有四個差分或七個單端輸入、兩個匹配的可編程電流源，以及連續(xù)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(shè)計挑戰(zhàn)。

采用Wheatstone橋電路的應變計與稱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，都會產(chǎn)生一個電阻變化，從而在傳感器輸出端出現(xiàn)一個電壓差變化(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，必須將這個小電壓放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個動態(tài)范圍內(nèi)。可編程增益放大器(PGA)級可以與多個傳感器相連接，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(tǒng)性能。

這些類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的不正確測量法，即橋在開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間降級所導致的量程外信號。有一種方法能發(fā)現(xiàn)所有這些故障模式，就是加一個診斷電路。這種電路會在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)中注入一個小電流，有時也稱為“耗盡”(burnout)電流，然后再測量所獲得的電壓。