集成電化學(xué)解決方案實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化監(jiān)測(cè)

前不久，生態(tài)環(huán)境部公布了2022年1—6月全國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量狀況。

1—6月七大流域和西南、西北諸河及浙閩片河流水質(zhì)類別比例(圖源生態(tài)環(huán)境部)

3641個(gè)國(guó)家地表水考核斷面中，水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例為85.7%，同比上升4.0個(gè)百分點(diǎn);劣Ⅴ類斷面比例為1.1%，同比下降0.8個(gè)百分點(diǎn)。主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和總磷。

長(zhǎng)江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大流域及西北諸河、西南諸河和浙閩片河流水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例為87.3%，同比上升3.8個(gè)百分點(diǎn);劣Ⅴ類斷面比例為0.8%，同比下降1.0個(gè)百分點(diǎn)。主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量。

綠水青山就是金山銀山，一組數(shù)據(jù)科學(xué)詳實(shí)的展現(xiàn)了中國(guó)水資源現(xiàn)狀，展現(xiàn)了中國(guó)環(huán)保事業(yè)的進(jìn)步。外行看熱鬧內(nèi)行看門道，這些數(shù)據(jù)背后是全社會(huì)的長(zhǎng)期環(huán)保努力，還有科學(xué)監(jiān)測(cè)手段的實(shí)施。值得一提的是，其中電化學(xué)傳感器是環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器中最廣泛使用的核心部件，性能能否充分發(fā)揮將直接影響著儀器的準(zhǔn)確度，本文將就電化學(xué)傳感器在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)探討。

應(yīng)用超過(guò)半個(gè)世紀(jì)

電化學(xué)傳感器的前世今生

電化學(xué)傳感器是一種久經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，其歷史可以追溯到1950年代，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)了用于氧氣監(jiān)測(cè)的電化學(xué)傳感器。這種技術(shù)的首批應(yīng)用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測(cè)量葡萄糖的缺氧情況。在接下來(lái)的幾十年中，該技術(shù)得到了發(fā)展，傳感器變得小型化并能檢測(cè)多種目標(biāo)氣體。

電化學(xué)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。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。

然而，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。電化學(xué)傳感器的使用也是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一，其響應(yīng)信號(hào)微弱、一致性差、干擾因素多。以電化學(xué)氣體傳感器為例，需要搭配偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等多個(gè)電路，再送入MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再輸出最終測(cè)量結(jié)果。一般空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器需要搭配許多個(gè)電化學(xué)傳感器，那么將需要規(guī)模龐大的電路。

此外，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。

集成電化學(xué)解決方案

實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化監(jiān)測(cè)

如果能將偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等多個(gè)電路與MCU進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)SoC化的系統(tǒng)性解決方案將完美解決上述挑戰(zhàn)。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有這樣的解決方案，它就是ADI推出的具有化學(xué)傳感器接口的精密模擬微控制器ADuCM355。該芯片是一款Cortex-M3內(nèi)核的MCU，集成了先進(jìn)的電化學(xué)模擬前端電路，具備兩套完整的電化學(xué)模擬前端電路和一套用于交流阻抗測(cè)量的模擬前端電路，并搭配12位DAC與16位ADC、靈活的開(kāi)關(guān)矩陣、以及強(qiáng)大的數(shù)字預(yù)處理功能。芯片內(nèi)部模擬電路的參數(shù)可以直接通過(guò)編程配置，用于兼容各種特性的傳感器。在氣體探測(cè)應(yīng)用中，它能夠支持兩路電化學(xué)氣體傳感器，如下圖所示：

ADuCM355應(yīng)用于電化學(xué)氣體傳感器

在水質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用中，用于測(cè)量PH、電導(dǎo)率、ORP等指標(biāo)的傳感器也屬于電化學(xué)傳感器，本方案也同樣適用。ADuCM355的交流阻抗測(cè)量功能可以用于診斷電化學(xué)傳感器的復(fù)阻抗，為壽命預(yù)測(cè)與數(shù)據(jù)矯正提供依據(jù)，同時(shí)其阻抗測(cè)量功能也可以延伸應(yīng)用于生物阻抗測(cè)量產(chǎn)品中。

氣體探測(cè)功能：

最多可接入兩只電化學(xué)氣體傳感器，同時(shí)輸出兩組數(shù)據(jù)，由客戶MCU通過(guò)串口指令配置模擬電路參數(shù)、并讀取傳感器數(shù)據(jù)，并且可以結(jié)合輸出的模塊自帶溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行最終結(jié)果的校正和標(biāo)定。1路模擬電壓通道可以接入MOS或PID氣體傳感器。

水質(zhì)檢測(cè)功能：

可以連接1只PH電極和1只電導(dǎo)率電極或ORP電極，由客戶MCU通過(guò)串口讀取PH值和電導(dǎo)率值，并結(jié)合水溫等參數(shù)進(jìn)行校正和標(biāo)定。1路模擬電壓通道可以接入水溫傳感器等。

阻抗譜繪制功能：

對(duì)被測(cè)目標(biāo)施加不同頻率的正弦波激勵(lì)信號(hào)，掃描計(jì)算復(fù)阻抗參數(shù)，由客戶MCU通過(guò)串口讀取頻率點(diǎn)與對(duì)應(yīng)復(fù)阻抗結(jié)果，進(jìn)行傳感器壽命預(yù)測(cè)、輸出校正等。

ADuCM355片上集成的豐富功能適合極低功耗的電化學(xué)和生物傳感器測(cè)試。

穩(wěn)定性測(cè)量方案

傳感器健康狀況診斷很關(guān)鍵

不同制造商以及針對(duì)不同目標(biāo)氣體的電化學(xué)氣體傳感器，壽命也會(huì)不同。有關(guān)預(yù)期壽命的信息可在傳感器制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。然而，實(shí)際壽命強(qiáng)烈依賴于儲(chǔ)存和工作條件。

電化學(xué)氣體傳感器的壽命和需要定期校準(zhǔn)，是這類傳感器最具挑戰(zhàn)性的方面。因此，人們希望能夠直接在儀器中監(jiān)測(cè)傳感器的健康狀況。ADuCM355 內(nèi)置波形發(fā)生器和離散傅里葉變換(DFT)模塊，通過(guò)對(duì)反電極應(yīng)用交流信號(hào)掃描可實(shí)現(xiàn)阻抗頻譜測(cè)量。該測(cè)量可顯示電極之間電荷轉(zhuǎn)移的質(zhì)量，從而有效檢測(cè)傳感器電解質(zhì)的老化情況。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明傳感器的阻抗和靈敏度之間有很好的相關(guān)性。

ADuCM355多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)傳感器健康狀況的其他方法包括脈沖測(cè)試和斜坡測(cè)試。這些測(cè)試是在偏置電壓之上施加一個(gè)電壓脈沖或斜坡，以分別測(cè)試傳感器響應(yīng)度和電荷轉(zhuǎn)移。所有這些測(cè)量結(jié)果與ADuCM355上運(yùn)行的算法相結(jié)合，有助于改善電化學(xué)氣體傳感器的精度、性能和壽命。為實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的智能診斷和預(yù)測(cè)，需要通過(guò)測(cè)試(例如加速老化)來(lái)獲得大量傳感器的特征。

審核編輯：湯梓紅