為什么工業傳感器會出錯？
2015-09-25
在當今的工業自動化與過程控制應用中，有大量的傳感器，對許多過程參數進行測量，例如：壓力、溫度、有毒氣體和pH值等。這些傳感器讓工業處理變得更安全、更高效和成本更低。但是，每種傳感器類型都有自己獨有的特性，從而帶來許多復雜的設計挑戰。通過連接這些傳感器來獲得真實、精確的測量結果，是最為重要的一項工作。本文中，我們將為你介紹這些傳感器類型，說明它們帶來的挑戰，并介紹開發精確測量系統所需要的一些解決方案。
工業過程中最為普遍的測量參數之一便是溫度。我們可以通過包括熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)和電熱調節器等在內的許多傳感器對溫度進行測量。為了對最大溫度范圍進行測量，系統設計人員通常使用熱電偶。
例如，一個C型熱電偶擁有0到2320℃的測量溫度范圍。熱電偶工作原理是基于Seebeeck效應的：如果將兩個不同金屬放置在一起，則產生一個與結溫成比例關系的電壓。熱電偶為雙極性器件，其根據檢測情況(相對于基準值“熱”結溫或者“冷”結溫)產生一個正或者負電壓。首先，需要一個熱電偶偏置，因此它在一個單電源系統中不會背離接地。其次，對冷結溫進行測量，以獲得被測溫度值。我們可以使用如LM94022等IC溫度傳感器測量冷結溫。相比其它溫度傳感器，熱電偶的一個缺點是精確度有限，通常高于±1℃。
如果在某個較小的溫度范圍(例如：660℃以下)，系統要求更高的精確度，則設計人員可使用RTD來實現這種測量，其精確度可達±1℃以下。RTD為一些電阻式組件，其電阻取決于它們所處環境的溫度。它使用二、三及四線配置。線數增加，精確度也增加。RTD要求電流源形式的激勵。電流源值通常為100μA到1mA，以處理PT100(0℃，100Ω)和PT1000 RTD(0℃，1000Ω)。
為了實現高達±0.1℃的精確度，甚至可以使用更小溫度范圍(100℃以下)的電熱調節器。與RTD一樣，電熱調節器的電阻也隨溫度而變化。電熱調節器通常連接在一個電阻分壓器配置中，其中，分壓器的另一個電阻器值與電熱調節器的額定值(25℃室溫下的值)相同。該電熱調節器的一端連接至電源電壓，而另一端則連接至另一個電阻器，其反過來接地(請參見圖1)。為了獲得溫度，需對分壓器中間點的電壓進行測量。你可得到25℃下為+V/2。當與該值有所偏差時，你可以計算電熱調節器的電阻，并利用檢查表確定被測環境溫度。
圖1：電熱調節器電路
總之，溫度傳感器需要偏置(電壓或者電流)。使用熱電偶時，需要冷結溫補償。TI擁有一整套解決方案，可以滿足這些要求。LMP90100是一種24位傳感器AFE系統，擁有四個差動輸入或者七個單端輸入，兩個匹配可編程電流源，以及連續本底校準(圖2)。LMP90100是一款集成可配置芯片，是克服各種溫度傳感器相關設計挑戰的理想選擇。
圖2：LMP90100 24位可配置傳感器AFE系統
使用惠斯通橋接電路的應變計和測力傳感器是測量壓力、力和重力的普遍實現方式。對這種儀器施加的任何應變或者應力，都會引起傳感器輸出的電阻變化并導致電壓差變化(請參見圖3)。這些傳感器所產生的電壓很低，通常為mV級別。為了實現最高精確度測量，需把這種小電壓范圍放大到數據轉換器的全動態范圍。為了實現與多個傳感器連接并帶來最佳靈活性，需使用一個可編程增益放大器(PGA)級。該級應為低噪、低偏差和低偏差漂移，以確保最佳系統性能。
這些傳感器還要求偏壓形式的激勵。一種常見的壓力傳感器故障類型是電橋開路或者短路帶來的測量錯誤。隨著時間的流逝，傳感器損壞或者老化所引起的出界信號更加難以檢測。捕獲所有這些故障種類的一種方法是集成一個診斷電路。這種電路向惠斯通橋接的電阻梯形電路注入一個小電流(有時被稱作“燒斷”電流)，然后測量所產生的電壓。例如，電橋輸出為相同電位(V+/2)，則原因是應變計沒有壓力嗎？或者因為系統故障導致輸出短路嗎？通過向差動輸出之一注入電流，然后測量輸出之間的差動電壓，可以得到答案。在正常工作下，差動電壓為電橋電阻器的壓降。但是，如果存在實際短路，則壓降就會很少或者沒有。
傳感器產品鏈接：http://www.for815.cn/product/enclosure/
工業過程中最為普遍的測量參數之一便是溫度。我們可以通過包括熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)和電熱調節器等在內的許多傳感器對溫度進行測量。為了對最大溫度范圍進行測量，系統設計人員通常使用熱電偶。
例如，一個C型熱電偶擁有0到2320℃的測量溫度范圍。熱電偶工作原理是基于Seebeeck效應的：如果將兩個不同金屬放置在一起，則產生一個與結溫成比例關系的電壓。熱電偶為雙極性器件，其根據檢測情況(相對于基準值“熱”結溫或者“冷”結溫)產生一個正或者負電壓。首先，需要一個熱電偶偏置，因此它在一個單電源系統中不會背離接地。其次，對冷結溫進行測量，以獲得被測溫度值。我們可以使用如LM94022等IC溫度傳感器測量冷結溫。相比其它溫度傳感器，熱電偶的一個缺點是精確度有限，通常高于±1℃。
如果在某個較小的溫度范圍(例如：660℃以下)，系統要求更高的精確度，則設計人員可使用RTD來實現這種測量，其精確度可達±1℃以下。RTD為一些電阻式組件，其電阻取決于它們所處環境的溫度。它使用二、三及四線配置。線數增加，精確度也增加。RTD要求電流源形式的激勵。電流源值通常為100μA到1mA，以處理PT100(0℃，100Ω)和PT1000 RTD(0℃，1000Ω)。
為了實現高達±0.1℃的精確度，甚至可以使用更小溫度范圍(100℃以下)的電熱調節器。與RTD一樣，電熱調節器的電阻也隨溫度而變化。電熱調節器通常連接在一個電阻分壓器配置中，其中，分壓器的另一個電阻器值與電熱調節器的額定值(25℃室溫下的值)相同。該電熱調節器的一端連接至電源電壓，而另一端則連接至另一個電阻器，其反過來接地(請參見圖1)。為了獲得溫度，需對分壓器中間點的電壓進行測量。你可得到25℃下為+V/2。當與該值有所偏差時，你可以計算電熱調節器的電阻，并利用檢查表確定被測環境溫度。
總之，溫度傳感器需要偏置(電壓或者電流)。使用熱電偶時，需要冷結溫補償。TI擁有一整套解決方案，可以滿足這些要求。LMP90100是一種24位傳感器AFE系統，擁有四個差動輸入或者七個單端輸入，兩個匹配可編程電流源，以及連續本底校準(圖2)。LMP90100是一款集成可配置芯片，是克服各種溫度傳感器相關設計挑戰的理想選擇。
使用惠斯通橋接電路的應變計和測力傳感器是測量壓力、力和重力的普遍實現方式。對這種儀器施加的任何應變或者應力，都會引起傳感器輸出的電阻變化并導致電壓差變化(請參見圖3)。這些傳感器所產生的電壓很低，通常為mV級別。為了實現最高精確度測量，需把這種小電壓范圍放大到數據轉換器的全動態范圍。為了實現與多個傳感器連接并帶來最佳靈活性，需使用一個可編程增益放大器(PGA)級。該級應為低噪、低偏差和低偏差漂移，以確保最佳系統性能。
這些傳感器還要求偏壓形式的激勵。一種常見的壓力傳感器故障類型是電橋開路或者短路帶來的測量錯誤。隨著時間的流逝，傳感器損壞或者老化所引起的出界信號更加難以檢測。捕獲所有這些故障種類的一種方法是集成一個診斷電路。這種電路向惠斯通橋接的電阻梯形電路注入一個小電流(有時被稱作“燒斷”電流)，然后測量所產生的電壓。例如，電橋輸出為相同電位(V+/2)，則原因是應變計沒有壓力嗎？或者因為系統故障導致輸出短路嗎？通過向差動輸出之一注入電流，然后測量輸出之間的差動電壓，可以得到答案。在正常工作下，差動電壓為電橋電阻器的壓降。但是，如果存在實際短路，則壓降就會很少或者沒有。
傳感器產品鏈接：http://www.for815.cn/product/enclosure/
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