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具备传感器诊断功效的电化学气体丈量体系设想阐发

具备传感器诊断功效的电化学气体丈量体系设想阐发

nba外围 > 相干消息 > 日期:2021-7-6 来历:Internet 作者:yq 阅读量:

气体检测仪器普遍操纵于从家用氛围品德丈量装备到产业有毒气体检测处置计划的各类操纵。电化学气体传感器操纵的汗青能够或许追溯到1950年月,那时开辟了用于氧气监测的电化学传感器。这类手艺的首批操纵之一是葡萄糖生物传感器,用于丈量葡萄糖的缺氧环境。在接上去的几十年中,该手艺取得了成长,传感器变得小型化并能检测多种方针气体。此中很多仪器操纵电化学气体传感器。这类传感器手艺须要特地的前端电路来停止偏置和丈量。

气体检测仪器普遍操纵于从家用氛围品德丈量装备到产业有毒气体检测处置计划的各类操纵。电化学气体传感器操纵的汗青能够或许追溯到1950年月,那时开辟了用于氧气监测的电化学传感器。这类手艺的首批操纵之一是葡萄糖生物传感器,用于丈量葡萄糖的缺氧环境。在接上去的几十年中,该手艺取得了成长,传感器变得小型化并能检测多种方针气体。此中很多仪器操纵电化学气体传感器。这类传感器手艺须要特地的前端电路来停止偏置和丈量。 
 
操纵内置诊断特点(比方阻抗频谱或偏置电压脉冲与斜坡),能够或许查抄传感器安康状态,弥补老化或温度引发的精度漂移,估量传感器的残剩寿命而无需用户干涉干与。这类功效许可各个边缘节点改换智能、###的传感器。集成超低功耗微节制器间接偏置电化学气体传感器并运转板载诊断算法。


图1:典范电化学气体传感器旌旗灯号链

电化学气体传感器根本常识

图2所示电路显现了电化学气体传感器若何毗连到恒电位仪电路,和若何对其停止偏置和丈量。罕见的2引线、3引线和4引线电化学气体传感器能够或许交换操纵。该旌旗灯号链的集成明显缩减了传感器节点的本钱、尺寸、庞杂性和功耗。


图2:电化学气体传感器与恒电位仪毗连表现电路图。 

电化学气体检测的根基道理是方针气体在电极处产生氧化或复原,进而产生电流,丈量此电流便可检测到方针气体。###罕见的传感器有两个或三个电极。一些传感器另有第四个电极。在3电极设置装备摆设中,各电极别离被称为任务电极(WE,也称为检测电极(SE))、参比电极(RE)和反电极(CE)。上图为这类电化学单元的简化表现图。 
 
方针气体经由过程多孔任务电极进入传感器室并分散到电解质(###罕见的是酸)中,在那边它被氧化或复原。此反应产生的电流随即被内部恒电位仪电路检测到,并转换为呼应的电压电平。经常须要在传感器电极上施加持续或脉冲式偏置电压,以确保机能###优。对3电极传感器,偏置电压施加于RE和WE之间。CE处产生与RE和WE之间等量但相反的反应。若是WE处产生复原反应,则CE处产生氧化反应。


图3:电化学气体传感器—简化图 

电化学气体传感器的操纵及相干参数计较

气体传感器的数据手册划定了传感器一般电化学操纵所需的偏置电压。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位分辩率的输出(VBIASx)和一个6位分辩率的输出(VZEROx)。LPDACx的VBIASx输出内部毗连到功率缩小器(PA)的同相端。在内部,VBIASx必须经由过程100 nF电容毗连到AGND引脚。PA缩小器的输出间接连到传感器的CE。###PA缩小器反相真个反应来自传感器的RE引脚;是以,VBIASx电压决议RE引脚电压。 
 
LPDACx的VZEROx输出内部毗连到低功耗跨阻缩小器LPTIAx的同相端。请勿将此引脚用作内部电路的电压源。电化学气体传感器自身仅经由过程REx、CEx和SEx端子毗连到ADuCM355,可选的第四个端子可用于诊断电极(DEx),如图2所示。 
 
操纵下式得出传感器的有用偏置电压:

VBIAS_EFF = VVBIAS C VVZERO

倡议将VZERO电压设置为1100 mV,而后按照传感器数据手册中的传感器偏置电压值设置VBIAS电压。 

按照传感器范例,偏置电压也能够或许为负。以下公式申明了若何设置装备摆设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)

此中:

LPDACDAT为低功耗DAC的数据输出节制寄放器。
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/任务电极(WE)经由过程反相输出引脚SEx毗连到LPTIAx。LPTIAx具备可编程负载电阻(RLOAD)和可编程增益电阻(RTIA)。流入/流出传感器SE电极的电流反应传感器四周的大气中的方针气体。传感器数据手册用“电流/ppm”来表现该量。LPTIAx缩小器将电流转换为电压,而后经由过程模数转换器(ADC)停止缓冲和丈量。挑选RTIA电阻值,使其###大化ADC输出规模±900 mV。RTIA值操纵下式计较:

此中:

0.9 V为ADC输出规模。
Sensitivity界说为nA/ppm。
Max_Range为传感器的###大规模,单元为ppm。
微节制器能够或许计较流入/流出SEx引脚的电流,并肯定方针气体的ppm程度。 
 
基于ADuCM355的单芯片电化学丈量体系

ADuCM355是一款片内体系,可节制和丈量电化学传感器和生物传感器,该器件是一款基于Arm® Cortex™-M3处置器的超低功耗夹杂旌旗灯号微节制器,具备电流、电压和阻抗丈量功效。很是合适用于电化学气体检测体系设想,和食物品德、性命迷信和生物感测阐发等。


图4:ADuCM355的简化功效框图

ADuCM355供给了降服电化学气体检测手艺挑衅的手腕。两个丈量通道不只撑持###罕见的3电极气体传感器,还撑持4电极传感器设置装备摆设。第四个电极既可用于诊断方针,也能够或许在两重气体传感器中用作第二方针气体的任务电极。任一恒电位仪也能够或许设置装备摆设为休眠形式以下降功耗,同时坚持传感器偏置电压,从而削减传感器在一般运转之前能够或许须要的不变时候。摹拟硬件加快器模块撑持传感器诊断丈量,比方电化学阻抗谱和计时安培阐发法。集成的微节制器可用于运转弥补算法、存储校准参数和运转用户操纵法式。ADuCM355在设想时还斟酌了EMC请求,并颠末事后测试,合适EN 50270规范。 
 
若是操纵不须要集成微节制器,能够或许操纵唯一前真个版本——AD5940 

传感器安康状态诊断和预期寿命

差别制作商和针对差别方针气体的电化学气体传感器,寿命也会差别。有关预期寿命的信息可在传感器制作商的数据手册中找到。可是,现实寿命激烈依靠于贮存和任务前提。电化学气体传感器的寿命和须要按期校准,是这类传感器###具挑衅性的方面。是以,人们但愿能够或许间接在仪器中监测传感器的安康状态。 
 
ADuCM355内置波形产生器和团圆傅里叶变更(DFT)模块,经由过程对反电极操纵交换旌旗灯号扫描可完成阻抗频谱丈量。该丈量可显现电极之间电荷转移的品德,从而有用检测传感器电解质的老化环境。尝试室测试标明传感器的阻抗和活络度之间有很好的相干性。
 
检测传感器安康状态的其余方式包含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,以别离测试传感器呼应度和电荷转移。
 
一切这些丈量成果与ADuCM355上运转的算法相连系,有助于改良电化学气体传感器的精度、机能和寿命。为完成这类级别的智能诊断和展望,须要经由过程测试(比方加快老化)来取得大批传感器的特点。


基于超低功耗ARM Cortex-M3处置器的Arduino无线开辟平台

传感器板上供给了内部温度和湿度传感器。它经由过程I2C接口毗连到ADuCM355。大大都电化学传感器的机能会随温度和湿度而变更,是以须要弥补这些影响。另外,值得一提的是,该电路操纵3引线电化学气体传感器(CE、RE、WE)停止测试。可是,它也能够或许撑持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设置装备摆设。第四电极可用作附加诊断电极(DE)。有些传感器能够或许检测两种气体,在这类环境下,第四电极被设置装备摆设为任务电极(比方CO和H2S组合传感器)。 


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