具有傳感器診斷功能的電化學氣體測量系統設計分析

氣體檢測儀器廣泛應用于從家用空氣質量測量設備到工業有毒氣體檢測解決方案的各種應用。電化學氣體傳感器應用的歷史可以追溯到1950年代，當時開發了用于氧氣監測的電化學傳感器。這種技術的首批應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，該技術得到了發展，傳感器變得小型化并能檢測多種目標氣體。其中許多儀器使用電化學氣體傳感器。這種傳感器技術需要專門的前端電路來進行偏置和測量。 

利用內置診斷特性（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，補償老化或溫度引起的精度漂移，估計傳感器的剩余壽命而無需用戶干預。這種功能允許各個邊緣節點更換智能、精確的傳感器。集成超低功耗微控制器直接偏置電化學氣體傳感器并運行板載診斷算法。

圖1：典型電化學氣體傳感器信號鏈

電化學氣體傳感器基礎知識

圖2所示電路顯示了電化學氣體傳感器如何連接到恒電位儀電路，以及如何對其進行偏置和測量。常見的2引線、3引線和4引線電化學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點的成本、尺寸、復雜性和功耗。

圖2：電化學氣體傳感器與恒電位儀連接示意電路圖。 

電化學氣體檢測的基本原理是目標氣體在電極處發生氧化或還原，進而產生電流，測量此電流便可檢測到目標氣體。最常見的傳感器有兩個或三個電極。一些傳感器還有第四個電極。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)。上圖為這種電化學單元的簡化示意圖。 

目標氣體通過多孔工作電極進入傳感器室并擴散到電解質（最常見的是酸）中，在那里它被氧化或還原。此反應產生的電流隨即被外部恒電位儀電路檢測到，并轉換為相應的電壓電平。常常需要在傳感器電極上施加連續或脈沖式偏置電壓，以確保性能最優。對于3電極傳感器，偏置電壓施加于RE和WE之間。CE處發生與RE和WE之間等量但相反的反應。如果WE處發生還原反應，則CE處發生氧化反應。

圖3：電化學氣體傳感器—簡化圖 

電化學氣體傳感器的應用及相關參數計算

氣體傳感器的數據手冊規定了傳感器正常電化學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模轉換器(LPDACx)的輸出設置。LPDACx有兩個輸出：一個12位分辨率的輸出(VBIASx)和一個6位分辨率的輸出(VZEROx)。LPDACx的VBIASx輸出內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V_ZERO電壓設置為1100 mV，然后根據傳感器數據手冊中的傳感器偏置電壓值設置V_BIAS電壓。

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

當所需偏置電壓為正時（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)

當所需偏置電壓為負時（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的數據輸出控制寄存器。

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氣體。傳感器數據手冊用“電流/ppm”來表示該量。LPTIAx放大器將電流轉換為電壓，然后通過模數轉換器(ADC)進行緩沖和測量。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。

微控制器可以計算流入/流出SEx引腳的電流，并確定目標氣體的ppm水平。 

基于ADuCM355的單芯片電化學測量系統

ADuCM355是一款片內系統，可控制和測量電化學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氣體檢測系統設計，以及食品質量、生命科學和生物感測分析等。

圖4：ADuCM355的簡化功能框圖

ADuCM355提供了克服電化學氣體檢測技術挑戰的手段。兩個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間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，例如電化學阻抗譜和計時安培分析法。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應用程序。ADuCM355在設計時還考慮了EMC要求，并經過預先測試，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 

傳感器健康狀況診斷和預期壽命

不同制造商以及針對不同目標氣體的電化學氣體傳感器，壽命也會不同。有關預期壽命的信息可在傳感器制造商的數據手冊中找到。然而，實際壽命強烈依賴于儲存和工作條件。電化學氣體傳感器的壽命和需要定期校準，是這類傳感器最具挑戰性的方面。因此，人們希望能夠直接在儀器中監測傳感器的健康狀況。 

ADuCM355內置波形發生器和離散傅里葉變換(DFT)模塊，通過對反電極應用交流信號掃描可實現阻抗頻譜測量。該測量可顯示電極之間電荷轉移的質量，從而有效檢測傳感器電解質的老化情況。實驗室測試表明傳感器的阻抗和靈敏度之間有很好的相關性。

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電壓脈沖或斜坡，以分別測試傳感器響應度和電荷轉移。

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

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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。大多數電化學傳感器的性能會隨溫度和濕度而變化，因此需要補償這些影響。此外，值得一提的是，該電路使用3引線電化學氣體傳感器（CE、RE、WE）進行測試。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）。