在許多工業應用中，感知，記錄和交流關于環境條件的數據是至關重要的。許多工業過程涉及高溫，高壓，振動和腐蝕性氣體或液體，但是傳感對于控制和監測這些過程是非常重要的，通常在非常惡劣的環境條件下進行。在許多這些應用中，控制對于設備，過程或者操作員來說是安全的關鍵要素。許多這些控制系統中的薄弱環節是傳感功能，因為它們通常在惡劣環境中最惡劣的環境下使用?？刂葡到y通?？梢赃h離最惡劣的環境，因此它們可能沒有傳感元件那么嚴格。
具有嚴格的傳感和控制要求的常見惡劣環境的示例性例子是在井下鉆井中，精確控制鉆井或提取過程是至關重要的。如果沒有持續的控制，這個過程可能需要更長的時間，需要更多的維護中斷，甚至損壞復雜和昂貴的設備。在最壞的情況下，如果控制系統沒有采取嚴格的糾正措施，操作人員可能會處于危險之中。試圖以較低精度或較不可靠的傳感器節省幾美元，最終可能損失數百萬美元的時間，設備損壞甚至操作員受傷或死亡。
井下應用中的傳感要求可以覆蓋很廣的范圍。對于在井下應用中能夠追蹤溫度，壓力，電阻率，甚至伽馬射線輻射水平的傳感器來說，這并不罕見（圖1）。這些傳感器顯然需要承受典型的井下環境中發現的高溫，高壓，振動和腐蝕，但精度也是非常重要的。早期發現的微小變化可以使控制過程更容易識別趨勢，這些趨勢可能是需要減輕或控制的系統壓力的早期預警信號。幸運的是，有傳感器可以承受惡劣的環境，并提供先進控制系統所需的精確測量。

圖1

圖1：井下感測對于安全性和效率至關重要。

惡劣環境的系統架構

如前所述，嘗試在惡劣的環境設計中分離感測元件和控制元件通常是有幫助的。這將更復雜的電子設備放置在距環境最惡劣的地方一段距離處，并將更強大的傳感器放置在最具挑戰性的區域。然而，通常在傳感器附近需要一定量的控制來管理數據采集和數據傳輸到遠程控制系統。此外，將數據記錄到傳感器盒內或附近可能很重要，以便可以對過程進行完整的記錄以進行效率測量或發生故障（類似于使用“黑盒”在飛機上幫助確定事故發生后的錯誤或失敗的根本原因）。記錄數據還需要一定量的控制來管理過程。
構建系統的一種方法是將簡單的控制器放置在傳感元件附近，以實現通信和記錄功能的最低要求（圖2）。在傳感器組件附近的多個傳感器位于發生環境感測的地方。本地傳感器控制器可以捕獲傳感器讀數并對其進行處理以減少數據傳輸開銷。通信控制器可以位于距傳感器組件一定距離處，以稍微減少惡劣的環境要求。數據處理和算法處理的大部分可以通過位于遠程的中央控制器完成，也許使用通用的工業計算機?？刂破髦g的通訊可以通過無線方式進行，如果環境允許的話，或者通過電纜或光纜。

圖2

圖2：井下傳感器應用的示例系統架構，假定光纖是優選的，因為它們能夠以最小的電干擾進行長距離通信。

傳感器和信號鏈

溫度傳感器可能是最知名的傳感器類型，鉑基傳感器隨溫度而改變電阻，非常普遍。例如，霍尼韋爾700系列鉑電阻薄膜傳感器覆蓋從-70°到500°C的溫度范圍，即使在最惡劣的溫度下也能正常工作。用于壓力，磁力，流體流量，氣體或位置的其他傳感器可以共同位于堅固的傳感器外殼中，以提供一定的振動和機械應力保護。傳感器通常需要通過電子信號鏈進行監控，包括放大，模數轉換以及甚至一些信號處理以從嘈雜的環境中提取信號。找到實現在高溫范圍內工作的這一部分設計所需的元件可能是一個挑戰，但幸運的是一些制造商提供了在高溫應用中感測所需的產品類型的擴展溫度范圍。
也許并不出乎意料，德州儀器提供了一系列面向信號鏈的器件，可在-55o到210oC的寬溫范圍內工作。這些產品可以創建從TI OPA 2333等高溫運算放大器（運放）開始所需的輸入信號鏈。然后，運算放大器的輸出可以饋入高溫模數轉換器，如TI ADS1278。由于這些產品具有如此寬的溫度范圍，并采用堅固耐用的陶瓷封裝，因此即使在非常惡劣的環境下，也可用于傳感器應用。

控制系統架構

使用圖2中的示例設計，設計工程師需要三個級別的控制能力。具有一定信號處理能力的控制器最接近傳感器。除傳感器之外，在通信包中，需要一個簡單的控制器來處理通信和記錄功能。最后，在通信傳輸線的另一端，需要工業計算機來提供鉆井過程的高級算法控制和監視。
傳感器控制和監控是處理密集度最高的，也需要最強大的控制器。德州儀器（TI）的TMS320F2812數字信號處理器是這個任務的一個候選者。它可以在位于環境最惡劣的環境中的傳感器組件所需的擴展溫度范圍（-55o至210oC）內工作。DSP功能使其能夠在將數據發送到通信軟件包之前處理數據，從而降低了所需的整體帶寬 - 顯著提高了效率。
通信控制器可以是一個更簡單的處理器，甚至可能是恩智浦半導體的MC9S12D64F0VFUE等16位MCU 。對控制器的溫度要求不太嚴格，高達105oC的操作溫度就足夠了。這類MCU具有將傳感器封裝到系統控制器的通信流量進行管理以及實現任何所需的數據記錄功能所需的全部功能。
中央控制器的要求最低，因此具有大量計算和存儲能力的標準工業計算機是不錯的選擇。例如，凌華科技AmPro堅固耐用的小尺寸單板計算機即使在-40°C至85°C的溫度范圍內也可以使用。它具有英特爾凌動處理器; 2 GB DDR2 SDRAM; 8GB工業級SSD; 以及用于USB，LAN，SDIO，CAN和SATA的接口，甚至還有一個24位LVDS接口，用于堅固耐用的顯示器。支持各種操作系統，以便輕松移植現有軟件。

通訊鏈接

從傳感器一直到中央控制器的信號都將面臨嚴峻的挑戰。通信鏈路可以使用光纖，電纜或無線，取決于所需的距離和環境的特性。顯然，無線作為連接介質提出的挑戰最小，但在許多噪聲或障礙物可能導致干擾的環境中（如井下應用）可能無法實現。
光纖電纜和堅固的連接器是長距離通信的有效選擇。一些光纖連接器系統，如Molex LC2 +金屬光學連接器，使用特殊的高溫金屬體，可承受高達150oC的長期工作溫度以及嚴重的沖擊和振動。
如果過度的信號噪聲和燃燒風險不存在，電氣通信適用于短距離。如果需要非常高的帶寬，串行傳輸協議可以低速使用（如傳統的UART速率），甚至可以達到10G以太網。使用任何有線通信方案時，必須使用堅固的連接器來承受高溫或嚴重的振動。例如，來自TE Connectivity的CeeLok FAS-T連接器可用于Cat 5e（用于1 Gbit以太網）或Cat 6a（用于10 Gbit以太網）布線的各種通信系統。在圖2的示例設計中，從傳感器封裝到通信控制器的有線連接將是適當的。根據傳感器的數量和監控頻率，可以實現簡單的UART或低速以太網協議。
以井下鉆探應用為代表的惡劣環境與傳統環境相比，會嚴重制約設計工程師的實施選擇。具有擴展的溫度范圍（甚至高達200oC）的組件使得在非常具有挑戰性的環境中構建健壯而復雜的傳感系統成為可能。通過在最惡劣的條件下遠程分配通信和數據記錄功能，可以使用范圍更廣的產品，其中最高溫度為85o或105oC的設備就足夠了。這種分布式的系統實現方法可以擴展到各種各樣的應用中，即使環境挑戰可能與蜂窩基站或高性能服務器機架的機箱控制卡一樣嚴重。