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(shì)(+V/2)，是表明測(cè)量計(jì)上沒有壓力嗎?還是因?yàn)橄到y(tǒng)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(cè)量輸出端之間的差分電壓，就可以解答這個(gè)問題。正常工作情況下，差分電壓是橋內(nèi)電阻上的壓降。但是，如果確實(shí)存在著短路，則壓降很小或幾乎沒有壓降。

簡(jiǎn)言之，Wheatstone橋傳感器需要：一個(gè)激勵(lì)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型的傳感器。它對(duì)傳感器做持續(xù)的后臺(tái)傳感器診斷，能夠探測(cè)出開路、短路，以及超量程的信號(hào)。它采用在轉(zhuǎn)換后再向某個(gè)通道內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果。診斷電路提供了連續(xù)的非侵入性故障檢測(cè)，協(xié)助分析出故障的原因，并最大程度減少系統(tǒng)停機(jī)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(cè)量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測(cè)量原理是化學(xué)氧化與還原，并產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)氣體成正比的電流。大多數(shù)元件都有三個(gè)電極：工作極(WE)、計(jì)數(shù)極(CE)與參考極(RE)。WE極對(duì)目標(biāo)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(duì)所產(chǎn)生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢(shì)，以確保正確的工作區(qū)間。電化學(xué)元件會(huì)連接到一個(gè)恒電勢(shì)電路。這個(gè)恒電勢(shì)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(shì)上，并用一個(gè)互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。

與很多傳感器類似，電化學(xué)傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能，就要測(cè)量元件的溫度。要根據(jù)該元件的性能-溫度圖(可在數(shù)據(jù)表中查到)，對(duì)其做適當(dāng)?shù)臏囟刃?zhǔn)。

傳感器、氣體類型，以及氣體濃度水平都決定著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(diào)增益的TIA。可能的電流范圍在一到數(shù)百微安量級(jí)，因此，TIA的增益在一到數(shù)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(guī)范。元件測(cè)量氣體時(shí)是氧化反應(yīng)(CO)亦或還原反應(yīng)(NO2)，相應(yīng)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(tǒng)下，TIA非反相端的電壓應(yīng)做相應(yīng)的電平調(diào)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(yīng))，則VOUT相對(duì)非反相端的電壓將為負(fù)值。這個(gè)電壓應(yīng)加以提升，以避免輸出電壓碰到負(fù)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(zhuǎn)換及電平變換的恒電勢(shì)電路。TI公司的LMP91000是一個(gè)可配置的AFE恒電勢(shì)電路，可以滿足這些功能要求。它包含一個(gè)完整的恒電勢(shì)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(nèi)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(duì)電化學(xué)元件的精確溫度補(bǔ)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(cè)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(shù)氣體分子都會(huì)吸收IR光(吸收發(fā)生在某個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)。

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

NDIR系統(tǒng)有一個(gè)主要問題，即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，要確定檢測(cè)器上接收的光線是實(shí)際來(lái)源于氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內(nèi)的污染。在NDIR系統(tǒng)工作開始時(shí)可以做校準(zhǔn)。但要解決一段時(shí)間后光源的劣化和腔內(nèi)污染問題，就需要不斷地做校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)工作既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)間，在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下并不可行。

解決問題的一種方式是在系統(tǒng)中使用一個(gè)基準(zhǔn)通道。這個(gè)基準(zhǔn)通道包含一個(gè)探測(cè)器，用于測(cè)量無(wú)吸收頻段中的光源。現(xiàn)在，由兩種發(fā)射光量的比率就可以探測(cè)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(zhǎng)期的漂移，因此，無(wú)需同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)通道和活動(dòng)通道做采樣。可以用一個(gè)輸入復(fù)用器，在兩個(gè)通道之間做切換，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，同時(shí)保持了精度。

溫差電堆在NDIR系統(tǒng)中被用作一個(gè)IR探測(cè)器，它根據(jù)接收到的入射光量(以瓦為單位)，產(chǎn)生一個(gè)電壓。所測(cè)氣體類型、其吸收系數(shù)，以及氣體濃度區(qū)間等都會(huì)影響到溫差電堆探測(cè)器上的入射光量。結(jié)果就是溫差電堆的輸出電壓，通常在數(shù)十微伏區(qū)間。因此，需要設(shè)計(jì)一些支持電路，能夠以不同增益對(duì)溫差電堆的輸出電壓做放大。這工作可以交給一只帶內(nèi)置PGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號(hào)放大給系統(tǒng)的滿量程ADC使用，獲得最大的系統(tǒng)精度，增益設(shè)定需要在數(shù)百到數(shù)千V/V范圍內(nèi)。

NDIR系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yù)計(jì)會(huì)有一個(gè)比實(shí)際信號(hào)更大的偏移分量(高達(dá)1mV)，它限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。盡量減少這問題的一種方法是在系統(tǒng)電路中集成偏移補(bǔ)償功能。一個(gè)方案是采用一只DAC，對(duì)所測(cè)得偏移做出補(bǔ)償。系統(tǒng)微控制器可以捕捉到偏移的水平，通過(guò)設(shè)定ADC，使輸出向負(fù)電壓軌，零標(biāo)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(duì)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。可以用一個(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(hào)電平，使之離開負(fù)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(cè)。

同樣，NDIR系統(tǒng)需要一個(gè)基準(zhǔn)通道、可調(diào)放大倍率、偏移補(bǔ)償，以及偏置。LMP91051可配置傳感器AFE為NDIR探測(cè)應(yīng)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(zhǔn)通道、PGA、可調(diào)偏移抑制DAC，以及共模發(fā)生器。LMP91051能夠?qū)⑦@些重要的NDIR系統(tǒng)塊集成到一起，從而減少了設(shè)計(jì)時(shí)間、電路板空間、功率，以及成本。

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

pH電極是一種無(wú)源傳感器，意味著不需要激勵(lì)源(電壓或電流)。不過(guò)，它是一種輸出電壓可以在基準(zhǔn)點(diǎn)上下擺動(dòng)的雙極傳感器。因此，在單電源系統(tǒng)中，傳感器需要以某個(gè)共模電壓為基準(zhǔn)(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?yàn)楸〔Ａ萦写箅娮瑁ǔＴ?0MΩ~1000MΩ范圍。這意味著只有高阻抗測(cè)量電路才可以監(jiān)控電極。此外，電路應(yīng)有低的輸入偏移電流，因?yàn)榧词棺钚〉碾娏髯⑷敫咦桦姌O，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的偏移電壓，從而給系統(tǒng)帶來(lái)測(cè)量誤差。另外，由于在系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)，也可能會(huì)從pH電極拉出電流，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間后可能使傳感器降級(jí)。因此，關(guān)鍵是要保持低的輸入偏移電流，即使測(cè)量電路并未通電。