克服电化学气体传感的技术挑战

传感器退化和诊断

虽然信号链集成是向前迈出的重要一步，但它本身并没有解决电化学气体传感器的根本缺点——在其生命周期内性能下降。可以理解，这是由于传感器的工作原理和结构而发生的。操作条件也会导致性能损失并加速传感器老化。传感器精度会降低，直到它变得不可靠并且不再适合完成其任务。在这种情况下，通常的做法是使仪器离线并手动检查传感器，这既费时又昂贵。根据其状况，传感器可以重新校准并再次使用，或者可能必须更换。这会产生相当大的维护成本。通过利用电化学诊断技术，

导致性能下降的常见因素包括温度、湿度和气体浓度过高或电极中毒。短时间暴露于高温（超过 50°C）通常是可以接受的。但是，在高温下反复对传感器施加压力会导致电解质蒸发并对传感器造成不可逆转的损坏，例如导致基线读数偏移或响应时间变慢。另一方面，非常低的温度（低于 –30°C）会显着降低传感器的灵敏度和响应能力。

到目前为止，湿度对传感器寿命的影响最大。电化学气体传感器的理想工作条件是 20°C 和 60% 的相对湿度。环境湿度低于 60% 会导致传感器内部的电解液变干，从而影响响应时间。另一方面，湿度高于 60% 会导致空气中的水分被传感器吸收，从而稀释电解液并影响传感器的特性。此外，吸水会导致传感器泄漏，从而可能导致引脚腐蚀。

上述劣化机制会影响传感器，即使它们的幅度不是极端的。换句话说，例如，电解质耗尽是自然发生的，并导致传感器老化。尽管某些 EC Sense 气体传感器的运行时间可能超过 10 年，但无论运行条件如何，老化过程都会限制传感器的使用寿命。

可以使用电化学阻抗谱 （EIS） 或计时电流法（在观察传感器输出的同时脉冲偏置电压）等技术对传感器进行分析。

EIS 是通过用正弦信号（通常是电压）激励电化学系统进行的频域分析测量。在每个频率下，流过电化学电池的电流都会被记录下来并用于计算电池的阻抗。然后将数据呈现为最常见的奈奎斯特图和波特图。奈奎斯特图显示了复阻抗数据，其中每个频率点由 x 轴上的实部和 y 轴上的虚部绘制。这种数据表示的主要缺点是丢失了频率信息。波特图显示阻抗幅度和相位角与频率的关系。

实验测量表明，传感器灵敏度下降与 EIS 测试结果的变化之间存在很强的相关性。图 3 中的示例显示了加速寿命测试的结果，其中电化学气体传感器在低湿度 （10% RH） 和升高的温度 （40°C） 下受到压力。在整个实验过程中，传感器会定期从环境室中取出并放置一个小时。然后进行了已知目标气体浓度的基线灵敏度测试和 EIS 测试。测试结果清楚地证明了传感器灵敏度和阻抗之间的相关性。这种测量的缺点可能是它的长度，因为在低、亚赫兹频率下进行测量非常耗时。

计时电流法（脉冲测试）是另一种有助于传感器健康分析的技术。通过施加叠加在传感器偏置电压上的电压脉冲来完成测量，同时观察通过电化学电池的电流。脉冲幅度一般非常低（例如 1 mV）且短（例如 200 ms），因此传感器本身不会受到干扰。这允许非常频繁地执行测试，同时保持气体传感仪器的正常操作。在执行更耗时的 EIS 测量之前，计时电流法可用于检查传感器是否物理插入设备，也可作为传感器性能变化的指示。图 4 显示了传感器对电压脉冲的响应示例。

图 4.计时电流法测试的示例结果。

先前的传感器询问技术已在电化学中使用了数十年。然而，这些测量所需的设备通常既昂贵又笨重。从实际和财务角度来看，使用此类设备根本无法测试部署在现场的大量气体传感器。为了启用远程、内置传感器健康分析，诊断功能必须直接集成为信号链的一部分。

通过集成诊断，无需人工干预即可自主测试气体传感器。如果气体传感器在生产中进行了表征，则可以将从传感器获得的数据与这些表征数据集进行比较，并深入了解传感器的当前状况。然后将使用智能算法来补偿传感器灵敏度的损失。此外，记录传感器的历史可能会启用寿命终止预测，在传感器需要更换时提醒用户。内置诊断功能最终将减少气体传感系统的维护需求并延长传感器的使用寿命。

工业应用的系统设计挑战

特别是在工业环境中，安全性和可靠性至关重要。制定了严格的法规以确保气体传感系统满足这些要求，并在化工厂等恶劣的工业环境中运行时保持可靠、完整的功能。

电磁兼容性 （EMC） 是不同电子设备在共同的电磁环境中正常运行而不会相互干扰的能力。例如，EMC 中涉及的测试是辐射发射或辐射抗扰度。发射测试研究系统的无用发射以帮助减少它们，而辐射抗扰度测试则检查系统在存在其他系统干扰的情况下保持其功能的能力。

EC 气体传感器本身的结构会对 EMC 性能产生负面影响。传感器电极就像天线一样可以接收来自附近电子系统的干扰。这种影响在无线连接的气体传感设备中更为显着，例如便携式工人安全仪器。

EMC 测试通常是一个非常耗时的过程，最终可能需要在最终满足要求之前迭代系统设计。这种测试大大增加了投入到产品开发中的成本和时间。通过使用经过预先测试以满足 EMC 要求的集成信号链解决方案，可以潜在地减少时间和成本开支。

另一个重要的考虑因素，也是一个技术挑战，是功能安全。根据定义，功能安全是对潜在危险条件的检测，该条件导致激活保护或纠正机制以防止任何危险事件。该安全功能提供的风险降低的相对水平被定义为安全完整性水平 （SIL）。功能安全要求自然包含在工业标准中。

工业气体传感应用中功能安全的重要性最常与可能存在爆炸性或易燃气体的环境中的安全操作相关。化工厂或采矿设施是此类应用的一个很好的例子。为了符合功能安全标准，系统必须在令人满意的安全完整性级别上被认定为功能安全。

Analog Devices 的单芯片电化学测量系统

为了应对上述挑战并使客户能够设计出更智能、更准确和更具竞争力的气体传感系统，制造商正在将传感器接口和其他功能集成到微控制器中。例如，ADuCM355Analog Devices 的单芯片电化学测量系统针对气体传感和水分析应用（见图 5）。它集成了两个电化学测量通道、一个用于传感器诊断的阻抗测量引擎，以及一个用于运行用户应用和传感器诊断和补偿算法的超低功耗、混合信号 26 MHz ARM Cortex-M3 微控制器。传感微控制器的其他重要功能包括集成 ADC、用于为电化学电池生成偏置电压的 DAC、带有 TIA 放大器的低功耗和低噪声恒电位仪，以及集成温度传感器。

集成模拟硬件加速器模块（即波形发生器、数字傅里叶变换模块、数字滤波器）还简化了传感器诊断测量，例如电化学阻抗谱和计时电流法。该系统可以在同一个 MCU 上运行补偿算法、存储校准参数和运行用户应用程序。MCU 的设计应考虑 EMC 要求，并根据行业标准进行预测试，例如EN 50270。

图 5. ADuCM355 的简化功能框图。

两个测量通道的可用性不仅支持最常见的 3 电极气体传感器，还支持 4 电极传感器配置。第四电极用于诊断目的，或者在双气体传感器的情况下，用作第二目标气体的工作电极。任何恒电位仪也可以配置为休眠以降低功耗，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稳定的时间。对于不需要集成微控制器的应用，只有前端芯片可用，例如AD5940。

由于技术创新，我们现在拥有所有必要的知识和工具来有效应对直到最近还阻止电化学气体传感器进入无处不在的传感时代的技术挑战。从低成本的无线空气质量监测仪到过程控制和工人安全应用，信号链集成和内置诊断功能将使这些传感器得到广泛使用，同时减少维护需求、提高精度、延长传感器寿命并降低成本。

关于作者

Michal Raninec 是 ADI 公司自动化和能源业务部工业系统组的一名系统应用工程师。他的专业领域包括电化学气体传感和无线传感器网络。Michal 获得了工程学硕士学位。捷克布尔诺理工大学电子工程学位。

审核编辑：郭婷