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為什么工業(yè)傳感器會出錯？
2015-09-25
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。
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(chǎn)生的電壓。例如，電橋輸出為相同電位(V+/2)，則原因是應(yīng)變計沒有壓力嗎？或者因?yàn)橄到y(tǒng)故障導(dǎo)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(shí)際短路，則壓降就會很少或者沒有。
傳感器產(chǎn)品鏈接：http://rengken.cn/product/enclosure/
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。
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)計挑戰(zhàn)的理想選擇。
使用惠斯通橋接電路的應(yīng)變計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。
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(chǎn)生的電壓。例如，電橋輸出為相同電位(V+/2)，則原因是應(yīng)變計沒有壓力嗎？或者因?yàn)橄到y(tǒng)故障導(dǎo)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(shí)際短路，則壓降就會很少或者沒有。
傳感器產(chǎn)品鏈接：http://rengken.cn/product/enclosure/
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