克服電化學(xué)氣體傳感的技術(shù)挑戰(zhàn)

傳感器退化和診斷

雖然信號(hào)鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并沒有解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)——在其生命周期內(nèi)性能下降?？梢岳斫猓@是由于傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)而發(fā)生的。操作條件也會(huì)導(dǎo)致性能損失并加速傳感器老化。傳感器精度會(huì)降低，直到它變得不可靠并且不再適合完成其任務(wù)。在這種情況下，通常的做法是使儀器離線并手動(dòng)檢查傳感器，這既費(fèi)時(shí)又昂貴。根據(jù)其狀況，傳感器可以重新校準(zhǔn)并再次使用，或者可能必須更換。這會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的維護(hù)成本。通過利用電化學(xué)診斷技術(shù)，

導(dǎo)致性能下降的常見因素包括溫度、濕度和氣體濃度過高或電極中毒。短時(shí)間暴露于高溫（超過 50°C）通常是可以接受的。但是，在高溫下反復(fù)對(duì)傳感器施加壓力會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)蒸發(fā)并對(duì)傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，例如導(dǎo)致基線讀數(shù)偏移或響應(yīng)時(shí)間變慢。另一方面，非常低的溫度（低于 –30°C）會(huì)顯著降低傳感器的靈敏度和響應(yīng)能力。

到目前為止，濕度對(duì)傳感器壽命的影響最大。電化學(xué)氣體傳感器的理想工作條件是 20°C 和 60% 的相對(duì)濕度。環(huán)境濕度低于 60% 會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的電解液變干，從而影響響應(yīng)時(shí)間。另一方面，濕度高于 60% 會(huì)導(dǎo)致空氣中的水分被傳感器吸收，從而稀釋電解液并影響傳感器的特性。此外，吸水會(huì)導(dǎo)致傳感器泄漏，從而可能導(dǎo)致引腳腐蝕。

上述劣化機(jī)制會(huì)影響傳感器，即使它們的幅度不是極端的。換句話說，例如，電解質(zhì)耗盡是自然發(fā)生的，并導(dǎo)致傳感器老化。盡管某些 EC Sense 氣體傳感器的運(yùn)行時(shí)間可能超過 10 年，但無論運(yùn)行條件如何，老化過程都會(huì)限制傳感器的使用壽命。

可以使用電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 或計(jì)時(shí)電流法（在觀察傳感器輸出的同時(shí)脈沖偏置電壓）等技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行分析。

EIS 是通過用正弦信號(hào)（通常是電壓）激勵(lì)電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行的頻域分析測(cè)量。在每個(gè)頻率下，流過電化學(xué)電池的電流都會(huì)被記錄下來并用于計(jì)算電池的阻抗。然后將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為最常見的奈奎斯特圖和波特圖。奈奎斯特圖顯示了復(fù)阻抗數(shù)據(jù)，其中每個(gè)頻率點(diǎn)由 x 軸上的實(shí)部和 y 軸上的虛部繪制。這種數(shù)據(jù)表示的主要缺點(diǎn)是丟失了頻率信息。波特圖顯示阻抗幅度和相位角與頻率的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，傳感器靈敏度下降與 EIS 測(cè)試結(jié)果的變化之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。圖 3 中的示例顯示了加速壽命測(cè)試的結(jié)果，其中電化學(xué)氣體傳感器在低濕度 （10% RH） 和升高的溫度 （40°C） 下受到壓力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器會(huì)定期從環(huán)境室中取出并放置一個(gè)小時(shí)。然后進(jìn)行了已知目標(biāo)氣體濃度的基線靈敏度測(cè)試和 EIS 測(cè)試。測(cè)試結(jié)果清楚地證明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關(guān)性。這種測(cè)量的缺點(diǎn)可能是它的長(zhǎng)度，因?yàn)樵诘?、亞赫茲頻率下進(jìn)行測(cè)量非常耗時(shí)。

計(jì)時(shí)電流法（脈沖測(cè)試）是另一種有助于傳感器健康分析的技術(shù)。通過施加疊加在傳感器偏置電壓上的電壓脈沖來完成測(cè)量，同時(shí)觀察通過電化學(xué)電池的電流。脈沖幅度一般非常低（例如 1 mV）且短（例如 200 ms），因此傳感器本身不會(huì)受到干擾。這允許非常頻繁地執(zhí)行測(cè)試，同時(shí)保持氣體傳感儀器的正常操作。在執(zhí)行更耗時(shí)的 EIS 測(cè)量之前，計(jì)時(shí)電流法可用于檢查傳感器是否物理插入設(shè)備，也可作為傳感器性能變化的指示。圖 4 顯示了傳感器對(duì)電壓脈沖的響應(yīng)示例。

圖 4.計(jì)時(shí)電流法測(cè)試的示例結(jié)果。

先前的傳感器詢問技術(shù)已在電化學(xué)中使用了數(shù)十年。然而，這些測(cè)量所需的設(shè)備通常既昂貴又笨重。從實(shí)際和財(cái)務(wù)角度來看，使用此類設(shè)備根本無法測(cè)試部署在現(xiàn)場(chǎng)的大量氣體傳感器。為了啟用遠(yuǎn)程、內(nèi)置傳感器健康分析，診斷功能必須直接集成為信號(hào)鏈的一部分。

通過集成診斷，無需人工干預(yù)即可自主測(cè)試氣體傳感器。如果氣體傳感器在生產(chǎn)中進(jìn)行了表征，則可以將從傳感器獲得的數(shù)據(jù)與這些表征數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，并深入了解傳感器的當(dāng)前狀況。然后將使用智能算法來補(bǔ)償傳感器靈敏度的損失。此外，記錄傳感器的歷史可能會(huì)啟用壽命終止預(yù)測(cè)，在傳感器需要更換時(shí)提醒用戶。內(nèi)置診斷功能最終將減少氣體傳感系統(tǒng)的維護(hù)需求并延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。

工業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

特別是在工業(yè)環(huán)境中，安全性和可靠性至關(guān)重要。制定了嚴(yán)格的法規(guī)以確保氣體傳感系統(tǒng)滿足這些要求，并在化工廠等惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行時(shí)保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性 （EMC） 是不同電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行而不會(huì)相互干擾的能力。例如，EMC 中涉及的測(cè)試是輻射發(fā)射或輻射抗擾度。發(fā)射測(cè)試研究系統(tǒng)的無用發(fā)射以幫助減少它們，而輻射抗擾度測(cè)試則檢查系統(tǒng)在存在其他系統(tǒng)干擾的情況下保持其功能的能力。

EC 氣體傳感器本身的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì) EMC 性能產(chǎn)生負(fù)面影響。傳感器電極就像天線一樣可以接收來自附近電子系統(tǒng)的干擾。這種影響在無線連接的氣體傳感設(shè)備中更為顯著，例如便攜式工人安全儀器。

EMC 測(cè)試通常是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，最終可能需要在最終滿足要求之前迭代系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種測(cè)試大大增加了投入到產(chǎn)品開發(fā)中的成本和時(shí)間。通過使用經(jīng)過預(yù)先測(cè)試以滿足 EMC 要求的集成信號(hào)鏈解決方案，可以潛在地減少時(shí)間和成本開支。

另一個(gè)重要的考慮因素，也是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，是功能安全。根據(jù)定義，功能安全是對(duì)潛在危險(xiǎn)條件的檢測(cè)，該條件導(dǎo)致激活保護(hù)或糾正機(jī)制以防止任何危險(xiǎn)事件。該安全功能提供的風(fēng)險(xiǎn)降低的相對(duì)水平被定義為安全完整性水平 （SIL）。功能安全要求自然包含在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

工業(yè)氣體傳感應(yīng)用中功能安全的重要性最常與可能存在爆炸性或易燃?xì)怏w的環(huán)境中的安全操作相關(guān)。化工廠或采礦設(shè)施是此類應(yīng)用的一個(gè)很好的例子。為了符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)必須在令人滿意的安全完整性級(jí)別上被認(rèn)定為功能安全。

Analog Devices 的單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)并使客戶能夠設(shè)計(jì)出更智能、更準(zhǔn)確和更具競(jìng)爭(zhēng)力的氣體傳感系統(tǒng)，制造商正在將傳感器接口和其他功能集成到微控制器中。例如，ADuCM355Analog Devices 的單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)氣體傳感和水分析應(yīng)用（見圖 5）。它集成了兩個(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)行用戶應(yīng)用和傳感器診斷和補(bǔ)償算法的超低功耗、混合信號(hào) 26 MHz ARM Cortex-M3 微控制器。傳感微控制器的其他重要功能包括集成 ADC、用于為電化學(xué)電池生成偏置電壓的 DAC、帶有 TIA 放大器的低功耗和低噪聲恒電位儀，以及集成溫度傳感器。

集成模擬硬件加速器模塊（即波形發(fā)生器、數(shù)字傅里葉變換模塊、數(shù)字濾波器）還簡(jiǎn)化了傳感器診斷測(cè)量，例如電化學(xué)阻抗譜和計(jì)時(shí)電流法。該系統(tǒng)可以在同一個(gè) MCU 上運(yùn)行補(bǔ)償算法、存儲(chǔ)校準(zhǔn)參數(shù)和運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。MCU 的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮 EMC 要求，并根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)試，例如EN 50270。

圖 5. ADuCM355 的簡(jiǎn)化功能框圖。

兩個(gè)測(cè)量通道的可用性不僅支持最常見的 3 電極氣體傳感器，還支持 4 電極傳感器配置。第四電極用于診斷目的，或者在雙氣體傳感器的情況下，用作第二目標(biāo)氣體的工作電極。任何恒電位儀也可以配置為休眠以降低功耗，同時(shí)保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運(yùn)行之前可能需要穩(wěn)定的時(shí)間。對(duì)于不需要集成微控制器的應(yīng)用，只有前端芯片可用，例如AD5940。

由于技術(shù)創(chuàng)新，我們現(xiàn)在擁有所有必要的知識(shí)和工具來有效應(yīng)對(duì)直到最近還阻止電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)入無處不在的傳感時(shí)代的技術(shù)挑戰(zhàn)。從低成本的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀到過程控制和工人安全應(yīng)用，信號(hào)鏈集成和內(nèi)置診斷功能將使這些傳感器得到廣泛使用，同時(shí)減少維護(hù)需求、提高精度、延長(zhǎng)傳感器壽命并降低成本。

關(guān)于作者

Michal Raninec 是 ADI 公司自動(dòng)化和能源業(yè)務(wù)部工業(yè)系統(tǒng)組的一名系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專業(yè)領(lǐng)域包括電化學(xué)氣體傳感和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Michal 獲得了工程學(xué)碩士學(xué)位。捷克布爾諾理工大學(xué)電子工程學(xué)位。

審核編輯：郭婷