為什么工業(yè)傳感器會出錯？
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pH電極是一種無源傳感器，其意味著無需激勵源(電壓或者電流)。但是，它是一種雙極傳感器，它的輸出可以圍繞基準(zhǔn)點(diǎn)上下擺動。因此，在一個單電源系統(tǒng)中，傳感器需要參考共模電壓(通常為半電源)，以防止其軌接地。
由于薄玻璃殼具有很大的電阻(范圍通常為10MΩ到1000MΩ)，因此pH電極的源阻抗非常高。這意味著，只能通過一個高阻抗測量電路來監(jiān)測電極。另外，該電路應(yīng)具有低輸入偏置電流，因?yàn)榧词棺⑷敫咦杩闺姌O的電流極小，也會形成明顯的偏移電壓，并給系統(tǒng)帶來測量誤差。另外，即使系統(tǒng)關(guān)閉，隨著時間的推移，pH電極所吸的電流也可能會使傳感器老化。因此，即使在未向測量電路供電時，也應(yīng)維持低輸入偏置電流，這一點(diǎn)很重要。
pH電極產(chǎn)生的電壓輸出線性依賴于解決方案的被測pH。圖6和圖7所示傳輸函數(shù)和pH刻度表明，當(dāng)解決方案的pH增加時，pH測量電極產(chǎn)生的電壓降低。注意，pH電極的靈敏度隨溫度而變化。觀察pH電極傳輸函數(shù)曲線，我們可以看到，靈敏度隨溫度上升而線性上升。由于這種特性的存在，了解解決方案的被測溫度，并對測量進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償至關(guān)重要。
圖6：pH電極傳輸函數(shù)
圖7：pH刻度
最后，pH傳感器要求高阻抗、低輸入偏置電流接口、共模電壓和溫度補(bǔ)償功能。用于化學(xué)檢測的LMP91200傳感器AFE可以滿足以上要求(請參見圖8)。通過其可編程電流源，你可以輕松地連接RTD。利用多級溫度測量功能，消除了溫度信號路徑的誤差，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了溫度測量精確度。25℃下時，這種器件的輸入偏置電流范圍僅為數(shù)十fA，最小化了連接高阻抗pH電極時的誤差。最終，器件關(guān)閉時偏置電流僅為數(shù)百fA，從而把長時間電流消耗帶來的電極老化降至最低。
圖8：用于化學(xué)檢測的LMP91200可配置傳感器AFE
我們討論了一些與工業(yè)傳感器相關(guān)的最為普遍的設(shè)計挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括激發(fā)、增益、溫度補(bǔ)償、偏移抵消、電流到電壓轉(zhuǎn)換、高阻抗接口和診斷電路等。使用一個正確的AFE，可在降低設(shè)計復(fù)雜程度的同時提高測量精確度。
市場上，有許多可配置和易用型傳感器AFE供我們選擇。在TI，這些器件與在線設(shè)計工具“WEBENCH Sensor AFE Designer”結(jié)合使用。這種設(shè)計工具讓廣大系統(tǒng)設(shè)計人員可以開發(fā)出高性能的集成傳感器系統(tǒng)，并同時縮短產(chǎn)品上市時間。
參考文獻(xiàn)
“Designing CO2 and alcohol-sensing applications,” Jason Seitz, ECN, April 2012.
“Designing with pH electrodes,” Application Note (AN-1852), Jason Seitz, TI, October 2008.
“Designing with thermocouples,” Application Note (AN-1952), Jason Seitz, TI, March 2009.
“Detect faults between a sensor and amplifier,” Mike Stout, Electronic Design, December 2010.
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