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(多图) 工业传感器实用指南

Jason Seitz?? 2013年06月27日 ?? 收藏8

不同的传感器需要不同的偏置,有些需要零偏置。要明白这些要求,这样传感器产生的电流才合乎规范。元件测量气体时是氧化反应(CO)亦或还原反应(NO2),相应地决定了元件是在WE拉入一个电流,还是送出一个电流。在单电源系统下,TIA非反相端的电压应做相应的电平调整,以确保最大增益时不会使放大器输出饱和。例如,TIA产生的输出电压由下式决定:VOUT=?IIN×RFEEDBACK,其中,IIN是通过反馈电阻进入TIA的电流。如果进入TIA的电流为正(还原反应),则VOUT相对非反相端的电压将为负值。这个电压应加以提升,以避免输出电压碰到负电源轨。

基本上,电化学元件的重点就是温度校正,以及一个提供电流吸入/供出、电压偏置、电流-电压转换及电平变换的恒电势电路。TI公司的LMP91000是一个可配置的AFE恒电势电路,可以满足这些功能要求。它包含一个完整的恒电势电路,具有拉入和供出电流能力,以及可编程TIA增益、电化学元件偏置及内部零电压。此外,这款传感器AFE还包括了一个集成的温度传感器,采用小型14脚的4mm2封装,因此这款器件的直接定位是对电化学元件的精确温度补偿与改善噪声性能。

并非所有气体都能用电化学元件精确地测量。一种替代方法是采用非色散红外(NDIR)技术,这是一种IR光谱法。IR光谱法的原理是:大多数气体分子都会吸收IR光(吸收发生在某个波长上)。光吸收量与气体浓度成正比。尤其是,NDIR使所有IR光通过样本气体,用一个光滤波器隔离出有用的波长。

通常,会用一个内置滤波器的温差电堆来检测某种气体的量。例如,由于CO2在波长4.26μm处有强吸收,可以用一个带通滤波器,去除这个波长以外的所有光线。除了CO2和乙醇检测以外,NDIR气体传感器也可以用于检测温室气体,以及氟里昂这类制冷剂。

NDIR系统有一个主要问题,即经过一段时间以后,要确定检测器上接收的光线是实际来源于气体吸收,而不是光源的劣化或腔内的污染。在NDIR系统工作开始时可以做校准。但要解决一段时间后光源的劣化和腔内污染问题,就需要不断地做校准。这种校准工作既费钱又费时间,在长期现场运行条件下并不可行。

解决问题的一种方式是在系统中使用一个基准通道。这个基准通道包含一个探测器,用于测量无吸收频段中的光源。现在,由两种发射光量的比率就可以探测出气体的污染,还排除了任何由于光源偏离所带来的误差。由于这种偏离来自于长期的漂移,因此,无需同时对基准通道和活动通道做采样。可以用一个输入复用器,在两个通道之间做切换,从而降低系统成本和复杂性,同时保持了精度。

温差电堆在NDIR系统中被用作一个IR探测器,它根据接收到的入射光量(以瓦为单位),产生一个电压。所测气体类型、其吸收系数,以及气体浓度区间等都会影响到温差电堆探测器上的入射光量。结果就是温差电堆的输出电压,通常在数十微伏区间。因此,需要设计一些支持电路,能够以不同增益对温差电堆的输出电压做放大。这工作可以交给一只带内置PGA的AFE。要将微小的温差电堆信号放大给系统的满量程ADC使用,获得最大的系统精度,增益设定需要在数百到数千V/V范围内。

NDIR系统设计中的另外一个因素是知道如何处理与温差电堆传感器有关的明显偏移电压。温差电堆预计会有一个比实际信号更大的偏移分量(高达1mV),它限制了系统的动态范围。尽量减少这问题的一种方法是在系统电路中集成偏移补偿功能。一个方案是采用一只DAC,对所测得偏移做出补偿。系统微控制器可以捕捉到偏移的水平,通过设定ADC,使输出向负电压轨,零标尺点移动,从而消除偏移。这种方案能用到ADC的全部动态范围,从而尽量减少对ADC分辨率的要求。

另外,由于存在温差电堆的偏移电压,因此需要将温差电堆偏置在地以上。可以用一个共模发生器完成这一工作,用它为传感器施加一个共模电压。这种方案会偏移温差电堆传感器的信号电平,使之离开负电压轨,从而在有传感器偏移电压情况下也能做出精确的探测。

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第1页:传感器精度

第2页:称重传感器

第3页:传感器偏置

第4页:传感器基准通道



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