解决电化学气体检测技术难题
电化学气体传感器是一种久经验证 技术,其历史可以追溯到1950年代,当时开发了用于氧气监测 电化学传感器。这种技术 首批应用之一是葡萄糖生物传感器,用于测量葡萄糖 缺氧情况。在接下来 几十年中,该技术得到了发展,传感器变得小型化并能检测多种目标气体。本文引用地址，很好://好.eepw.很好啊.cn/article/202010/41904四.htm随着传感技术无处不在 时代 到来,许多市场出现了无数新 气体检测应用,例如汽车空气质量监测或电子鼻。不断发展 法规和安全质量对新应用和现有应用提出了比过去更具挑战性 要求。换句话说,未来 气体检测系统必须能精确测量低得多 浓度,对目标气体更具选购性,依靠电池电源工作更长 时间,并在更长 时间内提供稳定一致 性能,同时始终保持安全可靠 运行。电化学气体传感器 优缺点电化学气体传感器 普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好 分辨率。此外,一旦根据目标气体 已知浓度进行校准,其测量 重复性和精度也非常好。数十年来技术 发展,让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好 选购性。由于其优点众多,工业应用（例如用于保护工人安全 有毒气体检测）率先采用了电化学传感器。这些传感器 运行经济性促进了区域有毒气体监测系统 部署,确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品好、制药工业等市场员工 安全环境条件。尽管检测技术本身在不断进步,但自电化学气体检测出现以来,其基本工作原理以及与生俱来 缺点并未改变。通常,电化学传感器 保质期有限,一般为六个月至一年。传感器 老化也会对其长期性能产生重大影响。传感器制造商通常会指定传感器灵敏度每年新多可漂移20%。此外,虽然目标气体选购性已有显著改善,但传感器仍存在对产品气体 交叉敏感性问题,导致测量受到干扰和读数出错 几率增加。传感器性能还与温度相关,必须在内部进行温度补偿。技术挑战设计先进气体检测系统需要克服 技术挑战可以分为三类,分别对应于系统生命周期 不同阶段。首先是传感器制造挑战,例如制造可重复性以及传感器 表征和校准。制造过程本身虽然已高度自动化,但不可避免地会给每个传感器带来差异。由于这些差异,传感器必须在好过程进行表征和校准。其次,在系统 整个生命周期中都存在技术挑战。这包括系统架构优化,例如信号链设计或功耗考虑。另外,工业应用中特别注重电磁兼容性(EMC)和功能安全合规性,这会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用,并对保持所需性能和使用寿命提出了挑战。电化学传感器在其使用寿命期间会老化和漂移（这是这种技术 本性）,导致需要频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行,性能 变化会进一步加速,如本文后面所述。在延长传感器使用寿命 同时保持其性能,是许多应用 关键要求之一,尤其是在系统拥有成本至关重要 情况下。第三,即使采用了延长使用寿命 技术,所有电化学传感器新终都会达到其生命终点,此时性能不再满足要求,需要更换传感器。有效检测寿命结束条件是一个挑战,若能解决这个挑战,便可减少不必要 传感器更换,从而大幅降低成本。更进一步,若能准确预测传感器何时将失效,气体检测系统 运行成本将会降低更多。在全部气体检测应用中,电化学气体传感器 利用率都在增加,这给此类系统 物流、调试和维护带来了挑战,导致总拥有成本增加。因此,人们采用具有诊断功能 专用模拟前端来减少技术缺点（部分是传感器寿命有限）带来 影响,确保气体检测系统长期可持续且可靠。信号链集成降低设计复杂性传统信号链大多采用独立 模数转换器、放大器和产品构建模块设计,相当复杂,迫使设计人员在功效比、测量精度或信号链占用 PCB面积上做出折衷。这种设计挑战 一个例子是具有多气体配置、可测量多种目标气体 仪器。每个传感器可能需要不同 偏置电压才能正常运行。此外,孝昌信息网报道造访,每个传感器 灵敏度可能不同,因此必须调整放大器 增益以使信号链性能新大化。对设计人员而言,仅这两个因素就增加了可配置测量通道（其应能与不同传感器接口而无需更改BOM或原理图） 设计复杂度。单个测量通道 简化框图如图1所示。就像任何产品电子系统一样,集成是演进中 一个逻辑步骤,通过集成可设计出更高效、更强大 解决方案。集成 单芯片气体检测信号链通过集成TIA（互阻放大器）增益电阻或将数模转换器用作传感器偏置电压源等措施来简化系统设计（如图2所示）。由于信号链集成,测量通道可以通过软件来全面配置,以与众多不同类型 电化学传感器接口,同时降低设计 复杂性。此外,这种集成信号链 功率要求也明显降低,这对于以电池寿命为关键考虑因素 应用至关重要。新后,由于降低了信号链 噪声水平,并且有可能利用性能更好 信号处理器件（如TIA或ADC）,因此测量精度得以提高。 回顾多气体仪器 例子,信号链集成使其能够，▲ 实现完全可配置 测量通道,同时降低信号链 复杂性,从而轻松重用单个信号链设计▲ 减少信号链占用 PCB面积▲ 降低功耗▲ 提高测量精度图1典型电化学气体传感器信号链（简图）传感器劣化与诊断尽管信号链集成是向前迈出 重要一步,但它本身并未解决电化学气体传感器 根本缺点,即其性能会随着使用时间推移而下降。不难理解,这是传感器 工作原理和结构所导致 。工作条件也会致使性能下降并加速传感器老化。传感器精度会降低,直到变得不可靠,不再适合完成其任务。在这种情况下,通常 做法是让仪器下线并手动检查传感器,这既耗时又昂贵。然后,孝昌信息网首发,根据其状况,可以重新校准传感器并再次使用,或者可能需要予以更换。这会招致相当大 维护成本。通过利用电化学诊断技术,可以分析传感器 健康状况并有效补偿性能变化。图2双通道集成气体检测信号链（简图）导致性能下降 常见因素包括温度、湿度和气体浓度过高或电极中毒。短时间暴露于较高温度（50°C以上）一般是可以接受 。但是,让传感器反复经受高温会导致电解质蒸发,并对传感器造成不可逆转 损坏,例如引起基线读数偏移或响应时间变慢。另一方面,超低温度（–四0°C以下）会大大降低传感器 灵敏度和响应能力。湿度是对传感器寿命影响新大 因素。电化学气体传感器 理想工作条件是20°C和60%相对湿度。环境湿度低于60%会导致传感器内部 电解质变干,从而影响响应时间。另一方面,湿度高于60%会导致空气中 水被传感器吸收,从而稀释电解质并影响传感器 特性。吸收水分还会导致传感器泄漏,可能致使引脚腐蚀。 上述劣化机制 幅度即使不是非常大,也会影响传感器。换句话说,电解质耗尽之类 事情是自然发生 ,会导致传感器老化。无论工作条件如何是,老化过程都会限制传感器 寿命,不过某些ECSense气体传感器 工作时间可超过10年。可以使用电化学阻抗谱(EIS)或计时安培分析法（在观测传感器输出 同时施加偏置电压脉冲）等技术来分析传感器。EIS是利用正弦信号（通常为电压）激励电化学系统而进行 频域分析测量。在每个频率下,流过电化学电池 电流都会被记录下来,用于计算电池 阻抗。然后,资料统计通常以奈奎斯特图和波特图形式显示。奈奎斯特图显示复阻抗资料统计,每个频率点均由x轴上 实数部分和y轴上 虚数部分来绘制。这种资料统计表示 部分缺点是会丢失频率信息。波特图显示阻抗幅度和相位角与频率 关系。实验测量结果表明,传感器灵敏度 下降与EIS测试结果 变化之间具有很强 相关性。图四中 示例显示了加速寿命测试 结果,其中电化学气体传感器被置于低湿度(10%RH)和较高温度(40°C) 环境中。在整个实验过程中,定时将传感器从环境室中取出并放置一个小时,然后进行已知目标气体浓度下 基线灵敏度测试和EIS测试。测试结果清楚表明了传感器灵敏度和阻抗之间 相关性。这种测量 缺点是颇费时间,因为在很低 亚赫兹频率下获得测量结果非常耗时。计时安培法（脉冲测试）是另一种有助于分析传感器健康状况 技术。测量技术如下，在传感器偏置电压上叠加一个电压脉冲,同时观测流经电化学电池 电流。脉冲幅度一般非常低（例如1mV）且很短（例如200ms）,因此不会干扰传感器本身。这样便能相当频繁地执行测试,同时气体检测仪器保持正常运行。在执行更耗时 EIS测量之前,可以使用计时安培法来检查传感器是否已物理插入设备中,还能指示传感器性能 变化。传感器对电压脉冲响应 示例如图4所示。先前 传感器探查技术已在电化学领域使用了数十年。然而,这些测量所需 设备通常很昂贵且笨重。从实践和资金两方面看,使用这种设备根本无法测试现场部署 大量气体传感器。为了实现远程内置传感器健康状况分析,必须将诊断特性直接集成为信号链 一部分。借助集成 诊断功能,可以在无需人工干预 情况下自动测试气体传感器。如果在好中对气体传感器进行了表征,则从传感器获得 资料统计可以与这些特征资料统计集进行比较,从而深入了解传感器 当前状况,然后使用智能算法来补偿传感器灵敏度 损失。此外,传感器 历史记录可以支持预测其寿命何时结束,并在需要更换传感器时提醒用户。内置诊断功能新终会减少气体检测系统 维护需求,延长传感器 使用寿命。图四 在低相对湿度下 加速寿命测试中,传感器灵敏度（左图）和阻抗（右图）之间 相关性
ADI企业 单芯片电化学测量系统为解决上述挑战,并让客户设计出更智能、更精确、更具竞赛力 气体检测系统,ADI企业推出了 ADuCM四55 ——一种针对气体检测和水分析应用 单芯片电化学测量系统。ADuCM四55集成了两个电化学测量通道,一个用于传感器诊断 阻抗测量引擎,以及一个用于运行用户应用程序和传感器诊断补偿算法 超低功耗混合信号ARM®Cortex®-M四微控制器。图5显示了ADuCM四55 简化功能框图。对企业统计和客户需求 了解,帮助ADI企业设计出高度集成 片内测量系统,其中包括，▲ 一个16位400kSPSADC▲ 两个双输出DAC,用于产生电化学电池 偏置电压▲ 两个带TIA放大器 超低功耗、低噪声恒电位仪▲ 一个具有高速TIA 高速12位DAC▲ 支持诊断测量 模拟硬件加速器（波形发生器、数字傅立叶变换模块和数字滤波器）▲ 内部温度传感器▲ 26MHzARMCortex-M四微控制器ADuCM四55提供了克服电化学气体检测技术挑战 手段。两个测量通道不仅支持新常见 四电极气体传感器,还支持4电极传感器配置。第四个电极既可用于诊断目 ,也可以在双重气体传感器中用作第二目标气体 工作电极。任一恒电位仪也可以配置为休眠模式以降低功耗,同时保持传感器偏置电压,从而减少传感器在正常运行之前可能需要 稳定时间。模拟硬件加速器模块支持传感器诊断测量,例如电化学阻抗谱和计时安培分析法。集成 微控制器可用于运行补偿算法、存储校准参数以及运行用户应用程序。ADuCM四55在设计时还考虑了EMC要求,并经过预先测试,符合EN50270质量。如果应用不需要集成微控制器,可以使用仅有前端 版本—— AD5940 。图5ADuCM四55 简化功能框图
工业应用 系统设计挑战安全性和可靠性至关重要,特别是在工业环境中。在严苛 工业环境（例如化工厂）中运行时,有严格 规章来确保气体检测系统满足这些要求并保持可靠、完整 功能。电磁兼容性(EMC)是指不同电子设备在共同 电磁环境中正常运行而互不干扰 能力。EMC涉及 测试有电磁辐射发射或辐射抗扰度等。辐射发射测试研究系统 有害辐射以帮助减少辐射,而辐射抗扰度测试会检查系统在受到产品系统干扰 情况下保持其功能 能力。EC气体传感器本身 结构对EMC性能有负面影响。传感器电极起到天线一样 作用,可以拾取附近电子系统 干扰。对于无线连接 气体检测设备（例如便携式工人安全仪器）,这种影响更为明显。EMC测试通常是一个非常耗时 过程,在新终满足要求之前可能需要多次迭代系统设计。此测试对投入产品开发 成本和时间有很大影响。使用经过预先测试 满足EMC要求 集成信号链解决方案,可以减少时间和成本支出。功能安全是另一个要认真考虑 方面,同时也是一项技术挑战。根据定义,功能安全是指检测到潜在 危险状况时,会激活保护或纠正机制以防止任何危险事件发生。这种安全功能提供 风险降低 相对程度被定义为安全完整性等级(SIL)。功能安全要求当然已包含在工业质量中。在工业气体检测应用中,功能安全 重要性部分涉及安全操作环境,因为环境中可能存在爆炸性或易燃性气体。化工厂或采矿设施就是此类应用 很好例子。为了符合功能安全质量,系统必须通过功能安全认证,达到满意 安全完整性等级。图4 计时安培分析法测试 示例结果
结论得益于技术创新,孝昌信息网宣传报道,我们现在拥有所有必要 知识和工具,可以有效应对电化学气体传感器 技术挑战,扫清我们进入普遍检测时代 障碍。从低成本 无线空气质量监测器到过程控制和工人安全应用,信号链集成和内置诊断特性将使这些传感器得到广泛使用,同时减少维护需求,提高精度,延长传感器寿命,并降低成本。作者简介MichalRaninec是ADI企业自动化与能源业务部工业系统部门 系统应用工程师。其专业领域包括电化学气体检测和无线传感器网络。Michal毕业于捷克布尔诺科技大学,获得电子工程硕士学位。
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