工程师详解为工业传感器应用设计挑战

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。

与许多传感器一样，电气化学传感器具有对温度的依赖性。为了实现最佳性能，需测量这种组件的温度。根据组件的性能与温度的对比曲线图(参见数据表)，进行正确的温度校正。

传感器、气体类型和气体深度水平决定了传感器工作电极输出电流的多少。为了应对这种变化，可使用一个具有可调节增益的TIA。一到数百uA的电流范围是可能的，因此使用一到数百kOhm范围的TIA增益就已足够。

不同的传感器要求不同的偏置，或者一些传感器会要求零偏置。注意这些要求，以便传感器产生电流便可达到规范。组件是否完成被测气体的氧化(CO)或者还原(NO2)反应，决定了组件是否产生WE输入或者输出电流。应对TIA非反相引脚电压进行正确的电平位移，以确保单电源系统中放大器输出不饱和的情况下获得最大增益。例如，TIA产生一个由如下方程式计算得到的输出电压：VOUT = -IIN × RFEEDBACK，其中IIN为流向反馈电阻器TIA的电流。如果进入TIA的该电流为正(还原反应)，则非反相引脚电压时VOUT为负。应升高该电压，以避免输出至负电源。

基本上，电气化学组件中包含温度校正以及一个提供灌电流/拉电流、电压偏置、电流到电压转换以及电平位移的恒电位器是非常重要的。例如，LMP91000(可配置AFE恒电位器)是传感器AFE系列的组成部分，并拥有这些功能(请参见图4)。它包含一个完整的恒电位器电路，拥有灌电流和拉电流功能，以及可编程TIA增益、电气化学单元偏置和内部零电压。另外，这种传感器AFE还包含一个集成温度传感器，并使用小型14引脚、4mm2封装，从而允许直接将该器件放置在电气化学组件下面，以实现精确温度补偿和更高噪声性能。

图4 LMP91000可配置传感器AFE恒电位器

并非所有气体都能用电气化学组件精确地测量。一种备用方法是，使用非分散红外(NDIR)技术。它是一种红外光谱技术。红外光谱技术的原理是，大多数气体分子都吸收红外光(在特定波长下)。吸收光线的多少与气体浓度成比例关系。特别是，NDIR让所有红外光线通过气体采样，然后使用一个光滤波器来隔离所需要的波长。通常，具有内置滤波器的热电堆用于检测具体气体的多少。例如，CO2在4.26 µm波长下具有较强的吸光率，因此使用带通滤波器移除这种波长之外的所有光线。通过与CO2和乙醇检测相结合，NDIR气体传感器还可用于检测温室气体和冷冻剂(例如：氟利昂等)。

NDIR系统存在的一个主要问题是随着时间的推移，如何准确地知道发送给检测器的光线变化是否真的因气体吸收所引起，而不是光源变化或者舱室污染所引起。尽管在NDIR系统工作之初进行校正是可能的，但是为了应对随着时间推移而出现的光源变化和舱室污染问题，要求不断进行校准。这样做成本很高昂、耗费时间，并且在长期现场运行过程中也不可行。解决这个问题的一个方法是，在你的系统中使用一条基准通道。该基准通道包含一个检测器，在没有光线吸收的范围内测量光源。现在，气体浓度由两个发送光量之比来决定。光源偏差引起的任何误差现在都被抵消。这种偏差导致长期漂移，其出现在较大的时间段内。因此，无需同时对基准和有源通道进行采样。你可以使用一个输入多路复用器(MUX)来在两条通道之间切换，从而降低系统成本和复杂程度，并同时维持精确度。

在NDIR系统中用作红外检测器的热电堆根据其接收的入射光多少(单位为瓦特)来产生电压。被测气体类型、其吸光系数和气体浓度范围都影响热电堆检测器的入射光线量。它产生热电堆输出电压(范围通常为数十µV)。因此，你需要设计出具有使用不同增益放大热电堆输出电压功能的电子支持组件。可以通过一个含内置PGA的模拟前端(AFE)来处理这种情况。要求使用数百到数千V/V范围的增益设置，来把小热电堆信号放大到系统全刻度模数转换器(ADC)，从而实现最大系统精确度。

NDIR系统设计的另一个因素是知道如何处理热电堆传感器相关的显著偏移电压。热电堆会有一个大于实际信号的偏移分量(高达1mV)，其限制了系统的动态范围。把这种问题降至最小程度的一种方法是，在系统的电子组件中集成偏移补偿。一种解决方案是，使用一个数模转换器(DAC)对被测偏移进行补偿。系统微控制器(µC)可以捕获偏移水平，并通过对DAC编程让输出趋向负轨即零刻度来消除这种偏移。这种解决方案利用ADC的全部动态范围，最小化了ADC分辨率要求。

另外，由于存在热电堆偏移电压，需要把热电堆偏置至接地以上。你可以通过利用一个共模生成器，向传感器施加一个共模电压，完成这项工作。这样可以把热电堆传感器信号电平位移至负轨以外，从而允许精确地检测传感器偏移电压的存在。

另外，NDIR系统需要一个基准通道、可调节放大、偏移补偿和偏置。LMP91051可以满足这些要求，它是NDIR检测应用的可配置传感器AFE(请参见图5)。它拥有一个双通道输入，可支持有源基准通道、PGA、可调节偏移抵消DAC以及共模生成器。LMP91051集成了这些重要的NDIR系统模块，降低了设计时间，并减少了板级空间占用、功耗和成本。

图5 用于NDIR检测的LMP91051可配置传感器AFE

一个pH电极测量氢离子(H+)活跃性，并产生一个电位，即电压。pH电极的工作原理是：pH值不同的两种液体在薄玻璃隔膜的两边接触时形成电位。这些pH电极利用相同的原理来测量各种应用的pH值，包括水处理、化学处理、医学仪器和环境测试系统等。

pH电极是一种无源传感器，其意味着无需激励源(电压或者电流)。但是，它是一种双极传感器，它的输出可以围绕基准点上下摆动。因此，在一个单电源系统中，传感器需要参考共模电压(通常为半电源)，以防止其轨接地。

由于薄玻璃壳具有很大的电阻(范围通常为10 MOhm到1000 MOhm)，因此pH电极的源阻抗非常高。这意味着，只能通过一个高阻抗测量电路来监测电极。另外，该电路应具有低输入偏置电流，因为即使注入高阻抗电极的电流极小，也会形成明显的偏移电压，并给系统带来测量误差。另外，即使系统关闭，随着时间的推移，pH电极所吸的电流也可能会使传感器老化。因此，即使在未向测量电路供电时，也应维持低输入偏置电流，这一点很重要。

pH电极产生的电压输出线性依赖于解决方案的被测pH。图6和图7所示传输函数和pH刻度表明，当解决方案的pH增加时，pH测量电极产生的电压降低。注意，pH电极的灵敏度随温度而变化。观察pH电极传输函数曲线，我们可以看到，灵敏度随温度上升而线性上升。由于这种特性的存在，了解解决方案的被测温度，并对测量进行相应的补偿至关重要。

图6 pH电极传输函数

图7 pH刻度

最后，pH传感器要求高阻抗、低输入偏置电流接口、共模电压和温度补偿功能。用于化学检测的LMP91200传感器AFE可以满足以上要求(请参见图8)。通过其可编程电流源，你可以轻松地连接RTD。利用多级温度测量功能，消除了温度信号路径的误差，从而进一步增强了温度测量精确度。25°C下时，这种器件的输入偏置电流范围仅为数十fA，最小化了连接高阻抗pH电极时的误差。最终，器件关闭时偏置电流仅为数百fA，从而把长时间电流消耗带来的电极老化降至最低。

图8 用于化学检测的LMP91200可配置传感器AFE

我们讨论了一些与工业传感器相关的最为普遍的设计挑战。这些挑战包括激发、增益、温度补偿、偏移抵消、电流到电压转换、高阻抗接口和诊断电路等。使用一个正确的AFE，可在降低设计复杂程度的同时提高测量精确度。

市场上，有许多可配置和易用型传感器AFE供我们选择。在TI，这些器件与在线设计工具“WEBENCH Sensor AFE Designer”结合使用。这种设计工具让广大系统设计人员可以开发出高性能的集成传感器系统，并同时缩短产品上市时间。