隨著(zhù)傳感技術(shù)無(wú)處不在的時(shí)代的到來(lái)，許多行業(yè)出現了無(wú)數新的氣體檢測應用，例如汽車(chē)空氣質(zhì)量監測或電子鼻。不斷發(fā)展的法規和安全標準對新應用和現有應用提出了比過(guò)去更具挑戰性的要求。換句話(huà)說(shuō)，未來(lái)的氣體檢測系統必須能精確測量低得多的濃度，對目標氣體更具選擇性，依靠電池電源工作更長(cháng)的時(shí)間，并在更長(cháng)的時(shí)間內提供穩定一致的性能，同時(shí)始終保持安全可靠的運行。

 

電化學(xué)氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

 

電化學(xué)氣體傳感器的普及可以歸因于其線(xiàn)性輸出、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦根據目標氣體的已知濃度進(jìn)行校準，其測量的重復性和精度也非常好。數十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對特定氣體類(lèi)型提供非常好的選擇性。

 

由于其優(yōu)點(diǎn)眾多，工業(yè)應用（例如用于保護工人安全的有毒氣體檢測）率先采用了電化學(xué)傳感器。這些傳感器的運行經(jīng)濟性促進(jìn)了區域有毒氣體監測系統的部署，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠(chǎng)、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

 

盡管檢測技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但自電化學(xué)氣體檢測出現以來(lái)，其基本工作原理以及與生俱來(lái)的缺點(diǎn)并未改變。通常，電化學(xué)傳感器的保質(zhì)期有限，一般為六個(gè)月至一年。傳感器的老化也會(huì )對其長(cháng)期性能產(chǎn)生重大影響。傳感器制造商通常會(huì )指定傳感器靈敏度每年最多可漂移20%。此外，雖然目標氣體選擇性已有顯著(zhù)改善，但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問(wèn)題，導致測量受到干擾和讀數出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關(guān)，必須在內部進(jìn)行溫度補償。

 

技術(shù)挑戰

 

設計先進(jìn)氣體檢測系統需要克服的技術(shù)挑戰可以分為三類(lèi)，分別對應于系統生命周期的不同階段。

 

首先是傳感器制造挑戰，例如制造可重復性以及傳感器的表征和校準。制造過(guò)程本身雖然已高度自動(dòng)化，但不可避免地會(huì )給每個(gè)傳感器帶來(lái)差異。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行表征和校準。

 

其次，在系統的整個(gè)生命周期中都存在技術(shù)挑戰。這包括系統架構優(yōu)化，例如信號鏈設計或功耗考慮。另外，工業(yè)應用中特別注重電磁兼容性(EMC)和功能安全合規性，這會(huì )對設計成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負面影響。工作條件也起著(zhù)重要作用，并對保持所需性能和使用壽命提出了挑戰。電化學(xué)傳感器在其使用壽命期間會(huì )老化和漂移（這是這種技術(shù)的本性），導致需要頻繁校準或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運行，性能的變化會(huì )進(jìn)一步加速，如本文后面所述。在延長(cháng)傳感器使用壽命的同時(shí)保持其性能，是許多應用的關(guān)鍵要求之一，尤其是在系統擁有成本至關(guān)重要的情況下。

 

第三，即使采用了延長(cháng)使用壽命的技術(shù)，所有電化學(xué)傳感器最終都會(huì )達到其生命終點(diǎn)，此時(shí)性能不再滿(mǎn)足要求，需要更換傳感器。有效檢測壽命結束條件是一個(gè)挑戰，若能解決這個(gè)挑戰，便可減少不必要的傳感器更換，從而大幅降低成本。更進(jìn)一步，若能準確預測傳感器何時(shí)將失效，氣體檢測系統的運行成本將會(huì )降低更多。

 

在全部氣體檢測應用中，電化學(xué)氣體傳感器的利用率都在增加，這給此類(lèi)系統的物流、調試和維護帶來(lái)了挑戰，導致總擁有成本增加。因此，人們采用具有診斷功能的專(zhuān)用模擬前端來(lái)減少技術(shù)缺點(diǎn)（主要是傳感器壽命有限）帶來(lái)的影響，確保氣體檢測系統長(cháng)期可持續且可靠。

 

信號鏈集成降低設計復雜性

 

傳統信號鏈大多采用獨立的模數轉換器、放大器和其他構建模塊設計，相當復雜，迫使設計人員在功效比、測量精度或信號鏈占用的PCB面積上做出折衷。

 

這種設計挑戰的一個(gè)例子是具有多氣體配置、可測量多種目標氣體的儀器。每個(gè)傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運行。此外，每個(gè)傳感器的靈敏度可能不同，因此必須調整放大器的增益以使信號鏈性能最大化。對設計人員而言，僅這兩個(gè)因素就增加了可配置測量通道（其應能與不同傳感器接口而無(wú)需更改 BOM 或原理圖）的設計復雜度。單個(gè)測量通道的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

 

就像任何其他電子系統一樣，集成是演進(jìn)中的一個(gè)邏輯步驟，通過(guò)集成可設計出更高效、更強大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測信號鏈通過(guò)集成TIA（互阻放大器）增益電阻或將數模轉換器用作傳感器偏置電壓源等措施來(lái)簡(jiǎn)化系統設計（如圖2所示）。由于信號鏈集成，測量通道可以通過(guò)軟件來(lái)全面配置，以與眾多不同類(lèi)型的電化學(xué)傳感器接口，同時(shí)降低設計的復雜性。此外，這種集成信號鏈的功率要求也明顯降低，這對于以電池壽命為關(guān)鍵考慮因素的應用至關(guān)重要。最后，由于降低了信號鏈的噪聲水平，并且有可能利用性能更好的信號處理器件（如TIA或ADC），因此測量精度得以提高。

 

回顧多氣體儀器的例子，信號鏈集成使其能夠：

 

●   實(shí)現完全可配置的測量通道，同時(shí)降低信號鏈的復雜性，從而輕松重用單個(gè)信號鏈設計

●   減少信號鏈占用的PCB面積

●   降低功耗

●   提高測量精度

 

傳感器劣化與診斷

 

盡管信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并未解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)，即其性能會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間推移而下降。不難理解，這是傳感器的工作原理和結構所導致的。工作條件也會(huì )致使性能下降并加速傳感器老化。傳感器精度會(huì )降低，直到變得不可靠，不再適合完成其任務(wù)。在這種情況下，通常的做法是讓儀器下線(xiàn)并手動(dòng)檢查傳感器，這既耗時(shí)又昂貴。然后，根據其狀況，可以重新校準傳感器并再次使用，或者可能需要予以更換。這會(huì )招致相當大的維護成本。通過(guò)利用電化學(xué)診斷技術(shù)，可以分析傳感器的健康狀況并有效補償性能變化。

 

圖1.典型電化學(xué)氣體傳感器信號鏈（簡(jiǎn)圖）

 

 

圖2.雙通道集成氣體檢測信號鏈（簡(jiǎn)圖）

 

圖3.在低相對濕度下的加速壽命測試中，傳感器靈敏度（左圖）和阻抗（右圖）之間的相關(guān)性

 

導致性能下降的常見(jiàn)因素包括溫度、濕度和氣體濃度過(guò)高或電極中毒。短時(shí)間暴露于較高溫度（50°C以上）一般是可以接受的。但是，讓傳感器反復經(jīng)受高溫會(huì )導致電解質(zhì)蒸發(fā)，并對傳感器造成不可逆轉的損壞，例如引起基線(xiàn)讀數偏移或響應時(shí)間變慢。另一方面，超低溫度（–30°C以下）會(huì )大大降低傳感器的靈敏度和響應能力。

 

濕度是對傳感器壽命影響最大的因素。電化學(xué)氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60%相對濕度。環(huán)境濕度低于60%會(huì )導致傳感器內部的電解質(zhì)變干，從而影響響應時(shí)間。另一方面，濕度高于60%會(huì )導致空氣中的水被傳感器吸收，從而稀釋電解質(zhì)并影響傳感器的特性。吸收水分還會(huì )導致傳感器泄漏，可能致使引腳腐蝕。

 

上述劣化機制的幅度即使不是非常大，也會(huì )影響傳感器。換句話(huà)說(shuō)，電解質(zhì)耗盡之類(lèi)的事情是自然發(fā)生的，會(huì )導致傳感器老化。無(wú)論工作條件如何，老化過(guò)程都會(huì )限制傳感器的壽命，不過(guò)某些EC Sense氣體傳感器的工作時(shí)間可超過(guò)10年。

 

可以使用電化學(xué)阻抗譜(EIS)或計時(shí)安培分析法（在觀(guān)測傳感器輸出的同時(shí)施加偏置電壓脈沖）等技術(shù)來(lái)分析傳感器。

 

EIS是利用正弦信號（通常為電壓）激勵電化學(xué)系統而進(jìn)行的頻域分析測量。在每個(gè)頻率下，流過(guò)電化學(xué)電池的電流都會(huì )被記錄下來(lái)，用于計算電池的阻抗。然后，數據通常以奈奎斯特圖和波特圖形式顯示。奈奎斯特圖顯示復阻抗數據，每個(gè)頻率點(diǎn)均由x軸上的實(shí)數部分和y軸上的虛數部分來(lái)繪制。這種數據表示的主要缺點(diǎn)是會(huì )丟失頻率信息。波特圖顯示阻抗幅度和相位角與頻率的關(guān)系。

 

實(shí)驗測量結果表明，傳感器靈敏度的下降與EIS測試結果的變化之間具有很強的相關(guān)性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結果，其中電化學(xué)氣體傳感器被置于低濕度(10%RH)和較高溫度(40°C)的環(huán)境中。在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中，定時(shí)將傳感器從環(huán)境室中取出并放置一個(gè)小時(shí)，然后進(jìn)行已知目標氣體濃度下的基線(xiàn)靈敏度測試和EIS測試。測試結果清楚表明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關(guān)性。這種測量的缺點(diǎn)是頗費時(shí)間，因為在很低的亞赫茲頻率下獲得測量結果非常耗時(shí)。

 

計時(shí)安培法（脈沖測試）是另一種有助于分析傳感器健康狀況的技術(shù)。測量方法如下：在傳感器偏置電壓上疊加一個(gè)電壓脈沖，同時(shí)觀(guān)測流經(jīng)電化學(xué)電池的電流。脈沖幅度一般非常低（例如1 mV）且很短（例如200 ms），因此不會(huì )干擾傳感器本身。這樣便能相當頻繁地執行測試，同時(shí)氣體檢測儀器保持正常運行。在執行更耗時(shí)的EIS測量之前，可以使用計時(shí)安培法來(lái)檢查傳感器是否已物理插入設備中，還能指示傳感器性能的變化。傳感器對電壓脈沖響應的示例如圖4所示。

 

圖4.計時(shí)安培分析法測試的示例結果

 

先前的傳感器探查技術(shù)已在電化學(xué)領(lǐng)域使用了數十年。然而，這些測量所需的設備通常很昂貴且笨重。從實(shí)踐和資金兩方面看，使用這種設備根本無(wú)法測試現場(chǎng)部署的大量氣體傳感器。為了實(shí)現遠程內置傳感器健康狀況分析，必須將診斷特性直接集成為信號鏈的一部分。

 

借助集成的診斷功能，可以在無(wú)需人工干預的情況下自動(dòng)測試氣體傳感器。如果在生產(chǎn)中對氣體傳感器進(jìn)行了表征，則從傳感器獲得的數據可以與這些特征數據集進(jìn)行比較，從而深入了解傳感器的當前狀況，然后使用智能算法來(lái)補償傳感器靈敏度的損失。此外，傳感器的歷史記錄可以支持預測其壽命何時(shí)結束，并在需要更換傳感器時(shí)提醒用戶(hù)。內置診斷功能最終會(huì )減少氣體檢測系統的維護需求，延長(cháng)傳感器的使用壽命。

 

工業(yè)應用的系統設計挑戰

 

安全性和可靠性至關(guān)重要，特別是在工業(yè)環(huán)境中。在嚴苛的工業(yè)環(huán)境（例如化工廠(chǎng)）中運行時(shí)，有嚴格的規章來(lái)確保氣體檢測系統滿(mǎn)足這些要求并保持可靠、完整的功能。

 

電磁兼容性(EMC)是指不同電子設備在共同的電磁環(huán)境中正常運行而互不干擾的能力。EMC涉及的測試有電磁輻射發(fā)射或輻射抗擾度等。輻射發(fā)射測試研究系統的有害輻射以幫助減少輻射，而輻射抗擾度測試會(huì )檢查系統在受到其他系統干擾的情況下保持其功能的能力。

 

EC氣體傳感器本身的結構對EMC性能有負面影響。傳感器電極起到天線(xiàn)一樣的作用，可以拾取附近電子系統的干擾。對于無(wú)線(xiàn)連接的氣體檢測設備（例如便攜式工人安全儀器），這種影響更為明顯。

 

EMC測試通常是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，在最終滿(mǎn)足要求之前可能需要多次迭代系統設計。此測試對投入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間有很大影響。使用經(jīng)過(guò)預先測試的滿(mǎn)足EMC要求的集成信號鏈解決方案，可以減少時(shí)間和成本支出。

 

功能安全是另一個(gè)要認真考慮的方面，同時(shí)也是一項技術(shù)挑戰。根據定義，功能安全是指檢測到潛在的危險狀況時(shí)，會(huì )激活保護或糾正機制以防止任何危險事件發(fā)生。這種安全功能提供的風(fēng)險降低的相對程度被定義為安全完整性等級(SIL)。功能安全要求當然已包含在工業(yè)標準中。

 

在工業(yè)氣體檢測應用中，功能安全的重要性主要涉及安全操作環(huán)境，因為環(huán)境中可能存在爆炸性或易燃性氣體?；S(chǎng)或采礦設施就是此類(lèi)應用的很好例子。為了符合功能安全標準，系統必須通過(guò)功能安全認證，達到滿(mǎn)意的安全完整性等級。

 

ADI公司的單芯片電化學(xué)測量系統

 

為解決上述挑戰，并讓客戶(hù)設計出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統，ADI公司推出了ADuCM355——一種針對氣體檢測和水分析應用的單芯片電化學(xué)測量系統。

 

ADuCM355集成了兩個(gè)電化學(xué)測量通道，一個(gè)用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個(gè)用于運行用戶(hù)應用程序和傳感器診斷補償算法的超低功耗混合信號ARM® Cortex®-M3微控制器。圖5顯示了ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖。

 

圖5.ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖

 

對市場(chǎng)趨勢和客戶(hù)需求的了解，幫助ADI公司設計出高度集成的片內測量系統，其中包括：

 

●   一個(gè)16位400 kSPS ADC

●   兩個(gè)雙輸出DAC，用于產(chǎn)生電化學(xué)電池的偏置電壓

●   兩個(gè)帶TIA放大器的超低功耗、低噪聲恒電位儀

●   一個(gè)具有高速TIA的高速12位DAC

●   支持診斷測量的模擬硬件加速器（波形發(fā)生器、數字傅立葉變換模塊和數字濾波器）

●   內部溫度傳感器

●   26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

 

ADuCM355提供了克服電化學(xué)氣體檢測技術(shù)挑戰的手段。兩個(gè)測量通道不僅支持最常見(jiàn)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行之前可能需要的穩定時(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)阻抗譜和計時(shí)安培分析法。集成的微控制器可用于運行補償算法、存儲校準參數以及運行用戶(hù)應用程序。ADuCM355在設計時(shí)還考慮了EMC要求，并經(jīng)過(guò)預先測試，符合EN 50270標準。

 

如果應用不需要集成微控制器，可以使用僅有前端的版本——AD5940。

 

結論

 

得益于技術(shù)創(chuàng )新，我們現在擁有所有必要的知識和工具，可以有效應對電化學(xué)氣體傳感器的技術(shù)挑戰，掃清我們進(jìn)入普遍檢測時(shí)代的障礙。從低成本的無(wú)線(xiàn)空氣質(zhì)量監測器到過(guò)程控制和工人安全應用，信號鏈集成和內置診斷特性將使這些傳感器得到廣泛使用，同時(shí)減少維護需求，提高精度，延長(cháng)傳感器壽命，并降低成本。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Michal Raninec是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部工業(yè)系統部門(mén)的系統應用工程師。其專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域包括電化學(xué)氣體檢測和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。Michal畢業(yè)于捷克布爾諾科技大學(xué)，獲得電子工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：michal.raninec@analog.com。

 

 

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