工業(yè)處理中最常見的測(cè)量項(xiàng)之一就是溫度。溫度測(cè)量可以采用各種類型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測(cè)器，以及熱敏電阻等。
要測(cè)量最大范圍的溫度時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常會(huì)選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測(cè)量溫度范圍達(dá)0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應(yīng)，即：如果兩個(gè)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(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)(或“熱”結(jié))溫度與參考結(jié)(或“冷”結(jié))溫度的相對(duì)關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)正的或負(fù)的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個(gè)偏壓，這樣在單電源系統(tǒng)中都不會(huì)受限于地電勢(shì)。然后，測(cè)量冷結(jié)的溫度，就獲得了要測(cè)的溫度。熱電偶有一個(gè)缺點(diǎn)，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(gè)較小范圍內(nèi)(例如660℃)需要更高的精度，則設(shè)計(jì)者可以用RTD來實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量，它的精度可達(dá)±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(lì)。電流源的值通常為100μA~1mA，用于PT100(0℃時(shí)100Ω)和PT1000RTD(0℃時(shí)1000Ω)。
當(dāng)精度要求提高到±0.1℃時(shí)，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時(shí)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(huì)接成一個(gè)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(biāo)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(cè)溫度時(shí)，測(cè)的是分壓器中點(diǎn)的電壓?？梢灶A(yù)計(jì)，在25℃時(shí)的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計(jì)算出熱敏電阻的阻值，并用一個(gè)查找表確定出被測(cè)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(duì)于熱電偶來說，需要做冷結(jié)補(bǔ)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(gè)差分或七個(gè)單端輸入、兩個(gè)匹配的可編程電流源，以及連續(xù)后臺(tái)校準(zhǔn)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(jì)挑戰(zhàn)。
采用Wheatstone橋電路的應(yīng)變計(jì)與稱重傳感器常用于測(cè)量壓力、力與重量。元件被施加任何應(yīng)力或壓力后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電阻變化，從而在傳感器輸出端出現(xiàn)一個(gè)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(cè)量，必須將這個(gè)小電壓放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)?？删幊淘鲆娣糯笃?PGA)級(jí)可以與多個(gè)傳感器相連接，有最好的靈活性。這一級(jí)應(yīng)有低噪聲、低偏移、低漂移的特性，以確保最佳的系統(tǒng)性能。
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這些類型的傳感器還需要一種偏置電壓形式的激勵(lì)。壓力傳感器有一種常見的不正確測(cè)量法，即橋在開路或短路情況下做測(cè)量。更難以探測(cè)的是因傳感器損壞或隨時(shí)間降級(jí)所導(dǎo)致的量程外信號(hào)。有一種方法能發(fā)現(xiàn)所有這些故障模式，就是加一個(gè)診斷電路。這種電路會(huì)在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)中注入一個(gè)小電流，有時(shí)也稱為“耗盡”(burnout)電流，然后再測(cè)量所獲得的電壓。
舉例來說，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?？赡艿碾娏鞣秶谝坏綌?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。
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