汽车传感器的种类介绍

概述

在现代工业控制和系统监测领域，通常需要监测、测量压力和重量。由于压力可直接用来测量流体、高度及其它物理量，压力测量尤其重要。由于加载是影响传感器输出的一项属性，压力、重量测量装置可以看作是“加载传感器”。加载传感器的应用非常广泛，包括从真空计到重型机械称重，以及工业液压设备、绝对压力传感器等各个领域。每种应用对精度、准确度和成本都有不同的具体需求。

虽然压力和重量(加载/感应)的测量方法和技术有许多，但最常用的测量装置是应力计。

最常见的应力计有两种：一种是重量/压力传感器大多采用的金属箔；另一种是基于半导体的压阻式传感器，广泛用于压力测量。相对于金属箔传感器，压阻式传感器灵敏度更高，线性度也更好，但容易受温度的影响，并有一定的初始偏差。

从原理上讲，所有应力计在受到外力时都会改变电阻值。因此，有电信号激励时，即可有效地将压力、重量转换成电信号。通常在惠斯通电桥(有时称为测压元件)上放置1个、2个或4个这样的有源电阻元件(应力计)，从而产生与压力或重量对应的差分输出电压。

工程师可以设计一种能够满足多种加载/感应系统需求的传感器模块。一款成功的设计需要包括用于检测物理量的传感器元件和设计合理的信号链路。

图1 加载/感应系统的信号链路框图。

完备的信号链路方案

传感器信号链路必须能够处理带有噪声的弱信号。为了准确测量电阻式传感器输出电压的变化，电路必须具备以下功能：激励、放大、滤波和采集。有些解决方案可能还要求采用数字信号处理(DSP)技术对信号进行处理、误差补偿、数字放大以及用户可编程操作。

激励

具有极低温漂的高精度、稳定的电压或电流源常常用作传感器激励。传感器输出与激励源成比例(往往以mV/V表示)。因此，设计时，模/数转换器和激励电路通常采用一个公共基准，或者将激励电压作为ADC的基准。可以利用附加的ADC通道精确测量激励电压。

传感器/电桥

信号链路的这部分功能包括应力传感器，它被放置在测压元件(惠斯通电桥设计)部分，如上文中的“概述”部分。

放大和电平转换模拟端(AFE)

有些设计中，传感器输出电压范围非常小，要求分辨率达到nV级。这种情况下，在将传感器输出信号送至ADC输入之前，必须对信号进行放大。为了防止放大阶段引入误差，需要选择低失调电压(VOS)、低温漂的低噪声放大器。惠斯通电桥的缺点是共模电压远远大于有用信号。这意味着LNA还必须具有非常高的共模抑制比(CMRR)，通常大于100dB。如果采用单端ADC，则需附加电路在数据采集之前消除较高的共模电压。此外，由于信号带宽很窄，放大器的1/f噪声也会引入误差。因此，最好采用斩波稳定放大器。使用分辨率非常高的ADC，占用满量程范围的一小部分有助于降低对放大器的苛刻要求。

采集-ADC

选择ADC时需严格确认其技术指标，例如：无噪声范围或有效分辨率，该指标表示ADC能够辨别固定输入电平的能力。一种替代指标是无噪声计数或编码。大多数高精度ADC的数据资料把这些指标表示为噪声峰值或RMS 噪声与速度的对应关系表，有时也以噪声直方图的形式表示这些指标。

其它需要考虑的ADC指标包括：低失调误差、低温漂及优异的线性度。对于特定的低功耗应用，速度与功耗的关系也是非常重要的规格。

滤波

传感器信号的带宽一般很窄，对噪声的敏感度较高。因此，通过滤波限制信号的带宽可显著降低总体噪声。利用Σ-Δ ADC能够简化噪声滤波要求，因为这种架构提供固有的过采样特性。

数字信号处理(DSP)-数字域

除模拟信号调理外，为了提取信号并降低噪声，还需要在数字域对所采集的信号作进一步处理。通常需要找到针对具体应用及其细微差别的算法。有些通用算法，例如，数字域的失调和增益校准、线性化处理、数字滤波和基于温度(或其它制约因素)的补偿。

信号调理/集成方案

有些集成方案把所有需要的功能模块集成在单一芯片，通常称为传感器信号调理器IC。信号调理器是一种专用IC (ASIC)，它对输入信号进行补偿、放大和校准，能够覆盖较宽的温度范围。根据对信号调理器的不同精度要求，ASIC会集成以下全部或部分模块：传感器激励电路、数/模转换器(DAC)、可编程增益放大器(PGA)、模/数转换器(ADC)、存储器、多路复用器(MUX)、CPU、温度传感器以及数字接口。

常见的信号调理器有两种类型：模拟信号通路的调理器(模拟调理器)和数字信号通路的调理器(数字调理器)。模拟调理器的响应时间较快，提供连续的输出信号，反映输入信号的实时变化。它们通常采用硬件补偿机制(不够灵活)。数字调理器往往基于微控制器，由于ADC和DSP算法具有一定的执行时间，响应时间较慢。应该考虑ADC的分辨率，将量化误差降至最小。数字信号调理器的最大好处是提供灵活的补偿算法，可根据用户的应用进行调整。

温度检测

概述

温度检测在工业系统中的主要作用表现在三个方面。

1.温度控制，例如恒温炉、冷冻箱和环境控制系统，根据实测温度判断实施加热/致冷操作。

2.校准各种传感器、振荡器及其它经常随温度变化的元件。由此，必须通过测量温度确保敏感系统元件的精度。

3.保护元件和系统在极端温度下不被损坏。温度检测决定所要采取的相应措施。

热敏电阻、RTD、热电偶和IC是目前应用最广的温度检测技术。每种设计方案都有其自身的优势(例如成本、精度、测温范围)，适合不同的特定应用。以下将逐一讨论这些技术。

除提供业内最全面的专用温度传感器IC外，Maxim还推出了系统与热敏电阻、RTD及热电偶接口所需的任何器件。

图2 温度检测应用的信号链路框图。

热敏电阻

热敏电阻的阻值取决于温度，一般由半导体材料制成，如金属氧化物陶瓷或聚合物。应用最广泛的热敏电阻是负温度系数电阻，因此，热敏电阻通常称为NTC。同样，也存在正温度系数的热敏电阻(PTC)。

热敏电阻能够测量中等温度范围，通常最高可达+150°C，有些热敏电阻可以测量更高温度；根据精度的不同，成本一般在中、低端；线性度虽然较差，但可预测。热敏电阻可以是探头、表贴封装、裸线等不同形式的专用封装。Maxim提供能够将热敏电阻阻值转换为数字信号的IC，如MAX6682。

热敏电阻往往连接一个或多个固定阻值电阻，形成分压器。分压器输出通常经过ADC进行数字转换。利用查找表或通过计算对热敏电阻的非线性进行修正。

RTD

电阻温度检测器(RTD)是一种阻值随温度变化的电阻。铂是最常见、精度最高的金属丝材料。铂RTD称为Pt-RTD，镍、铜及其它金属亦可用来制造RTD。

RTD具有较宽的测温范围，最高达+750°C，具有较高精度和较好的可重复性，线性度适中。对于Pt-RTD，最常见的电阻值为：0°C时，标称值为100Ω或1kΩ，当然也有其它电阻值。

RTD的信号调理可以非常简单：将RTD与一个精密的固定阻值电阻相连，构成分压器；也可以采用更复杂的信号调理，尤其是在宽温测量中。方案中通常包括：精密电流源、电压基准和高分辨率ADC，如图3所示。利用查找表或通过计算、外部线性化处理电路对传感器进行线性化调整。

图3 RTD信号调理电路简化图

热电偶

热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。金属丝之间的触点所产生的电压与温度近似成比例关系。有几种类型的热电偶分别以字母表示。最常见的热电偶为K型热电偶。

热电偶具有非常宽的测温范围，高达+1800°C；成本很低，具体成本与封装有关；具有较低的输出电压，K型热电偶的输出大约为40?V/°C；线性度适中，并可提供适当的复杂信号调理，即冷端补偿和放大。

由于热电偶输出信号较低，利用热电偶测量温度具有一定难度。由于热电偶金属丝连接到信号调理电路的铜线(或引线)时，在触点位置又会产生额外的热电偶，进一步加剧了测量的复杂性。该触点称为冷端(图4所示)。为了利用热电偶准确测量温度，必须在冷端位置增加第二个温度传感器，如图5所示。然后将冷端测量温度与热电偶测量值相叠加。图5所示电路是一种实施方案，其中包括多款精密元件。

图4 热电偶电路简化图