工程师解读：为什么工业传感器会出错？

　　在当今的工业自动化与过程控制应用中，有大量的传感器，对许多过程参数进行测量，例如：压力、温度、有毒气体和pH值等。这些传感器让工业处理变得更安全、更高效和更低成本。但是，每种传感器类型都有自己独有的特性，从而带来许多复杂的设计挑战。通过连接这些传感器来获得真实、精确的测量结果，是最为重要的一项工作。本文中，我们将为你介绍这些传感器类型，说明它们带来的挑战，并介绍开发精确测量系统所需要的一些解决方案。

　　工业过程中最为普遍的测量参数之一便是温度。我们可以通过包括热电偶、电阻温度检测器（RTD）和电热调节器等在内的许多传感器对温度进行测量。为了对最大温度范围进行测量，系统设计人员通常使用热电偶。

　　例如，一个C型热电偶拥有0到2320°C的测量温度范围。热电偶工作原理是基于Seebeeck效应的：如果将两个不同金属放置在一起，则产生一个与结温成比例关系的电压。热电偶为双极性器件，其根据检测情况（相对于基准值“热”结温或者“冷”结温）产生一个正或者负电压。首先，需要一个热电偶偏置，因此它在一个单电源系统中不会背离接地。其次，对冷结温进行测量，以获得被测温度值。我们可以使用如LM94022等IC温度传感器测量冷结温。相比其它温度传感器，热电偶的一个缺点是精确度有限，通常低于±1°C。

　　如果在某个低温度范围（例如：660°C以下），系统要求更高的精确度，则设计人员可使用RTD来实现这种测量，其精确度可达±1°C以下。RTD为一些电阻式组件，其电阻取决于它们所处环境的温度。它使用二、三及四线配置。线数增加，精确度也增加。RTD要求电流源形式的激励。电流源值通常为100 µA到1 mA，以处理PT100 （0°C，100 Ohm）和PT1000 RTDs （0°C，1000 Ohm）。

　　为了实现高达±0.1°C的精确度，甚至可以使用更小温度范围（100°C以下）的电热调节器。与RTD一样，电热调节器的电阻也随温度而变化。电热调节器通常连接在一个电阻分压器配置中，其中，分压器的另一个电阻器值与电热调节器的额定值（25°C室温下的值）相同。该电热调节器的一端连接至电源电压，而另一端则连接至另一个电阻器，其反过来接地（请参见图1）。为了获得温度，需对分压器中间点的电压进行测量。你可得到25°C下为+V/2。当与该值有所偏差时，你可以计算电热调节器的电阻，并利用检查表确定被测环境温度。

　　图1 电热调节器电路

　　总之，温度传感器需要偏置（电压或者电流）。使用热电偶时，需要冷结温补偿。TI 拥有一整套解决方案，可以满足这些要求。LMP90100是一种24位传感器AFE系统，拥有四个差动输入或者七个单端输入，两个匹配可编程电流源，以及连续本底校准（请参见图2）。LMP90100是一款集成可配置芯片，是克服各种温度传感器相关设计挑战的理想选择。

　　图2 LMP90100 24位可配置传感器AFE系统

　　使用惠斯通桥接电路的应变仪和测力传感器是测量压力、力和重力的普遍实现方式。对这种仪器施加的任何应变或者应力，都会引起传感器输出的电阻变化并导致电压差变化（请参见图3）。这些传感器所产生的电压很低，通常为mV级别。为了实现最高精确度测量，需把这种小电压范围放大到数据转换器的全动态范围。为了实现与多个传感器连接并带来最佳灵活性，需使用一个可编程增益放大器（PGA）级。该级应为低噪、低偏差和低偏差漂移，以确保最佳系统性能。

　　这些传感器还要求偏压形式的激励。一种常见的压力传感器故障类型是电桥开路或者短路带来的测量错误。随着时间的流逝，传感器损坏或者老化所引起的出界信号更加难以检测。捕获所有这些故障种类的一种方法是集成一个诊断电路。这种电路向惠斯通桥接的电阻梯形电路注入一个小电流（有时被称作“烧断”电流），然后测量所产生的电压。例如，电桥输出为相同电位（V+/2），则原因是应变仪没有压力吗？或者因为系统故障导致输出短路吗？通过向差动输出之一注入电流，然后测量输出之间的差动电压，可以得到答案。在正常工作下，差动电压为电桥电阻器的压降。但是，如果存在实际短路，则压降就会很少或者没有。

　　图3 惠斯通桥接电路

　　简言而之，惠斯通桥接传感器要求有激发电压、低噪/偏移PGA和诊断电路。LMP90100也可与这些传感器进行非常好的匹配。它的连续本底传感器诊断电路可检测开路、短路和出界信号。在通道完成转换以后，通过向其注入“烧断”电流，避免烧断电流注入，影响该通道的转换结果产生。诊断电路提供连续非侵害故障检测，帮助分析根本原因，并最小化系统停机时间。

　　电气化学组件通常用于测量各种有毒和无毒气体，例如：一氧化碳、氧气和氢气。它们基于化学氧化与化学还原的主要方法，并产生与被测气体成比例的电流。大多数组件均由三个电极组成：工作极（WE）、计数器极（CE）和基准极（RE）。WE氧化或者还原目标气体，然后产生一个与气体浓度成比例关系的电流。CE平衡所产生的电流，而RE则维持工作电极电位以保证正确的工作区。电气化学组件往往连接恒电位器电路。这种恒电位器电路向CE提供电流（并在要求时偏置）。它让WE保持与RE相同的电位，并使用一个跨阻抗放大器（TIA）把WE的输出电流转换为电压。