氣體檢測儀器廣泛應用於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曆史可以追溯到1950年nian代dai，當dang時shi開kai發fa了le用yong於yu氧yang氣qi監jian測ce的de電dian化hua學xue傳chuan感gan器qi。這zhe種zhong技ji術shu的de首shou批pi應ying用yong之zhi一yi是shi葡pu萄tao糖tang生sheng物wu傳chuan感gan器qi
，用yong於yu測ce量liang葡pu萄tao糖tang的de缺que氧yang情qing況kuang。在zai接jie下xia來lai的de幾ji十shi年nian中zhong，該gai技ji術shu得de到dao了le發fa展zhan
，傳chuan感gan器qi變bian得de小xiao型xing化hua並bing能neng檢jian測ce多duo種zhong目mu標biao氣qi體ti。其qi中zhong許xu多duo儀yi器qi使shi用yong電dian化hua學xue氣qi體ti傳chuan感gan器qi。這zhe種zhong傳chuan感gan器qi技ji術shu需xu要yao專zhuan門men的de前qian端duan電dian路lu來lai進jin行xing偏pian置zhi和he測ce量liang。 

 

利用內置診斷特性（例如阻抗頻譜或偏置電壓脈衝與斜坡），可ke以yi檢jian查zha傳chuan感gan器qi健jian康kang狀zhuang況kuang，補bu償chang老lao化hua或huo溫wen度du引yin起qi的de精jing度du漂piao移yi，估gu計ji傳chuan感gan器qi的de剩sheng餘yu壽shou命ming而er無wu需xu用yong戶hu幹gan預yu。這zhe種zhong功gong能neng允yun許xu各ge個ge邊bian緣yuan節jie點dian更geng換huan智zhi能neng

、精確的傳感器。集成超低功耗微控製器直接偏置電化學氣體傳感器並運行板載診斷算法。

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、複雜性和功耗。

 

圖2：電化學氣體傳感器與恒電位儀連接示意電路圖。 

 

dianhuaxueqitijiancedejibenyuanlishimubiaoqitizaidianjichufashengyanghuahuohaiyuan
，jinerchanshengdianliu，celiangcidianliubiankejiancedaomubiaoqiti。zuichangjiandechuanganqiyoulianggehuosangedianji。yixiechuanganqihaiyoudisigedianji。zai3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並擴散到電解質（最常見的是酸）zhong

，zainalitabeiyanghuahuohaiyuan。cifanyingchanshengdedianliusuijibeiwaibuhengdianweiyidianlujiancedao，bingzhuanhuanweixiangyingdedianyadianping。changchangxuyaozaichuanganqidianjishangshijialianxuhuomaichongshipianzhidianya，yiquebaoxingnengzuiyou。duiyu3電極傳感器，偏置電壓施加於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於診斷電極(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電壓設置為1100 mV，然後根據傳感器數據手冊中的傳感器偏置電壓值設置VBIAS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的數據輸出控製寄存器。

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
，然後通過模數轉換器(ADC)進行緩衝和測量。選擇RTIA電阻值，使其最大化ADC輸入範圍±900 mV。RTIA值使用下式計算：

 

 

其中：

 

0.9 V為ADC輸入範圍。

Sensitivity定義為nA/ppm。

Max_Range為傳感器的最大範圍
，單位為ppm。

微控製器可以計算流入/流出SEx引腳的電流
，並確定目標氣體的ppm水平。 

 

基於ADuCM355的單芯片電化學測量係統

 

ADuCM355是一款片內係統，可控製和測量電化學傳感器和生物傳感器

，該器件是一款基於Arm® Cortex™-M3處理器的超低功耗混合信號微控製器
，具有電流
、電壓和阻抗測量功能。非常適合用於電化學氣體檢測係統設計
，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dian極ji傳chuan感gan器qi配pei置zhi。第di四si個ge電dian極ji既ji可ke用yong於yu診zhen斷duan目mu的de，也ye可ke以yi在zai雙shuang重zhong氣qi體ti傳chuan感gan器qi中zhong用yong作zuo第di二er目mu標biao氣qi體ti的de工gong作zuo電dian極ji。任ren一yi恒heng電dian位wei儀yi也ye可ke以yi配pei置zhi為wei休xiu眠mian模mo式shi以yi降jiang低di功gong耗hao，同tong時shi保bao持chi傳chuan感gan器qi偏pian置zhi電dian壓ya，從cong而er減jian少shao傳chuan感gan器qi在zai正zheng常chang運yun行xing之zhi前qian可ke能neng需xu要yao的de穩wen定ding時shi間jian。模mo擬ni硬ying件jian加jia速su器qi模mo塊kuai支zhi持chi傳chuan感gan器qi診zhen斷duan測ce量liang，例li如ru電dian化hua學xue阻zu抗kang譜pu和he計ji時shi安an培pei分fen析xi法fa。集ji成cheng的de微wei控kong製zhi器qi可ke用yong於yu運yun行xing補bu償chang算suan法fa、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
，並經過預先測試
，符合EN 50270標準。 

 

如果應用不需要集成微控製器，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bu同tong製zhi造zao商shang以yi及ji針zhen對dui不bu同tong目mu標biao氣qi體ti的de電dian化hua學xue氣qi體ti傳chuan感gan器qi，壽shou命ming也ye會hui不bu同tong。有you關guan預yu期qi壽shou命ming的de信xin息xi可ke在zai傳chuan感gan器qi製zhi造zao商shang的de數shu據ju手shou冊ce中zhong找zhao到dao。然ran而er

，實shi際ji壽shou命ming強qiang烈lie依yi賴lai於yu儲chu存cun和he工gong作zuo條tiao件jian。電dian化hua學xue氣qi體ti傳chuan感gan器qi的de壽shou命ming和he需xu要yao定ding期qi校xiao準zhun
，是shi這zhe類lei傳chuan感gan器qi最zui具ju挑tiao戰zhan性xing的de方fang麵mian。因yin此ci，人ren們men希xi望wang能neng夠gou直zhi接jie在zai儀yi器qi中zhong監jian測ce傳chuan感gan器qi的de健jian康kang狀zhuang況kuang。 

 

ADuCM355內置波形發生器和離散傅裏葉變換(DFT)mokuai，tongguoduifandianjiyingyongjiaoliuxinhaosaomiaokeshixianzukangpinpuceliang。gaiceliangkexianshidianjizhijiandianhezhuanyidezhiliang，congeryouxiaojiancechuanganqidianjiezhidelaohuaqingkuang。shiyanshiceshibiaomingchuanganqidezukanghelingminduzhijianyouhenhaodexiangguanxing。

 

jiancechuanganqijiankangzhuangkuangdeqitafangfabaokuomaichongceshihexiepoceshi。zhexieceshishizaipianzhidianyazhishangshijiayigedianyamaichonghuoxiepo，yifenbieceshichuanganqixiangyingduhedianhezhuanyi。

 

所有這些測量結果與ADuCM355上運行的算法相結合，有助於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。

 

基於超低功耗ARM Cortex-M3處理器的Arduino無線開發平台

 

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）。