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工业传感器实用指南

作者:时间:2014-01-02来源:网络收藏

传感器可测量各种参数,如压力、温度、有毒气体pH值等,它们应用广泛,使工业处理更安全、更高效,成本也更低。不过,各种类型的传感器都有一组自己独有的特性,从而带来了一系列复杂的设计挑战。

工业处理中最常见的测量项之一就是温度。温度测量可以采用各种类型的传感器,包括、电阻,以及等。

要测量最大范围的温度时,系统设计者通常会选择。例如,TypeC的测量温度范围达0℃~2320℃。热电偶的工作原理是基于Seebeck效应,即:如果两个相异的金属被放在一起,则产生的电压与结上的温度成正比。热电偶是双极器件,它会根据检测结(或“热”结)温度与参考结(或“冷”结)温度的相对关系,产生一个正的或负的电压。首先,你需要为热电偶加一个偏压,这样在单电源系统中都不会受限于地电势。然后,测量冷结的温度,就获得了要测的温度。热电偶有一个缺点,与其它温度传感器相比,它的精度有限,通常不到±1℃。

如果系统在一个较小范围内(例如660℃)需要更高的精度,则设计者可以用RTD来实现这种测量,它的精度可达±1℃以下。RTD是阻性元件,电阻值取决于其周边的温度。它们有双线、三线和四线结构。增加线数就可以增加精度。RTD需要一种电流源形式的激励。电流源的值通常为100μA~1mA,用于PT100(0℃时100Ω)和PT1000RTD(0℃时1000Ω)。

当精度要求提高到±0.1℃时,温度范围就要折衷到更小的范围(小于100℃),此时可以用。与RTD类似,的电阻值也是随温度而变化。热敏电阻通常会接成一个电阻分压器结构,其中另一只电阻与热敏电阻有相同的标称值(25℃室温下的阻值)。热敏电阻的一端接至电源,另一端接另一只电阻,然后接地(图1)。探测温度时,测的是分压器中点的电压。可以预计,在25℃时的电阻为+V/2。如有偏差,则可以计算出热敏电阻的阻值,并用一个查找表确定出被测的环境温度。

总之,温度传感器都需要偏置(可以是电压或电流)。对于热电偶来说,需要做冷结补偿。德州仪器公司的LMP90100是一款24位传感器模拟前端(AFE),它有四个差分或七个单端输入、两个匹配的可编程电流源,以及连续后台校准功能(图2)。这款集成的可配置芯片可解决各种与温度传感器有关的设计挑战。

采用Wheatstone桥电路的应变计与称重传感器常用于测量压力、力与重量。元件被施加任何应力或压力后,都会产生一个电阻变化,从而在传感器输出端出现一个电压差变化(图3)。这些传感器产生的电压很低,通常在毫伏范围。要获得最精确的测量,必须将这个小电压放大到数据转换器的整个动态范围内。可编程增益放大器(PGA)级可以与多个传感器相连接,有最好的灵活性。这一级应有低噪声、低偏移、低漂移的特性,以确保最佳的系统性能。

这些类型的传感器还需要一种偏置电压形式的激励。压力传感器有一种常见的不正确测量法,即桥在开路或短路情况下做测量。更难以探测的是因传感器损坏或随时间降级所导致的量程外信号。有一种方法能发现所有这些故障模式,就是加一个诊断电路。这种电路会在Wheatstone桥的梯形电阻网络中注入一个小电流,有时也称为“耗尽”(burnout)电流,然后再测量所获得的电压。

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