为什么工业传感器会出错？

pH电极是一种无源传感器，其意味着无需激励源(电压或者电流)。但是，它是一种双极传感器，它的输出可以围绕基准点上下摆动。因此，在一个单电源系统中，传感器需要参考共模电压(通常为半电源)，以防止其轨接地。

由于薄玻璃壳具有很大的电阻(范围通常为10MΩ到1000MΩ)，因此pH电极的源阻抗非常高。这意味着，只能通过一个高阻抗测量电路来监测电极。另外，该电路应具有低输入偏置电流，因为即使注入高阻抗电极的电流极小，也会形成明显的偏移电压，并给系统带来测量误差。另外，即使系统关闭，随着时间的推移，pH电极所吸的电流也可能会使传感器老化。因此，即使在未向测量电路供电时，也应维持低输入偏置电流，这一点很重要。

pH电极产生的电压输出线性依赖于解决方案的被测pH。图6和图7所示传输函数和pH刻度表明，当解决方案的pH增加时，pH测量电极产生的电压降低。注意，pH电极的灵敏度随温度而变化。观察pH电极传输函数曲线，我们可以看到，灵敏度随温度上升而线性上升。由于这种特性的存在，了解解决方案的被测温度，并对测量进行相应的补偿至关重要。


图6：pH电极传输函数
图7：pH刻度

最后，pH传感器要求高阻抗、低输入偏置电流接口、共模电压和温度补偿功能。用于化学检测的LMP91200传感器AFE可以满足以上要求(请参见图8)。通过其可编程电流源，你可以轻松地连接RTD。利用多级温度测量功能，消除了温度信号路径的误差，从而进一步增强了温度测量精确度。25℃下时，这种器件的输入偏置电流范围仅为数十fA，最小化了连接高阻抗pH电极时的误差。最终，器件关闭时偏置电流仅为数百fA，从而把长时间电流消耗带来的电极老化降至最低。


图8：用于化学检测的LMP91200可配置传感器AFE

我们讨论了一些与工业传感器相关的最为普遍的设计挑战。这些挑战包括激发、增益、温度补偿、偏移抵消、电流到电压转换、高阻抗接口和诊断电路等。使用一个正确的AFE，可在降低设计复杂程度的同时提高测量精确度。

市场上，有许多可配置和易用型传感器AFE供我们选择。在TI，这些器件与在线设计工具“WEBENCH Sensor AFE Designer”结合使用。这种设计工具让广大系统设计人员可以开发出高性能的集成传感器系统，并同时缩短产品上市时间。

参考文献

“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.