工業(yè)處理中最常見的測量項之一就是溫度。溫度測量可以采用各種類型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測器，以及熱敏電阻等。
要測量最大范圍的溫度時，系統(tǒng)設計者通常會選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測量溫度范圍達0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應，即：如果兩個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，它會根據(jù)檢測結(jié)(或“熱”結(jié))溫度與參考結(jié)(或“冷”結(jié))溫度的相對關(guān)系，產(chǎn)生一個正的或負的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個偏壓，這樣在單電源系統(tǒng)中都不會受限于地電勢。然后，測量冷結(jié)的溫度，就獲得了要測的溫度。熱電偶有一個缺點，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)在一個較小范圍內(nèi)(例如660℃)需要更高的精度，則設計者可以用RTD來實現(xiàn)這種測量，它的精度可達±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。電流源的值通常為100μA~1mA，用于PT100(0℃時100Ω)和PT1000RTD(0℃時1000Ω)。
當精度要求提高到±0.1℃時，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時可以用熱敏電阻。與RTD類似，熱敏電阻的電阻值也是隨溫度而變化。熱敏電阻通常會接成一個電阻分壓器結(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)。探測溫度時，測的是分壓器中點的電壓?？梢灶A計，在25℃時的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計算出熱敏電阻的阻值，并用一個查找表確定出被測的環(huán)境溫度。
總之，溫度傳感器都需要偏置(可以是電壓或電流)。對于熱電偶來說，需要做冷結(jié)補償。德州儀器公司的LMP90100是一款24位傳感器模擬前端(AFE)，它有四個差分或七個單端輸入、兩個匹配的可編程電流源，以及連續(xù)后臺校準功能(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)的設計挑戰(zhàn)。
采用Wheatstone橋電路的應變計與稱重傳感器常用于測量壓力、力與重量。元件被施加任何應力或壓力后，都會產(chǎn)生一個電阻變化，從而在傳感器輸出端出現(xiàn)一個電壓差變化(圖3)。這些傳感器產(chǎn)生的電壓很低，通常在毫伏范圍。要獲得最精確的測量，必須將這個小電壓放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個動態(tài)范圍內(nèi)。可編程增益放大器(PGA)級可以與多個傳感器相連接，有最好的靈活性。這一級應有低噪聲、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。壓力傳感器有一種常見的不正確測量法，即橋在開路或短路情況下做測量。更難以探測的是因傳感器損壞或隨時間降級所導致的量程外信號。有一種方法能發(fā)現(xiàn)所有這些故障模式，就是加一個診斷電路。這種電路會在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡中注入一個小電流，有時也稱為“耗盡”(burnout)電流，然后再測量所獲得的電壓。
舉例來說，如果橋的輸出為相同電勢(+V/2)，是表明測量計上沒有壓力嗎?還是因為系統(tǒng)中有一個故障，使輸出短路了?向其中一個差分輸出注入電流，然后測量輸出端之間的差分電壓，就可以解答這個問題。正常工作情況下，差分電壓是橋內(nèi)電阻上的壓降。但是，如果確實存在著短路，則壓降很小或幾乎沒有壓降。
簡言之，Wheatstone橋傳感器需要：一個激勵電壓、一個低噪聲/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。它對傳感器做持續(xù)的后臺傳感器診斷，能夠探測出開路、短路，以及超量程的信號。它采用在轉(zhuǎn)換后再向某個通道內(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，協(xié)助分析出故障的原因，并最大程度減少系統(tǒng)停機時間。
電化學元件通常廣泛用于有毒和無毒氣體的測量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測量原理是化學氧化與還原，并產(chǎn)生一個與被測氣體成正比的電流。大多數(shù)元件都有三個電極：工作極(WE)、計數(shù)極(CE)與參考極(RE)。WE極對目標氣體做氧化或還原，產(chǎn)生一個與氣體濃度成正比的電流。CE對所產(chǎn)生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢，以確保正確的工作區(qū)間。電化學元件會連接到一個恒電勢電路。這個恒電勢電路為CE提供電流(如有必要，也提供偏置)。它將WE維持在與RE相同電勢上，并用一個互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為一個電壓。
與很多傳感器類似，電化學傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能，就要測量元件的溫度。要根據(jù)該元件的性能-溫度圖(可在數(shù)據(jù)表中查到)，對其做適當?shù)臏囟刃省?/p>
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。可能的電流范圍在一到數(shù)百微安量級，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。元件測量氣體時是氧化反應(CO)亦或還原反應(NO2)，相應地決定了元件是在WE拉入一個電流，還是送出一個電流。在單電源系統(tǒng)下，TIA非反相端的電壓應做相應的電平調(diào)整，以確保最大增益時不會使放大器輸出飽和。例如，TIA產(chǎn)生的輸出電壓由下式?jīng)Q定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通過反饋電阻進入TIA的電流。如果進入TIA的電流為正(還原反應)，則VOUT相對非反相端的電壓將為負值。這個電壓應加以提升，以避免輸出電壓碰到負電源軌。
基本上，電化學元件的重點就是溫度校正，以及一個提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉(zhuǎn)換及電平變換的恒電勢電路。TI公司的LMP91000是一個可配置的AFE恒電勢電路，可以滿足這些功能要求。它包含一個完整的恒電勢電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學元件偏置及內(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電化學元件的精確溫度補償與改善噪聲性能。
并非所有氣體都能用電化學元件精確地測量。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)氣體分子都會吸收IR光(吸收發(fā)生在某個波長上)。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，用一個光濾波器隔離出有用的波長。
通常，會用一個內(nèi)置濾波器的溫差電堆來檢測某種氣體的量。例如，由于CO2在波長4.26μm處有強吸收，可以用一個帶通濾波器，去除這個波長以外的所有光線。除了CO2和乙醇檢測以外，NDIR氣體傳感器也可以用于檢測溫室氣體，以及氟里昂這類制冷劑。
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