剖析傳感器診斷功能的電化學(xué)氣體測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣體檢測儀器廣泛應(yīng)用于從家用空氣質(zhì)量測量設(shè)備到工業(yè)有毒氣體檢測解決方案的各種應(yīng)用。電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用的歷史可以追溯到1950年代，當(dāng)時(shí)開發(fā)了用于氧氣監(jiān)測的電化學(xué)傳感器。這種技術(shù)的首批應(yīng)用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖的缺氧情況。

在接下來的幾十年中，該技術(shù)得到了發(fā)展，傳感器變得小型化并能檢測多種目標(biāo)氣體。其中許多儀器使用電化學(xué)氣體傳感器。這種傳感器技術(shù)需要專門的前端電路來進(jìn)行偏置和測量。

利用內(nèi)置診斷特性（例如阻抗頻譜或偏置電壓脈沖與斜坡），可以檢查傳感器健康狀況，補(bǔ)償老化或溫度引起的精度漂移，估計(jì)傳感器的剩余壽命而無需用戶干預(yù)。這種功能允許各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)更換智能、精確的傳感器。集成超低功耗微控制器直接偏置電化學(xué)氣體傳感器并運(yùn)行板載診斷算法。

圖1：典型電化學(xué)氣體傳感器信號鏈

電化學(xué)氣體傳感器基礎(chǔ)知識

圖2所示電路顯示了電化學(xué)氣體傳感器如何連接到恒電位儀電路，以及如何對其進(jìn)行偏置和測量。常見的2引線、3引線和4引線電化學(xué)氣體傳感器可以互換使用。該信號鏈的集成顯著縮減了傳感器節(jié)點(diǎn)的成本、尺寸、復(fù)雜性和功耗。

圖2：電化學(xué)氣體傳感器與恒電位儀連接示意電路圖。

電化學(xué)氣體檢測的基本原理是目標(biāo)氣體在電極處發(fā)生氧化或還原，進(jìn)而產(chǎn)生電流，測量此電流便可檢測到目標(biāo)氣體。最常見的傳感器有兩個(gè)或三個(gè)電極。一些傳感器還有第四個(gè)電極。在3電極配置中，各電極分別被稱為工作電極（WE，也稱為檢測電極（SE））、參比電極（RE）和反電極（CE）。上圖為這種電化學(xué)單元的簡化示意圖。

目標(biāo)氣體通過多孔工作電極進(jìn)入傳感器室并擴(kuò)散到電解質(zhì)（最常見的是酸）中，在那里它被氧化或還原。此反應(yīng)產(chǎn)生的電流隨即被外部恒電位儀電路檢測到，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓電平。

常常需要在傳感器電極上施加連續(xù)或脈沖式偏置電壓，以確保性能最優(yōu)。對于3電極傳感器，偏置電壓施加于RE和WE之間。CE處發(fā)生與RE和WE之間等量但相反的反應(yīng)。如果WE處發(fā)生還原反應(yīng)，則CE處發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖3：電化學(xué)氣體傳感器—簡化圖

電化學(xué)氣體傳感器的應(yīng)用及相關(guān)參數(shù)計(jì)算

氣體傳感器的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了傳感器正常電化學(xué)操作所需的偏置電壓。偏置電壓是指RE和SE/WE之間的電壓差。該差分電壓由低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器（LPDACx）的輸出設(shè)置。LPDACx有兩個(gè)輸出：一個(gè)12位分辨率的輸出（VBIASx）和一個(gè)6位分辨率的輸出（VZEROx）。

LPDACx的VBIASx輸出內(nèi)部連接到功率放大器（PA）的同相端。在外部，VBIASx必須通過100 nF電容連接到AGND引腳。PA放大器的輸出直接連到傳感器的CE。至PA放大器反相端的反饋來自傳感器的RE引腳；因此，VBIASx電壓決定RE引腳電壓。

LPDACx的VZEROx輸出內(nèi)部連接到低功耗跨阻放大器LPTIAx的同相端。請勿將此引腳用作外部電路的電壓源。電化學(xué)氣體傳感器本身僅通過REx、CEx和SEx端子連接到ADuCM355，可選的第四個(gè)端子可用于診斷電極（DEx），如圖2所示。

使用下式得出傳感器的有效偏置電壓：

VBIAS_EFF = VVBIAS – VVZERO

建議將VZERO電壓設(shè)置為1100 mV，然后根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)手冊中的傳感器偏置電壓值設(shè)置VBIAS電壓。

根據(jù)傳感器類型，偏置電壓也可能為負(fù)。以下公式說明了如何配置DAC的正偏置電壓和負(fù)偏置電壓。

當(dāng)所需偏置電壓為正時(shí)（12位輸出 ≥ 6位輸出），

VVBIAS = 0.2 V + （LPDACDAT［11:0］ × 0.54 mV） +0.54 mV

VVZERO = 0.2 V + （LPDACDAT［17:12］ × 34.38 mV）

當(dāng)所需偏置電壓為負(fù)時(shí)（12位輸出 《 6位輸出），

VVBIAS = 0.2 V + （LPDACDAT［11:0］ × 0.54 mV）

VVZERO = 0.2 V + （LPDACDAT［17:12］ × 34.38 mV）

其中：

LPDACDAT為低功耗DAC的數(shù)據(jù)輸出控制寄存器。

0.54 mV約為12位DAC的1 LSB。

34.38 mV約為6位DAC的1 LSB。

傳感器的檢測/工作電極（WE）通過反相輸入引腳SEx連接到LPTIAx。LPTIAx具有可編程負(fù)載電阻（RLOAD）和可編程增益電阻（RTIA）。流入/流出傳感器SE電極的電流反映傳感器周圍的大氣中的目標(biāo)氣體。

傳感器數(shù)據(jù)手冊用“電流/ppm”來表示該量。LPTIAx放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行緩沖和測量。選擇RTIA電阻值，使其最大化ADC輸入范圍±900 mV。RTIA值使用下式計(jì)算：

其中：

0.9 V為ADC輸入范圍。

Sensitivity定義為nA/ppm。

Max_Range為傳感器的最大范圍，單位為ppm。

微控制器可以計(jì)算流入/流出SEx引腳的電流，并確定目標(biāo)氣體的ppm水平。

基于ADuCM355的單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)

ADuCM355是一款片內(nèi)系統(tǒng)，可控制和測量電化學(xué)傳感器和生物傳感器，該器件是一款基于Arm Cortex-M3處理器的超低功耗混合信號微控制器，具有電流、電壓和阻抗測量功能。非常適合用于電化學(xué)氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及食品質(zhì)量、生命科學(xué)和生物感測分析等。

圖4：ADuCM355的簡化功能框圖

ADuCM355提供了克服電化學(xué)氣體檢測技術(shù)挑戰(zhàn)的手段。兩個(gè)測量通道不僅支持最常見的3電極氣體傳感器，還支持4電極傳感器配置。第四個(gè)電極既可用于診斷目的，也可以在雙重氣體傳感器中用作第二目標(biāo)氣體的工作電極。

任一恒電位儀也可以配置為休眠模式以降低功耗，同時(shí)保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運(yùn)行之前可能需要的穩(wěn)定時(shí)間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，例如電化學(xué)阻抗譜和計(jì)時(shí)安培分析法。集成的微控制器可用于運(yùn)行補(bǔ)償算法、存儲校準(zhǔn)參數(shù)以及運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。ADuCM355在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了EMC要求，并經(jīng)過預(yù)先測試，符合EN 50270標(biāo)準(zhǔn)。

如果應(yīng)用不需要集成微控制器，可以使用僅有前端的版本——AD5940

傳感器健康狀況診斷和預(yù)期壽命

不同制造商以及針對不同目標(biāo)氣體的電化學(xué)氣體傳感器，壽命也會不同。有關(guān)預(yù)期壽命的信息可在傳感器制造商的數(shù)據(jù)手冊中找到。然而，實(shí)際壽命強(qiáng)烈依賴于儲存和工作條件。電化學(xué)氣體傳感器的壽命和需要定期校準(zhǔn)，是這類傳感器最具挑戰(zhàn)性的方面。因此，人們希望能夠直接在儀器中監(jiān)測傳感器的健康狀況。

ADuCM355內(nèi)置波形發(fā)生器和離散傅里葉變換（DFT）模塊，通過對反電極應(yīng)用交流信號掃描可實(shí)現(xiàn)阻抗頻譜測量。該測量可顯示電極之間電荷轉(zhuǎn)移的質(zhì)量，從而有效檢測傳感器電解質(zhì)的老化情況。實(shí)驗(yàn)室測試表明傳感器的阻抗和靈敏度之間有很好的相關(guān)性。

檢測傳感器健康狀況的其他方法包括脈沖測試和斜坡測試。這些測試是在偏置電壓之上施加一個(gè)電壓脈沖或斜坡，以分別測試傳感器響應(yīng)度和電荷轉(zhuǎn)移。

所有這些測量結(jié)果與ADuCM355上運(yùn)行的算法相結(jié)合，有助于改善電化學(xué)氣體傳感器的精度、性能和壽命。為實(shí)現(xiàn)這種級別的智能診斷和預(yù)測，需要通過測試（例如加速老化）來獲得大量傳感器的特征。

傳感器板上提供了外部溫度和濕度傳感器。它通過I2C接口連接到ADuCM355。大多數(shù)電化學(xué)傳感器的性能會隨溫度和濕度而變化，因此需要補(bǔ)償這些影響。此外，值得一提的是，該電路使用3引線電化學(xué)氣體傳感器（CE、RE、WE）進(jìn)行測試。

但是，它也可以支持4引線（CE、RE、WE1、WE2）和2引線傳感器（CE和WE）。四引線傳感器有多種電極配置。第四電極可用作附加診斷電極（DE）。有些傳感器可以檢測兩種氣體，在這種情況下，第四電極被配置為工作電極（例如CO和H2S組合傳感器）。

編輯：jq