淺析氣體檢測(cè)技術(shù)的多種實(shí)現(xiàn)形式

世界銀行的一份研究報(bào)告顯示，空氣污染已經(jīng)成為繼吸煙，飲食和肥胖癥之后全球第4大導(dǎo)致過(guò)早死亡的風(fēng)險(xiǎn)因素?？諝馕廴久腿缁?，CO、CO2、NOx、甲醛等有害氣體的監(jiān)測(cè)非常必要，肩負(fù)監(jiān)測(cè)使命的氣體傳感器開(kāi)始被越來(lái)越多的大眾熟知。

淺析氣體檢測(cè)技術(shù)的多種實(shí)現(xiàn)形式

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。按傳感器檢測(cè)原理來(lái)分，氣體傳感器通常可以分為熱學(xué)式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器、磁學(xué)式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、半導(dǎo)體式氣體傳感器、氣紅外傳感器等。

氣體檢測(cè)技術(shù)大致分類(lèi)

熱學(xué)式氣體傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱化學(xué)式兩大類(lèi)。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)其中熱敏元件電阻的變化來(lái)測(cè)量一種或幾種氣體組分濃度的；紅外式傳感器利用各種元素對(duì)某個(gè)特定波長(zhǎng)的吸收原理，具有反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，且對(duì)大多數(shù)碳?xì)浠衔锒加蟹磻?yīng)。美中不足的是，紅外式傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

電化學(xué)式氣體傳感器則是利用被測(cè)氣體的電化學(xué)活性，將其電化學(xué)氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測(cè)氣體濃度的。目前可以檢測(cè)許多有毒氣體和氧氣，還能檢測(cè)血液中的氧濃度。電化學(xué)氣體傳感器的普及可以歸因于其線性輸出、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦根據(jù)目標(biāo)氣體的已知濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，其測(cè)量的重復(fù)性和精度也非常好。數(shù)十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對(duì)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(yīng)用（例如用于保護(hù)工人安全的有毒氣體檢測(cè)）率先采用了電化學(xué)傳感器。這些傳感器的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性促進(jìn)了區(qū)域有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

電化學(xué)氣體傳感器基本信號(hào)鏈

不過(guò)，盡管檢測(cè)技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但自電化學(xué)氣體檢測(cè)出現(xiàn)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(duì)其長(zhǎng)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(biāo)氣體選擇性已有顯著改善，但傳感器仍存在對(duì)其他氣體的交叉敏感性問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量受到干擾和讀數(shù)出錯(cuò)的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關(guān)，必須在內(nèi)部進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

靶向創(chuàng)新，電化學(xué)氣體傳感器設(shè)計(jì)的三大挑戰(zhàn)

因此，設(shè)計(jì)先進(jìn)氣體檢測(cè)系統(tǒng)需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)可以分為三類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)生命周期的不同階段。

首先是傳感器制造挑戰(zhàn)，例如制造可重復(fù)性以及傳感器的表征和校準(zhǔn)。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(zhǔn)。

其次，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中都存在技術(shù)挑戰(zhàn)。這包括系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化，例如信號(hào)鏈設(shè)計(jì)或功耗考慮。另外，工業(yè)應(yīng)用中特別注重電磁兼容性(EMC)和功能安全合規(guī)性，這會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。工作條件也起著重要作用，并對(duì)保持所需性能和使用壽命提出了挑戰(zhàn)。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(dǎo)致需要頻繁校準(zhǔn)或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，性能的變化會(huì)進(jìn)一步加速，如本文后面所述。在延長(zhǎng)傳感器使用壽命的同時(shí)保持其性能，是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求之一，尤其是在系統(tǒng)擁有成本至關(guān)重要的情況下。

第三，即使采用了延長(zhǎng)使用壽命的技術(shù)，所有電化學(xué)傳感器最終都會(huì)達(dá)到其生命終點(diǎn)，此時(shí)性能不再滿足要求，需要更換傳感器。有效檢測(cè)壽命結(jié)束條件是一個(gè)挑戰(zhàn)，若能解決這個(gè)挑戰(zhàn)，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(zhǔn)確預(yù)測(cè)傳感器何時(shí)將失效，氣體檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本將會(huì)降低更多。此外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大支持、更長(zhǎng)的電池壽命、實(shí)施和維護(hù)是終端用戶(hù)在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展階段所要求的關(guān)鍵服務(wù)。

降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，可編程氣體分析平臺(tái)設(shè)計(jì)參考

為解決上述挑戰(zhàn)，并讓客戶(hù)設(shè)計(jì)出更智能、更精確、更具競(jìng)爭(zhēng)力的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，ADI公司推出的ADuCM355是一種針對(duì)氣體檢測(cè)應(yīng)用的單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。ADuCM355集成了兩個(gè)電化學(xué)測(cè)量通道，一個(gè)用于傳感器診斷的阻抗測(cè)量引擎，以及一個(gè)用于運(yùn)行用戶(hù)應(yīng)用程序和傳感器診斷補(bǔ)償算法的超低功耗混合信號(hào)ARM Cortex-M3微控制器。下圖顯示了ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖。

ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖

基于ADuCM355進(jìn)行AFE和信號(hào)處理的智能電化學(xué)氣體檢測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)集成式低功耗數(shù)字氣體傳感器，ADuCM355也提供了克服電化學(xué)氣體檢測(cè)技術(shù)挑戰(zhàn)的手段。兩個(gè)測(cè)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(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(cè)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(chǔ)校準(zhǔn)參數(shù)以及運(yùn)行用戶(hù)應(yīng)用程序。ADuCM355在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了EMC要求，并經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試，符合EN 50270標(biāo)準(zhǔn)。

智能電化學(xué)氣體檢測(cè)參考平臺(tái)

總結(jié)

IDTechEx預(yù)計(jì)到2030年，整個(gè)環(huán)境氣體傳感器市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)38億美元。其中，智能設(shè)備依然占據(jù)較大市場(chǎng)份額，依賴(lài)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的氣體傳感器增長(zhǎng)空間巨大。因此，氣體傳感器的應(yīng)用即將隨處可見(jiàn)且非常分散。本文以ADI ADuCM355為例，展示了信號(hào)鏈集成和內(nèi)置診斷特性如何使電化學(xué)式氣體傳感器減少維護(hù)需求，提高精度，延長(zhǎng)傳感器壽命，并降低成本，在未來(lái)的萬(wàn)物互聯(lián)場(chǎng)景中具有非常大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

責(zé)任編輯:psy

原文標(biāo)題：基于單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)解決電化學(xué)氣體傳感器設(shè)計(jì)的三大挑戰(zhàn)

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