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設(shè)計傳感器信號調(diào)節(jié)電子器件及相關(guān)校正算法并非易事，而且耗時長。使用硬件傳感器仿真器可顯著縮短 開發(fā)時間。例如，造成溫度校正費時的一個主要原因是在環(huán)境艙中溫度從冷到熱循環(huán)時間長，可能需要幾小時溫度才能達到穩(wěn)定，像典型的三點校正(-55℃、 25℃和85℃)需要八小時。傳感器仿真器中已經(jīng)設(shè)置了傳感器溫度漂移的模型，這樣控制工程師僅需幾分鐘即可完成仿真校正。這樣一天之內(nèi)可以做很多校正， 節(jié)省了時間，僅需將注意力集中在傳感器硬件的調(diào)試或開發(fā)校正算法。 傳感器的另一問題是有些傳感器需要昂貴的設(shè)備提供激勵(比 如，濕度、加速、pH、壓力和拉力)。在很多情況下并不容易接觸這些設(shè)備。使用 傳 感器仿真器可以在使用這樣設(shè)備之前調(diào)試軟硬件，可提高實驗室研究的效率。此外，這些用于產(chǎn)生激勵的設(shè)備有時是為特定傳感器而開發(fā)的，未必通過驗證。 例如，Contrivance Engineering開發(fā)的定制機械校正系統(tǒng)用于在傳感器上加力矩。由于傳感器是與那些校正系統(tǒng)同時開發(fā)的，沒有傳感器仿真器則很難調(diào)試這些傳感器。而 且，如果校正系列一開始就存在機械振蕩問題，如果沒有仿真器，很難確定振蕩是機械系統(tǒng)產(chǎn)生的還是來自電氣系統(tǒng)。 傳感器還可能在不可重復(fù) 的問題，這樣就很難判斷是傳感器的故障還是傳感器的性能所限。比如，壓力傳感器除了延時外，還會存在壓力滯后或溫 度滯后，因為傳感器和電子器件通常放置在密封盒中，這樣就很難判斷故障是來自傳感器的還是電子器件的。傳感器趕集器不存在不可重復(fù)性，因此可*估傳感器電 子器件的精度。 在詳細講解如何實現(xiàn)傳感器仿真器之前，可把它視作一個黑箱。本文的傳感器仿真器用于仿真四元件Wheatstone橋傳感器。由于大多數(shù)橋傳感器提供相關(guān)的溫度傳感器，因此它可效仿兩種不同類型溫度傳感器的效果(二極管和串行電阻)。 圖1 (a和b)分別為要效仿的橋傳感器實例 橋傳感器示例 PGA309 是典型的信號調(diào)節(jié)片上系統(tǒng)，它可用于補償溫度漂移和阻性橋傳感器的非線性。圖1a為橋傳感器實例，其溫度系數(shù)將用于確定電阻電 壓(Rt)。Rt上的電壓為溫度信號。仿真器可模擬Rt溫度感應(yīng)方法，它提供一個可編程溫度信號，根據(jù)溫度信號調(diào)制橋電壓。該傳感器仿真器還可模擬圖1b 的電路，該圖中二極管用于測量橋溫度。 圖2 傳感器的溫度飄移 圖3 傳感器輸出信號與激勵間關(guān)系 圖2描述了傳感器的溫度飄移。傳感器仿真器將三個不同溫度(室溫、熱和冷)下的飄移建立了模型。圖3為傳感器輸出信號與激勵間關(guān)系。通常該信號僅包括二階非線性。傳感器仿真器將傳感器響應(yīng)與所加激勵在室溫下五個分立點及冷熱兩種溫度下三個分立點的情況分別模擬出來。 傳感器溫度漂移 輸出信號與激勵的關(guān)系 傳感器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常調(diào)制激勵電壓以校正傳感器的非線性。由于Vexc的調(diào)節(jié)可用于校正所加壓力的非線性，因此才可以用于為現(xiàn)實傳感器建模，即傳感器仿真器輸入Vexc的變化將直接影響所仿真的橋輸出。 圖4 視作黑箱的傳感器仿真器 圖4 表示了視作黑箱的傳感器仿真器。注意到Vexc輸入、傳感器輸出和溫度信號輸出，以及溫度輸出和傳感器輸出的控制。溫度輸出控制有三個 不同溫度(室溫、高溫和低溫)。傳感器輸出有如下輸出：0、50%及100%低溫、0、25、50、75和100室溫、0、50和100%高溫。 傳感器仿真器可視作黑箱 有些工程師也許會問，為何提高精度并不能解決問題，比如采用精密電源(如毫伏校正器)模擬傳感器輸出。使用電壓源模擬傳感器輸出的主要問題 是它不能用傳感器的激勵電壓調(diào)制。傳感器的電子器件通常用改變傳感器激勵電壓的方式校正非線性，當(dāng)傳感器用于放射滴定時也會變化。在這種模式下，傳感器和 電子器件共用一個電源。測試放射滴定電源抑制很難用精確的電源實現(xiàn)。 在模擬傳感器的時候需要三個精確電源。一個用于共模信號，一個用于差分信號，另一個用于溫度信號(參見圖5)。這種設(shè)置比本文建議的仿真器方式成本高，而且它需要對每個傳感器輸出配置進行重設(shè)置。而仿真器輸出配置僅需設(shè)置一次，并通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)選擇。 圖5 溫度信號電源 仿真?zhèn)鞲衅魉璧娜齻�精密電壓源其中之一。 傳感器仿真器的簡單實施 Wheatstone橋傳感器的仿真器有多種實現(xiàn)方式。這里介紹的方式非常直觀，它采用整形電位計和旋轉(zhuǎn)開關(guān)，如果使用更復(fù)雜的方法，可以用D/A轉(zhuǎn)換器、微控制器、PC接口和相關(guān)軟件。這兩種方法有各自的優(yōu)勢，用直觀的方式可避免使用軟件。 圖5 介紹了傳感器仿真器的單個通道和。完整的設(shè)計使用十一個通道和旋轉(zhuǎn)開關(guān)以產(chǎn)生十一個獨特的輸出狀態(tài)。這十一種不同的輸出狀態(tài)通常用于模 擬不同激勵下在三種不同溫度時的傳感器輸出。使用這種配置是因為，大多數(shù)常用傳感器校正算法需要三個不同溫度和三種不同程度的激勵。通過調(diào)節(jié)R8(精調(diào)時 使用R9)產(chǎn)生差分信號。使用圖中所示的元件，激勵電壓為5V時，電路輸出范圍為±25mV。數(shù)小時的測量穩(wěn)定度約為0.03%。該電路的輸出范圍可通過 改變R7和R10來實現(xiàn)。例如，激勵電壓為5V時，使用1k歐電阻可將范圍變?yōu)椤?50mV。這樣電路可用于模擬不同范圍的傳感器輸出，提高精度和可重復(fù)性。 該傳感器仿真器還可以模擬溫度輸出信號。大多數(shù)傳感器內(nèi)置了簡單的溫度傳感器以監(jiān)視橋傳感器溫度。前文已經(jīng)提及傳感器通常用二極管產(chǎn)生溫度信號，或者使用橋電阻的溫度系數(shù)(the Rt method). 圖6 產(chǎn)生Rt溫度信號 圖6解釋了如何產(chǎn)生Rt溫度信號。R2和R3用于模擬橋電阻的溫度系數(shù)，R4用于溫度傳感器電阻Rt。 如何產(chǎn)生Rt溫度信號的仿真 相同的阻性分壓器可用于產(chǎn)生常溫、高溫和低溫信號。該電路的另一優(yōu)勢是Rt溫度信號可通過傳感器的激勵電壓調(diào)制。U3和U4緩存溫度輸出信 號，可用于調(diào)節(jié)傳感器輸出信號，這樣傳感器輸出信號相當(dāng)于串聯(lián)橋。溫度感應(yīng)的二極管方法僅需用阻性分壓器代替二極管即可實現(xiàn)。而且同樣的電路也可與旋轉(zhuǎn)開 關(guān)共同使用以產(chǎn)生室溫、高溫和低溫信號。 |
