在當(dāng)今的工業(yè)自動化與過程控制應(yīng)用中，有大量的傳感器，對許多過程參數(shù)進(jìn)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(yè)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(dú)有的特性，從而帶來許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過連接這些傳感器來獲得真實(shí)、精確的測量結(jié)果，是最為重要的一項(xiàng)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(zhàn)，并介紹開發(fā)精確測量系統(tǒng)所需要的一些解決方案。
工業(yè)過程中最為普遍的測量參數(shù)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(diào)節(jié)器等在內(nèi)的許多傳感器對溫度進(jìn)行測量。為了對最大溫度范圍進(jìn)行測量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)的：如果將兩個不同金屬放置在一起，則產(chǎn)生一個與結(jié)溫成比例關(guān)系的電壓。熱電偶為雙極性器件，其根據(jù)檢測情況(相對于基準(zhǔn)值“熱”結(jié)溫或者“冷”結(jié)溫)產(chǎn)生一個正或者負(fù)電壓。首先，需要一個熱電偶偏置，因此它在一個單電源系統(tǒng)中不會背離接地。其次，對冷結(jié)溫進(jìn)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(jié)溫。相比其它溫度傳感器，熱電偶的一個缺點(diǎn)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(tǒng)要求更高的精確度，則設(shè)計(jì)人員可使用RTD來實(shí)現(xiàn)這種測量，其精確度可達(dá)±1℃以下。RTD為一些電阻式組件，其電阻取決于它們所處環(huán)境的溫度。它使用二、三及四線配置。線數(shù)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(shí)現(xiàn)高達(dá)±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(diào)節(jié)器。與RTD一樣，電熱調(diào)節(jié)器的電阻也隨溫度而變化。電熱調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的額定值(25℃室溫下的值)相同。該電熱調(diào)節(jié)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(diǎn)的電壓進(jìn)行測量。你可得到25℃下為+V/2。當(dāng)與該值有所偏差時，你可以計(jì)算電熱調(diào)節(jié)器的電阻，并利用檢查表確定被測環(huán)境溫度。
圖1：電熱調(diào)節(jié)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(jié)溫補(bǔ)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(tǒng)，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(xù)本底校準(zhǔn)(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(guān)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的理想選擇。
圖2：LMP90100 24位可配置傳感器AFE系統(tǒng)
使用惠斯通橋接電路的應(yīng)變計(jì)和測力傳感器是測量壓力、力和重力的普遍實(shí)現(xiàn)方式。對這種儀器施加的任何應(yīng)變或者應(yīng)力，都會引起傳感器輸出的電阻變化并導(dǎo)致電壓差變化(請參見圖3)。這些傳感器所產(chǎn)生的電壓很低，通常為mV級別。為了實(shí)現(xiàn)最高精確度測量，需把這種小電壓范圍放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的全動態(tài)范圍。為了實(shí)現(xiàn)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(yīng)為低噪、低偏差和低偏差漂移，以確保最佳系統(tǒng)性能。
