傳感器可測(cè)量各種參數(shù)，如壓力、溫度、有毒氣體pH值等，它們應(yīng)用廣泛，使工業(yè)處理更安全、更高效，成本也更低。不過(guò)，各種類型的傳感器都有一組自己獨(dú)有的特性，從而帶來(lái)了一系列復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

工業(yè)處理中最常見(jiàn)的測(cè)量項(xiàng)之一就是溫度。溫度測(cè)量可以采用各種類型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測(cè)器，以及熱敏電阻等。

要測(cè)量最大范圍的溫度時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常會(huì)選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測(cè)量溫度范圍達(dá)0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基于Seebeck效應(yīng)，即：如果兩個(gè)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(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)(或“熱”結(jié))溫度與參考結(jié)(或“冷”結(jié))溫度的相對(duì)關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)正的或負(fù)的電壓。首先，你需要為熱電偶加一個(gè)偏壓，這樣在單電源系統(tǒng)中都不會(huì)受限于地電勢(shì)。然后，測(cè)量冷結(jié)的溫度，就獲得了要測(cè)的溫度。熱電偶有一個(gè)缺點(diǎn)，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(gè)較小范圍內(nèi)(例如660℃)需要更高的精度，則設(shè)計(jì)者可以用RTD來(lái)實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量，它的精度可達(dá)±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(lì)。電流源的值通常為100μA~1mA，用于PT100(0℃時(shí)100Ω)和PT1000RTD(0℃時(shí)1000Ω)。

當(dāng)精度要求提高到±0.1℃時(shí)，溫度范圍就要折衷到更小的范圍(小于100℃)，此時(shí)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(huì)接成一個(gè)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(biāo)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(cè)溫度時(shí)，測(cè)的是分壓器中點(diǎn)的電壓?？梢灶A(yù)計(jì)，在25℃時(shí)的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計(jì)算出熱敏電阻的阻值，并用一個(gè)查找表確定出被測(cè)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(duì)于熱電偶來(lái)說(shuō)，需要做冷結(jié)補(bǔ)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(gè)差分或七個(gè)單端輸入、兩個(gè)匹配的可編程電流源，以及連續(xù)后臺(tái)校準(zhǔn)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

采用Wheatstone橋電路的應(yīng)變計(jì)與稱重傳感器常用于測(cè)量壓力、力與重量。元件被施加任何應(yīng)力或壓力后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電阻變化，從而在傳感器輸出端出現(xiàn)一個(gè)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(cè)量，必須將這個(gè)小電壓放大到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)?？删幊淘鲆娣糯笃?PGA)級(jí)可以與多個(gè)傳感器相連接，有最好的靈活性。這一級(jí)應(yīng)有低噪聲、低偏移、低漂移的特性，以確保最佳的系統(tǒng)性能。

這些類型的傳感器還需要一種偏置電壓形式的激勵(lì)。壓力傳感器有一種常見(jiàn)的不正確測(cè)量法，即橋在開(kāi)路或短路情況下做測(cè)量。更難以探測(cè)的是因傳感器損壞或隨時(shí)間降級(jí)所導(dǎo)致的量程外信號(hào)。有一種方法能發(fā)現(xiàn)所有這些故障模式，就是加一個(gè)診斷電路。這種電路會(huì)在Wheatstone橋的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)中注入一個(gè)小電流，有時(shí)也稱為“耗盡”(burnout)電流，然后再測(cè)量所獲得的電壓。