淺析氣體檢測技術的多種實現(xiàn)形式

世界銀行的一份研究報告顯示，空氣污染已經(jīng)成為繼吸煙，飲食和肥胖癥之后全球第4大導致過早死亡的風險因素?？諝馕廴久腿缁?，CO、CO2、NOx、甲醛等有害氣體的監(jiān)測非常必要，肩負監(jiān)測使命的氣體傳感器開始被越來越多的大眾熟知。

淺析氣體檢測技術的多種實現(xiàn)形式

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉化成對應電信號的轉換器，探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。按傳感器檢測原理來分，氣體傳感器通?？梢苑譃闊釋W式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器、磁學式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、半導體式氣體傳感器、氣紅外傳感器等。

氣體檢測技術大致分類

熱學式氣體傳感器主要有熱導式和熱化學式兩大類。熱導式是利用氣體的熱導率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測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某個特定波長的吸收原理，具有反應靈敏的特點，且對大多數(shù)碳氫化合物都有反應。美中不足的是，紅外式傳感器結構復雜，成本高。

電化學式氣體傳感器則是利用被測氣體的電化學活性，將其電化學氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。目前可以檢測許多有毒氣體和氧氣，還能檢測血液中的氧濃度。電化學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)目標氣體的已知濃度進行校準，其測量的重復性和精度也非常好。數(shù)十年來技術的發(fā)展，讓這些傳感器可以對特定氣體類型提供非常好的選擇性。由于其優(yōu)點眾多，工業(yè)應用（例如用于保護工人安全的有毒氣體檢測）率先采用了電化學傳感器。這些傳感器的運行經(jīng)濟性促進了區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)的部署，確保了采礦、化學工業(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。

電化學氣體傳感器基本信號鏈

不過，盡管檢測技術本身在不斷進步，但自電化學氣體檢測出現(xiàn)以來，其基本工作原理以及與生俱來的缺點并未改變。通常，電化學傳感器的保質期有限，一般為六個月至一年，傳感器的老化也會對其長期性能產(chǎn)生重大影響，傳感器制造商通常會指定傳感器靈敏度每年最多可漂移20%。此外，雖然目標氣體選擇性已有顯著改善，但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問題，導致測量受到干擾和讀數(shù)出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關，必須在內部進行溫度補償。

靶向創(chuàng)新，電化學氣體傳感器設計的三大挑戰(zhàn)

因此，設計先進氣體檢測系統(tǒng)需要克服的技術挑戰(zhàn)可以分為三類，分別對應于系統(tǒng)生命周期的不同階段。

首先是傳感器制造挑戰(zhàn)，例如制造可重復性以及傳感器的表征和校準。制造過程本身雖然已高度自動化，但不可避免地會給每個傳感器帶來差異。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)過程進行表征和校準。

其次，在系統(tǒng)的整個生命周期中都存在技術挑戰(zhàn)。這包括系統(tǒng)架構優(yōu)化，例如信號鏈設計或功耗考慮。另外，工業(yè)應用中特別注重電磁兼容性(EMC)和功能安全合規(guī)性，這會對設計成本和上市時間產(chǎn)生負面影響。工作條件也起著重要作用，并對保持所需性能和使用壽命提出了挑戰(zhàn)。電化學傳感器在其使用壽命期間會老化和漂移（這是這種技術的本性），導致需要頻繁校準或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運行，性能的變化會進一步加速，如本文后面所述。在延長傳感器使用壽命的同時保持其性能，是許多應用的關鍵要求之一，尤其是在系統(tǒng)擁有成本至關重要的情況下。

第三，即使采用了延長使用壽命的技術，所有電化學傳感器最終都會達到其生命終點，此時性能不再滿足要求，需要更換傳感器。有效檢測壽命結束條件是一個挑戰(zhàn)，若能解決這個挑戰(zhàn)，便可減少不必要的傳感器更換，從而大幅降低成本。更進一步，若能準確預測傳感器何時將失效，氣體檢測系統(tǒng)的運行成本將會降低更多。此外，無線網(wǎng)絡設計的強大支持、更長的電池壽命、實施和維護是終端用戶在當前技術發(fā)展階段所要求的關鍵服務。

降低設計復雜性，可編程氣體分析平臺設計參考

為解決上述挑戰(zhàn)，并讓客戶設計出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統(tǒng)，ADI公司推出的ADuCM355是一種針對氣體檢測應用的單芯片電化學測量系統(tǒng)。ADuCM355集成了兩個電化學測量通道，一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個用于運行用戶應用程序和傳感器診斷補償算法的超低功耗混合信號ARM Cortex-M3微控制器。下圖顯示了ADuCM355的簡化功能框圖。

ADuCM355的簡化功能框圖

基于ADuCM355進行AFE和信號處理的智能電化學氣體檢測平臺可實現(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氣體檢測技術挑戰(zhàn)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(wěn)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(shù)以及運行用戶應用程序。ADuCM355在設計時還考慮了EMC要求，并經(jīng)過預先測試，符合EN 50270標準。

智能電化學氣體檢測參考平臺

總結

IDTechEx預計到2030年，整個環(huán)境氣體傳感器市場規(guī)模將超過38億美元。其中，智能設備依然占據(jù)較大市場份額，依賴物聯(lián)網(wǎng)應用的氣體傳感器增長空間巨大。因此，氣體傳感器的應用即將隨處可見且非常分散。本文以ADI ADuCM355為例，展示了信號鏈集成和內置診斷特性如何使電化學式氣體傳感器減少維護需求，提高精度，延長傳感器壽命，并降低成本，在未來的萬物互聯(lián)場景中具有非常大的市場機會。

責任編輯:psy

原文標題：基于單芯片電化學測量系統(tǒng)解決電化學氣體傳感器設計的三大挑戰(zhàn)

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