工業處理中最常見的測量項之一就是溫度。溫度測量可以采用各種類型的傳感器，包括熱電偶、電阻溫度探測器，以及熱敏電阻等。

 

要測量最大範圍的溫度時

，係統設計者通常會選擇熱電偶。例如，TypeC熱電偶的測量溫度範圍達0℃~2320℃。熱電偶的工作原理是基於Seebeck效應，即：如果兩個相異的金屬被放在一起
，則產生的電壓與結上的溫度成正比。熱電偶是雙極器件，它會根據檢測結(或“熱”結)溫度與參考結(或“冷”結)wendudexiangduiguanxi

，chanshengyigezhengdehuofudedianya。shouxian，nixuyaoweiredianoujiayigepianya，zheyangzaidandianyuanxitongzhongdoubuhuishouxianyudidianshi。ranhou，celianglengjiedewendu，jiuhuodeleyaocedewendu。redianouyouyigequedian
，yuqitawenduchuanganqixiangbi，tadejingduyouxian，tongchangbudao±1℃。

 

如果係統在一個較小範圍內(例如660℃)需要更高的精度，則設計者可以用RTD來實現這種測量
，它的精度可達±1℃以下。RTD是阻性元件
，電阻值取決於其周邊的溫度。它們有雙線、三線和四線結構。增加線數就可以增加精度。RTD需要一種電流源形式的激勵。電流源的值通常為100μA~1mA，用於PT100(0℃時100Ω)和PT1000RTD(0℃時1000Ω)。

 

當精度要求提高到±0.1℃時，溫度範圍就要折衷到更小的範圍(小於100℃)
，此時可以用熱敏電阻。與RTD類似，熱敏電阻的電阻值也是隨溫度而變化。熱敏電阻通常會接成一個電阻分壓器結構，其中另一隻電阻與熱敏電阻有相同的標稱值(25℃室溫下的阻值)。熱敏電阻的一端接至電源，另一端接另一隻電阻，然後接地(圖1)。探測溫度時
，測的是分壓器中點的電壓。可以預計，在25℃時的電阻為+V/2。如有偏差，則可以計算出熱敏電阻的阻值，並用一個查找表確定出被測的環境溫度。

總之
，溫度傳感器都需要偏置(可以是電壓或電流)。對於熱電偶來說，需要做冷結補償。德州儀器公司的LMP90100是一款24位傳感器模擬前端(AFE)
，它有四個差分或七個單端輸入、兩個匹配的可編程電流源，以及連續後台校準功能(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的設計挑戰。

zhexieleixingdechuanganqihaixuyaoyizhongpianzhidianyaxingshidejili。yalichuanganqiyouyizhongchangjiandebuzhengqueceliangfa，jiqiaozaikailuhuoduanluqingkuangxiazuoceliang。gengnanyitancedeshiyinchuanganqisunhuaihuosuishijianjiangjisuodaozhideliangchengwaixinhao。youyizhongfangfanengfaxiansuoyouzhexieguzhangmoshi
，jiushijiayigezhenduandianlu。zhezhongdianluhuizaiWheatstone橋的梯形電阻網絡中注入一個小電流，有時也稱為“耗盡”(burnout)電流
，然後再測量所獲得的電壓。

 

舉例來說，如果橋的輸出為相同電勢(+V/2)
，shibiaomingceliangjishangmeiyouyalima？haishiyinweixitongzhongyouyigeguzhang

，shishuchuduanlule
？xiangqizhongyigechafenshuchuzhurudianliu
，ranhouceliangshuchuduanzhijiandechafendianya，jiukeyijiedazhegewenti。zhengchanggongzuoqingkuangxia
，chafendianyashiqiaoneidianzushangdeyajiang。danshi，ruguoqueshicunzaizheduanlu，zeyajianghenxiaohuojihumeiyouyajiang。

 

簡言之，Wheatstone橋傳感器需要：一個激勵電壓、一個低噪聲/偏移的PGA

，以及診斷電路。LMP90100也非常適合用於這些類型的傳感器。它對傳感器做持續的後台傳感器診斷，能夠探測出開路、duanlu，yijichaoliangchengdexinhao。tacaiyongzaizhuanhuanhouzaixiangmougetongdaoneizhuruhaojindianliudefangfa，keyibimianzhurudehaojindianliuganraogaitongdaodezhuanhuanjieguo。zhenduandianlutigonglelianxudefeiqinruxingguzhangjiance，xiezhufenxichuguzhangdeyuanyin
，bingzuidachengdujianshaoxitongtingjishijian。

 

電化學元件通常廣泛用於有毒和無毒氣體的測量
，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測量原理是化學氧化與還原
，並產生一個與被測氣體成正比的電流。大多數元件都有三個電極：工作極(WE)

、計數極(CE)與參考極(RE)。WE極對目標氣體做氧化或還原
，產生一個與氣體濃度成正比的電流。CE對所產生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢

，以確保正確的工作區間。電化學元件會連接到一個恒電勢電路。這個恒電勢電路為CE提供電流(如有必要
，也提供偏置)。它將WE維持在與RE相同電勢上
，並用一個互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉換為一個電壓。

 

與很多傳感器類似，電化學傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能，就要測量元件的溫度。要根據該元件的性能-溫度圖(可在數據表中查到)，對其做適當的溫度校準。

 

傳感器、氣體類型
，以及氣體濃度水平都決定著傳感器工作極輸出的電流大小。為處理這種變化性，要使用可調增益的TIA。可能的電流範圍在一到數百微安量級，因此，TIA的增益在一到數百千歐範圍就足夠了。

 

不同的傳感器需要不同的偏置
，有些需要零偏置。要明白這些要求，這樣傳感器產生的電流才合乎規範。元件測量氣體時是氧化反應(CO)亦或還原反應(NO2)，相應地決定了元件是在WE拉入一個電流
，還是送出一個電流。在單電源係統下，TIA非反相端的電壓應做相應的電平調整
，以確保最大增益時不會使放大器輸出飽和。例如
，TIA產生的輸出電壓由下式決定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中
，IIN是通過反饋電阻進入TIA的電流。如果進入TIA的電流為正(還原反應)
，則VOUT相對非反相端的電壓將為負值。這個電壓應加以提升
，以避免輸出電壓碰到負電源軌。

基本上，電化學元件的重點就是溫度校正，以及一個提供電流吸入/供出
、電壓偏置

、電流-電壓轉換及電平變換的恒電勢電路。TI公司的LMP91000是一個可配置的AFE恒電勢電路

，可以滿足這些功能要求。它包含一個完整的恒電勢電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學元件偏置及內部零電壓。此外，這款傳感器AFE還包括了一個集成的溫度傳感器，采用小型14腳的4mm2封裝
，因此這款器件的直接定位是對電化學元件的精確溫度補償與改善噪聲性能。

 

並非所有氣體都能用電化學元件精確地測量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術，這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數氣體分子都會吸收IR光(吸收發生在某個波長上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通過樣本氣體
，用一個光濾波器隔離出有用的波長。

 

通常，會用一個內置濾波器的溫差電堆來檢測某種氣體的量。例如，由於CO2在波長4.26μm處有強吸收，可以用一個帶通濾波器，去除這個波長以外的所有光線。除了CO2和乙醇檢測以外，NDIR氣體傳感器也可以用於檢測溫室氣體
，以及氟裏昂這類製冷劑。

 

NDIR係統有一個主要問題，即經過一段時間以後，要確定檢測器上接收的光線是實際來源於氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內的汙染。在NDIR係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)開(kai)始(shi)時(shi)可(ke)以(yi)做(zuo)校(xiao)準(zhun)。但(dan)要(yao)解(jie)決(jue)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)後(hou)光(guang)源(yuan)的(de)劣(lie)化(hua)和(he)腔(qiang)內(nei)汙(wu)染(ran)問(wen)題(ti)
，就(jiu)需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)地(di)做(zuo)校(xiao)準(zhun)。這(zhe)種(zhong)校(xiao)準(zhun)工(gong)作(zuo)既(ji)費(fei)錢(qian)又(you)費(fei)時(shi)間(jian)，在(zai)長(chang)期(qi)現(xian)場(chang)運(yun)行(xing)條(tiao)件(jian)下(xia)並(bing)不(bu)可(ke)行(xing)。

 

解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)式(shi)是(shi)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)基(ji)準(zhun)通(tong)道(dao)。這(zhe)個(ge)基(ji)準(zhun)通(tong)道(dao)包(bao)含(han)一(yi)個(ge)探(tan)測(ce)器(qi)，用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)無(wu)吸(xi)收(shou)頻(pin)段(duan)中(zhong)的(de)光(guang)源(yuan)。現(xian)在(zai)，由(you)兩(liang)種(zhong)發(fa)射(she)光(guang)量(liang)的(de)比(bi)率(lv)就(jiu)可(ke)以(yi)探(tan)測(ce)出(chu)氣(qi)體(ti)的(de)汙(wu)染(ran)，還(hai)排(pai)除(chu)了(le)任(ren)何(he)由(you)於(yu)光(guang)源(yuan)偏(pian)離(li)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)誤(wu)差(cha)。由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)偏(pian)離(li)來(lai)自(zi)於(yu)長(chang)期(qi)的(de)漂(piao)移(yi)
，因(yin)此(ci)，無(wu)需(xu)同(tong)時(shi)對(dui)基(ji)準(zhun)通(tong)道(dao)和(he)活(huo)動(dong)通(tong)道(dao)做(zuo)采(cai)樣(yang)。可(ke)以(yi)用(yong)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)複(fu)用(yong)器(qi)，在(zai)兩(liang)個(ge)通(tong)道(dao)之(zhi)間(jian)做(zuo)切(qie)換(huan)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)了(le)精(jing)度(du)。

 

溫差電堆在NDIR係統中被用作一個IR探測器，它根據接收到的入射光量(以瓦為單位)，產生一個電壓。所測氣體類型、其qi吸xi收shou係xi數shu，以yi及ji氣qi體ti濃nong度du區qu間jian等deng都dou會hui影ying響xiang到dao溫wen差cha電dian堆dui探tan測ce器qi上shang的de入ru射she光guang量liang。結jie果guo就jiu是shi溫wen差cha電dian堆dui的de輸shu出chu電dian壓ya
，通tong常chang在zai數shu十shi微wei伏fu區qu間jian。因yin此ci

，需xu要yao設she計ji一yi些xie支zhi持chi電dian路lu，能neng夠gou以yi不bu同tong增zeng益yi對dui溫wen差cha電dian堆dui的de輸shu出chu電dian壓ya做zuo放fang大da。這zhe工gong作zuo可ke以yi交jiao給gei一yi隻zhi帶dai內nei置zhiPGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號放大給係統的滿量程ADC使用，獲得最大的係統精度，增益設定需要在數百到數千V/V範圍內。

 

NDIR係統設計中的另外一個因素是知道如何處理與溫差電堆傳感器有關的明顯偏移電壓。溫差電堆預計會有一個比實際信號更大的偏移分量(高達1mV)
，它限製了係統的動態範圍。盡量減少這問題的一種方法是在係統電路中集成偏移補償功能。一個方案是采用一隻DAC，對所測得偏移做出補償。係統微控製器可以捕捉到偏移的水平，通過設定ADC，使輸出向負電壓軌
，零標尺點移動，從而消除偏移。這種方案能用到ADC的全部動態範圍，從而盡量減少對ADC分辨率的要求。

 

lingwai，youyucunzaiwenchadianduidepianyidianya，yincixuyaojiangwenchadianduipianzhizaidiyishang。keyiyongyigegongmofashengqiwanchengzheyigongzuo，yongtaweichuanganqishijiayigegongmodianya。zhezhongfanganhuipianyiwenchadianduichuanganqidexinhaodianping

，shizhilikaifudianyagui，congerzaiyouchuanganqipianyidianyaqingkuangxiayenengzuochujingquedetance。

 

同樣，NDIR係統需要一個基準通道、可調放大倍率

、偏移補償，以及偏置。LMP91051可配置傳感器AFE為NDIR探測應用完成這些工作(圖4)。它有一個雙通道輸入，支持活動通道和基準通道
、PGA

、可調偏移抑製DAC
，以及共模發生器。LMP91051能夠將這些重要的NDIR係統塊集成到一起
，從而減少了設計時間、電路板空間、功率，以及成本。

 

pH電極是一種無源傳感器，意味著不需要激勵源(電壓或電流)。不過
，它是一種輸出電壓可以在基準點上下擺動的雙極傳感器。因此
，在單電源係統中

，傳感器需要以某個共模電壓為基準(通常是電源電壓的一半)
，以防止擺到大地。

 

一個pH電極的源阻抗非常高，因為薄玻璃泡有大電阻
，通常在10MΩ~1000MΩ範fan圍wei。這zhe意yi味wei著zhe隻zhi有you高gao阻zu抗kang測ce量liang電dian路lu才cai可ke以yi監jian控kong電dian極ji。此ci外wai，電dian路lu應ying有you低di的de輸shu入ru偏pian移yi電dian流liu
，因yin為wei即ji使shi最zui小xiao的de電dian流liu注zhu入ru高gao阻zu電dian極ji，也ye會hui產chan生sheng相xiang當dang大da的de偏pian移yi電dian壓ya
，從cong而er給gei係xi統tong帶dai來lai測ce量liang誤wu差cha。另ling外wai
，由you於yu在zai係xi統tong關guan斷duan時shi，也ye可ke能neng會hui從congpH電極拉出電流，持續長時間後可能使傳感器降級。因此，關鍵是要保持低的輸入偏移電流，即使測量電路並未通電。

pH電極產生的電壓輸出與待測溶液的pH值呈線性關係。圖5和圖6中的傳遞函數與pH範圍表明，當溶液的pH升高時
，pH測量電極所產生的電壓下降。注意，pH電極的靈敏度會隨溫度而改變。圖中的pH電極傳遞函數顯示，靈敏度會隨溫度而線性地增長。由於這一特性

，關鍵是要了解待測溶液的溫度
，並對測量作相應補償。

 

最後，pH傳感器需要一個高阻、低輸入偏移電流的接口
、共模電壓
，以及溫度補償能力。用於化學探測的LMP91200傳感器AFE就具備了這些功能(圖7)。用它的可編程電流源就可以方便地與RTD連接。它的多步溫度測量功能消除了溫度信號路徑中的誤差，從而進一步提高了溫度測量的精度。該器件的輸入偏置電流在25C時隻有數十fA量級，從而與高阻pH電極連接時最大限度地減少了誤差。最後，當器件關斷時，偏置電流隻有數百fA
，減少了由於拉出電流而帶來的電極衰退。

與工業傳感器相關的設計挑戰包括對激勵、增益

、溫度補償

、偏置抑製
、電流-電壓轉換、高阻接口
，以及診斷功能的需求。采用合適的AFE可以提高測量精度，同時降低設計複雜性。