汽車傳感器的種類介紹

概述

在現代工業控制和系統監測領域，通常需要監測、測量壓力和重量。由於壓力可直接用來測量流體、高度及其它物理量，壓力測量尤其重要。由於加載是影響傳感器輸出的一項屬性，壓力、重量測量裝置可以看作是「加載傳感器」。加載傳感器的應用非常廣泛，包括從真空計到重型機械稱重，以及工業液壓設備、絕對壓力傳感器等各個領域。每種應用對精度、準確度和成本都有不同的具體需求。

雖然壓力和重量(加載/感應)的測量方法和技術有許多，但最常用的測量裝置是應力計。

最常見的應力計有兩種：一種是重量/壓力傳感器大多採用的金屬箔；另一種是基於半導體的壓阻式傳感器，廣泛用於壓力測量。相對於金屬箔傳感器，壓阻式傳感器靈敏度更高，線性度也更好，但容易受溫度的影響，並有一定的初始偏差。

從原理上講，所有應力計在受到外力時都會改變電阻值。因此，有電信號激勵時，即可有效地將壓力、重量轉換成電信號。通常在惠斯通電橋(有時稱為測壓元件)上放置1個、2個或4個這樣的有源電阻元件(應力計)，從而產生與壓力或重量對應的差分輸出電壓。

工程師可以設計一種能夠滿足多種加載/感應系統需求的傳感器模塊。一款成功的設計需要包括用於檢測物理量的傳感器元件和設計合理的信號鏈路。

圖1 加載/感應系統的信號鏈路框圖。

完備的信號鏈路方案

傳感器信號鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號。為了準確測量電阻式傳感器輸出電壓的變化，電路必須具備以下功能：激勵、放大、濾波和採集。有些解決方案可能還要求採用數位訊號處理(DSP)技術對信號進行處理、誤差補償、數字放大以及用戶可編程操作。

激勵

具有極低溫漂的高精度、穩定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵。傳感器輸出與激勵源成比例(往往以mV/V表示)。因此，設計時，模/數轉換器和激勵電路通常採用一個公共基準，或者將激勵電壓作為ADC的基準。可以利用附加的ADC通道精確測量激勵電壓。

傳感器/電橋

信號鏈路的這部分功能包括應力傳感器，它被放置在測壓元件(惠斯通電橋設計)部分，如上文中的「概述」部分。

放大和電平轉換模擬端(AFE)

有些設計中，傳感器輸出電壓範圍非常小，要求解析度達到nV級。這種情況下，在將傳感器輸出信號送至ADC輸入之前，必須對信號進行放大。為了防止放大階段引入誤差，需要選擇低失調電壓(VOS)、低溫漂的低噪聲放大器。惠斯通電橋的缺點是共模電壓遠遠大於有用信號。這意味著LNA還必須具有非常高的共模抑制比(CMRR)，通常大於100dB。如果採用單端ADC，則需附加電路在數據採集之前消除較高的共模電壓。此外，由於信號帶寬很窄，放大器的1/f噪聲也會引入誤差。因此，最好採用斬波穩定放大器。使用解析度非常高的ADC，佔用滿量程範圍的一小部分有助於降低對放大器的苛刻要求。

採集-ADC

選擇ADC時需嚴格確認其技術指標，例如：無噪聲範圍或有效解析度，該指標表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標是無噪聲計數或編碼。大多數高精度ADC的數據資料把這些指標表示為噪聲峰值或RMS 噪聲與速度的對應關係表，有時也以噪聲直方圖的形式表示這些指標。

其它需要考慮的ADC指標包括：低失調誤差、低溫漂及優異的線性度。對於特定的低功耗應用，速度與功耗的關係也是非常重要的規格。

濾波

傳感器信號的帶寬一般很窄，對噪聲的敏感度較高。因此，通過濾波限制信號的帶寬可顯著降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡化噪聲濾波要求，因為這種架構提供固有的過採樣特性。

數位訊號處理(DSP)-數字域

除模擬信號調理外，為了提取信號並降低噪聲，還需要在數字域對所採集的信號作進一步處理。通常需要找到針對具體應用及其細微差別的算法。有些通用算法，例如，數字域的失調和增益校準、線性化處理、數字濾波和基於溫度(或其它制約因素)的補償。

信號調理/集成方案

有些集成方案把所有需要的功能模塊集成在單一晶片，通常稱為傳感器信號調理器IC。信號調理器是一種專用IC (ASIC)，它對輸入信號進行補償、放大和校準，能夠覆蓋較寬的溫度範圍。根據對信號調理器的不同精度要求，ASIC會集成以下全部或部分模塊：傳感器激勵電路、數/模轉換器(DAC)、可編程增益放大器(PGA)、模/數轉換器(ADC)、存儲器、多路復用器(MUX)、CPU、溫度傳感器以及數字接口。

常見的信號調理器有兩種類型：模擬信號通路的調理器(模擬調理器)和數位訊號通路的調理器(數字調理器)。模擬調理器的響應時間較快，提供連續的輸出信號，反映輸入信號的實時變化。它們通常採用硬體補償機制(不夠靈活)。數字調理器往往基於微控制器，由於ADC和DSP算法具有一定的執行時間，響應時間較慢。應該考慮ADC的解析度，將量化誤差降至最小。數位訊號調理器的最大好處是提供靈活的補償算法，可根據用戶的應用進行調整。

溫度檢測

概述

溫度檢測在工業系統中的主要作用表現在三個方面。

1.溫度控制，例如恆溫爐、冷凍箱和環境控制系統，根據實測溫度判斷實施加熱/致冷操作。

2.校準各種傳感器、振蕩器及其它經常隨溫度變化的元件。由此，必須通過測量溫度確保敏感系統元件的精度。

3.保護元件和系統在極端溫度下不被損壞。溫度檢測決定所要採取的相應措施。

熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是目前應用最廣的溫度檢測技術。每種設計方案都有其自身的優勢(例如成本、精度、測溫範圍)，適合不同的特定應用。以下將逐一討論這些技術。

除提供業內最全面的專用溫度傳感器IC外，Maxim還推出了系統與熱敏電阻、RTD及熱電偶接口所需的任何器件。

圖2 溫度檢測應用的信號鏈路框圖。

熱敏電阻

熱敏電阻的阻值取決於溫度，一般由半導體材料製成，如金屬氧化物陶瓷或聚合物。應用最廣泛的熱敏電阻是負溫度係數電阻，因此，熱敏電阻通常稱為NTC。同樣，也存在正溫度係數的熱敏電阻(PTC)。

熱敏電阻能夠測量中等溫度範圍，通常最高可達+150°C，有些熱敏電阻可以測量更高溫度；根據精度的不同，成本一般在中、低端；線性度雖然較差，但可預測。熱敏電阻可以是探頭、表貼封裝、裸線等不同形式的專用封裝。Maxim提供能夠將熱敏電阻阻值轉換為數位訊號的IC，如MAX6682。

熱敏電阻往往連接一個或多個固定阻值電阻，形成分壓器。分壓器輸出通常經過ADC進行數字轉換。利用查找表或通過計算對熱敏電阻的非線性進行修正。

RTD

電阻溫度檢測器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來製造RTD。

RTD具有較寬的測溫範圍，最高達+750°C，具有較高精度和較好的可重複性，線性度適中。對於Pt-RTD，最常見的電阻值為：0°C時，標稱值為100Ω或1kΩ，當然也有其它電阻值。

RTD的信號調理可以非常簡單：將RTD與一個精密的固定阻值電阻相連，構成分壓器；也可以採用更複雜的信號調理，尤其是在寬溫測量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準和高解析度ADC，如圖3所示。利用查找表或通過計算、外部線性化處理電路對傳感器進行線性化調整。

圖3 RTD信號調理電路簡化圖

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬製成。金屬絲之間的觸點所產生的電壓與溫度近似成比例關係。有幾種類型的熱電偶分別以字母表示。最常見的熱電偶為K型熱電偶。

熱電偶具有非常寬的測溫範圍，高達+1800°C；成本很低，具體成本與封裝有關；具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40?V/°C；線性度適中，並可提供適當的複雜信號調理，即冷端補償和放大。

由於熱電偶輸出信號較低，利用熱電偶測量溫度具有一定難度。由於熱電偶金屬絲連接到信號調理電路的銅線(或引線)時，在觸點位置又會產生額外的熱電偶，進一步加劇了測量的複雜性。該觸點稱為冷端(圖4所示)。為了利用熱電偶準確測量溫度，必須在冷端位置增加第二個溫度傳感器，如圖5所示。然後將冷端測量溫度與熱電偶測量值相疊加。圖5所示電路是一種實施方案，其中包括多款精密元件。

圖4 熱電偶電路簡化圖