具有传感器诊断功能的电化学气体测量系统设计分析

气体检测仪器广泛应用于从家用空气质量测量设备到工业有毒气体检测解决方案的各种应用。电化学气体传感器应用的历史可以追溯到1950年代，当时开发了用于氧气监测的电化学传感器。这种技术的首批应用之一是葡萄糖生物传感器，用于测量葡萄糖的缺氧情况。在接下来的几十年中，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。其中许多仪器使用电化学气体传感器。这种传感器技术需要专门的前端电路来进行偏置和测量。 
 
利用内置诊断特性（例如阻抗频谱或偏置电压脉冲与斜坡），可以检查传感器健康状况，补偿老化或温度引起的精度漂移，估计传感器的剩余寿命而无需用户干预。这种功能允许各个边缘节点更换智能、精确的传感器。集成超低功耗微控制器直接偏置电化学气体传感器并运行板载诊断算法。

图1：典型电化学气体传感器信号链

电化学气体传感器基础知识

图2所示电路显示了电化学气体传感器如何连接到恒电位仪电路，以及如何对其进行偏置和测量。常见的2引线、3引线和4引线电化学气体传感器可以互换使用。该信号链的集成显著缩减了传感器节点的成本、尺寸、复杂性和功耗。

图2：电化学气体传感器与恒电位仪连接示意电路图。 

电化学气体检测的基本原理是目标气体在电极处发生氧化或还原，进而产生电流，测量此电流便可检测到目标气体。最常见的传感器有两个或三个电极。一些传感器还有第四个电极。在3电极配置中，各电极分别被称为工作电极（WE，也称为检测电极(SE)）、参比电极(RE)和反电极(CE)。上图为这种电化学单元的简化示意图。 
 
目标气体通过多孔工作电极进入传感器室并扩散到电解质（最常见的是酸）中，在那里它被氧化或还原。此反应产生的电流随即被外部恒电位仪电路检测到，并转换为相应的电压电平。常常需要在传感器电极上施加连续或脉冲式偏置电压，以确保性能最优。对于3电极传感器，偏置电压施加于RE和WE之间。CE处发生与RE和WE之间等量但相反的反应。如果WE处发生还原反应，则CE处发生氧化反应。

图3：电化学气体传感器—简化图 

电化学气体传感器的应用及相关参数计算

气体传感器的数据手册规定了传感器正常电化学操作所需的偏置电压。偏置电压是指RE和SE/WE之间的电压差。该差分电压由低功耗数模转换器(LPDACx)的输出设置。LPDACx有两个输出：一个12位分辨率的输出(VBIASx)和一个6位分辨率的输出(VZEROx)。LPDACx的VBIASx输出内部连接到功率放大器(PA)的同相端。在外部，VBIASx必须通过100 nF电容连接到AGND引脚。PA放大器的输出直接连到传感器的CE。至PA放大器反相端的反馈来自传感器的RE引脚；因此，VBIASx电压决定RE引脚电压。 
 
LPDACx的VZEROx输出内部连接到低功耗跨阻放大器LPTIAx的同相端。请勿将此引脚用作外部电路的电压源。电化学气体传感器本身仅通过REx、CEx和SEx端子连接到ADuCM355，可选的第四个端子可用于诊断电极(DEx)，如图2所示。 
 
使用下式得出传感器的有效偏置电压：

VBIAS_EFF = VVBIAS – VVZERO

建议将VZERO电压设置为1100 mV，然后根据传感器数据手册中的传感器偏置电压值设置VBIAS电压。 

根据传感器类型，偏置电压也可能为负。以下公式说明了如何配置DAC的正偏置电压和负偏置电压。
 
当所需偏置电压为正时（12位输出 ≥ 6位输出），
VVBIAS = 0.2 V + (LPDACDAT[11:0] × 0.54 mV) +0.54 mV
VVZERO = 0.2 V + (LPDACDAT[17:12] × 34.38 mV)
当所需偏置电压为负时（12位输出 < 6位输出），
VVBIAS = 0.2 V + (LPDACDAT[11:0] × 0.54 mV)
VVZERO = 0.2 V + (LPDACDAT[17:12] × 34.38 mV)

其中：

LPDACDAT为低功耗DAC的数据输出控制寄存器。
0.54 mV约为12位DAC的1 LSB。
34.38 mV约为6位DAC的1 LSB。
 
传感器的检测/工作电极(WE)通过反相输入引脚SEx连接到LPTIAx。LPTIAx具有可编程负载电阻(RLOAD)和可编程增益电阻(RTIA)。流入/流出传感器SE电极的电流反映传感器周围的大气中的目标气体。传感器数据手册用“电流/ppm”来表示该量。LPTIAx放大器将电流转换为电压，然后通过模数转换器(ADC)进行缓冲和测量。选择RTIA电阻值，使其最大化ADC输入范围±900 mV。RTIA值使用下式计算：

其中：

0.9 V为ADC输入范围。
Sensitivity定义为nA/ppm。
Max_Range为传感器的最大范围，单位为ppm。
微控制器可以计算流入/流出SEx引脚的电流，并确定目标气体的ppm水平。 
 
基于ADuCM355的单芯片电化学测量系统

ADuCM355是一款片内系统，可控制和测量电化学传感器和生物传感器，该器件是一款基于Arm® Cortex™-M3处理器的超低功耗混合信号微控制器，具有电流、电压和阻抗测量功能。非常适合用于电化学气体检测系统设计，以及食品质量、生命科学和生物感测分析等。

图4：ADuCM355的简化功能框图

ADuCM355提供了克服电化学气体检测技术挑战的手段。两个测量通道不仅支持最常见的3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的，也可以在双重气体传感器中用作第二目标气体的工作电极。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的稳定时间。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。集成的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。ADuCM355在设计时还考虑了EMC要求，并经过预先测试，符合EN 50270标准。 
 
如果应用不需要集成微控制器，可以使用仅有前端的版本——AD5940 

传感器健康状况诊断和预期寿命

不同制造商以及针对不同目标气体的电化学气体传感器，寿命也会不同。有关预期寿命的信息可在传感器制造商的数据手册中找到。然而，实际寿命强烈依赖于储存和工作条件。电化学气体传感器的寿命和需要定期校准，是这类传感器最具挑战性的方面。因此，人们希望能够直接在仪器中监测传感器的健康状况。 
 
ADuCM355内置波形发生器和离散傅里叶变换(DFT)模块，通过对反电极应用交流信号扫描可实现阻抗频谱测量。该测量可显示电极之间电荷转移的质量，从而有效检测传感器电解质的老化情况。实验室测试表明传感器的阻抗和灵敏度之间有很好的相关性。
 
检测传感器健康状况的其他方法包括脉冲测试和斜坡测试。这些测试是在偏置电压之上施加一个电压脉冲或斜坡，以分别测试传感器响应度和电荷转移。
 
所有这些测量结果与ADuCM355上运行的算法相结合，有助于改善电化学气体传感器的精度、性能和寿命。为实现这种级别的智能诊断和预测，需要通过测试（例如加速老化）来获得大量传感器的特征。

基于超低功耗ARM Cortex-M3处理器的Arduino无线开发平台

传感器板上提供了外部温度和湿度传感器。它通过I2C接口连接到ADuCM355。大多数电化学传感器的性能会随温度和湿度而变化，因此需要补偿这些影响。此外，值得一提的是，该电路使用3引线电化学气体传感器（CE、RE、WE）进行测试。但是，它也可以支持4引线（CE、RE、WE1、WE2）和2引线传感器（CE和WE）。四引线传感器有多种电极配置。第四电极可用作附加诊断电极(DE)。有些传感器可以检测两种气体，在这种情况下，第四电极被配置为工作电极（例如CO和H2S组合传感器）。