lmp91000 在电化学传感器电极故障检测中的应用-电子发烧友网

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电化学传感器

1.电化学气体传感器

电化学传感器通过与分析物反应并产生电信号进行操作。大多数电化学气体传感器是电流传感器，产生与气体浓度成线性比例的电流。电流测量传感器的原理是测量未建立平衡的电化学电池中的电流 - 电势关系。电流与通常使用另一个电极（所谓的参考电极）保持恒定电位的感测电极（也称为工作电极）的电解过程的速率定量相关

2.工作原理

一个电化学气体传感器的工作原理如下：与传感器接触的目标气体分子首先通过一个防止冷凝的隔膜，它也起到防尘的作用。那么气体分子通过毛细管扩散，可能通过随后的过滤器，然后通过疏水膜到达感测电极的表面。在那里分子立即被氧化或还原，从而产生或消耗电子，从而产生电流。

重要的是要注意，用这种方法进入传感器的气体分子的量受到通过毛细管扩散的限制。通过优化路径，根据期望的测量范围，获得适当的电信号。感测电极的设计对于实现对目标气体的高反应性并抑制对干扰气体的不希望响应是至关重要的。它涉及固体，液体和气体三个阶段的系统，并且都涉及分析物气体的化学识别。致力于量身定制该系统并获得高性能的气体传感器。电化学电池通过平衡感测电极处的反应的所谓反电极--Cont电极完成。Cont电极与Sen电极之间的离子电流由传感器主体内的电解质传送，而电流路径通过以销连接器终止的导线提供。通常在电化学传感器（3电极传感器）中包含第三电极。所谓的参考电极用于将感测电极的电势保持在固定值。为此并且通常用于电化学传感器的操作，需要恒电位电路。

3.传感器信号

传感器信号一个气体传感器的输出信号对应于气体的浓度而不是其分压。因此，可以在不同高度甚至地下使用一个传感器，而不管在哪个大气压力下校准装置。传感器输出和压力相关性的更深入和科学的解释可以在文件mem4中找到。

lmp91000 在电化学传感器电极故障检测中的应用

1 电化学传感器及其信号调理电路电化学气体传感器的工作原理和原电池的原理相类似，当敏感气体扩散进入传感器内部发生氧化还原反应，其化学反应过程中输出的电荷载流子与气体浓度成正比。多数情况下，三电极的传感器应用更为广泛，相比于早期两电极的气体传感器，三电极气体传感器的检测灵敏度高、更容易稳定而且可实现高浓度检测。图-1 是电化学传感器及其信号调理电路的简要组成示意，其中传感器（SENSOR）部分给出了三电极化学传感器的电极组成与其等效电路，在电路中运放的作用使得参考电极（RE）相对于工作电极（WE）保持恒定电位，工作电极（WE）收集敏感气体在反应中产生的电流并且通过后级运放实现对弱电流信号的放大。三电极传感器的检测效率、灵敏度受偏置电压影响明显；传感器对敏感气体的选择性同样会到偏置电压的影响；在应用过程中应该保持偏置电压恒定。

常见的三电极电化学传感器信号调理电路是由偏压电路单元、跨阻放大器单元组成；前者确保传感器的最佳工作条件，后者实现对输出弱电流信号的放大。传统设计方案中，通常借助一个双通道运放来实现设计。由于电化学传感器的输出对偏置电压敏感，因而需要偏压单元中的运放有较低的失调电压及其较小的温漂特性，否则传感器的稳定性会受到明显影响；跨阻放大器实现对工作电极输出弱小电流信号的放大，希望运放的偏置电流较小，否则叠加在传感器输出电流上输出偏置电流使得输出存在较大的零偏误差。根据上述分析，所选双运放的特性应该同时满足低失调电压、小偏置电流、低功耗，很多时候同时满足上述条件的双运放型号非常有限。

由于电化学传感器自身特点，在传感器制造完成后通常需要金属短路帽短接输出以防止电荷积累，否则在传感器投入使用后出现较长时间的老化（stabilisation）过程；对于一些零偏置电压的传感器同样也需要短路帽维持电势的恒定；对于非零偏置电压的传感器，在制造完成后直至最终现场启用前均要求维持偏置电压，否则同样会出现长时间的老化过程。为了防止传感器装配出差错、确保使用中的传感器特性没有明显劣化，需要对传感器的电极连接状态进行监测，这也是安全使用的必要措施。很明显，基于传统双运放的方案在实现此类功能时，设计和调测上很大的挑战，一些基于其他分立器件实现的故障检测方案往往也难以解决调测与器件一致性的问题。

其内部有偏置电压发生器、跨阻放大器两个功能单元，每个单元的工作参数可以通过 I2C 总线实现编程配置，从而可以灵活适应不同的特性传感器的应用。为了方便温度补偿的实现，在其片上集成有半导体温度传感器，其温度信号输出可以分时输出或者单独输出。 LMP91000 的内部功能框图，如下图-2 所示。相比于传统的双运放的方案，LMP91000 具有明显的低功耗，平均功耗仅 10uA；PCB 封装面积小，仅 5x5mm;灵活性高，可编程设定功能单元所需工作参数点。

如上所述，应用中偏置电压对电化学传感器工作状态影响很大，当偏置电压发生微小变化时则对应输出电流会明显变化，该现象可以从电化学传感器的等效电路中找到解释，由于电极间等效的电容较大，微小的电压变化趋势，会在电极间产生较大的电流流动试图抵抗这种变化。如果这种偏压变化较小，而且持续时间较短则不会对电极造成影响，如电极极化。通常可借助该原理实现对电极连接状态检测，尤其是在 LMP91000 上实现该功能较为简单，只需要通过 I2C 总线快速动态配置传感器的偏置电压，产生人为扰动偏置电压；在过程中实时监测出传感器电压变化趋势即可。

2 电化学传感器电极故障检测

LMP91000 内部工作参数可随时、灵活配置的特性，可以方便地实现电化学传感器电极故障检测。以下测试以下电极故障功能的测试在 LMP91000 评估板以及对应 GUI 软件上完成的，所采用的电化学传感器是双电极的一氧化碳传感器。实验中对传感器功能正常、传感器电极短路、传感器缺失三种情况进行了测试，以下是各种情况下传感器输出电压的波形与数据特征说明。

2.1 传感器正常使用该测试是检测传感器功能是否正常，下图-3 与图-4 分别表示启用 GUI 中 Sensor Check 功能前后传感器输出电压的情况。下图-3 是传感器正常应用中的输出情况，可见其输出信号相对平滑，注此时未启用 Sensor Check 功能。

图-4 对应启动了 Sensor Check 功能后 LMP91000 输出。输出电压从原先正常值开始跌落并在低位维持一段时间然后输出电压向正常值爬升。仔细观察输出电压波形，可以发现回升电压有一个较为明显的过冲，相比于正常电压大约有 300mV 的过冲，然后开始缓慢回落至正常范围。输出过冲的幅度以及最终恢复的时间和传感器等效阻抗特性有关，输出的正常值可以通过其均值来表示。

2.2 传感器电极短路传感器电极短路是常见的一类安装错误，此时会对应电极短路的故障状态。图-5 是传感器电极短路后启用故障检测后的输出情况，和正常应用时的输出非常类似。此时的输出电压同样经历跌落、维持、回升三个阶段，只是回升后的电压没有过冲现象存在。

2.3 传感器缺失传感器缺失或者脱落是另一种常见的电极连接故障，图-6 和图-7 分别是启用故障检测功能前后传感器输出电压的情况。相比于正常使用时的输出，传感器缺失后输出信号噪声成份明显，输出电压起伏较大；启用故障检测后，传感器输出特性没有明显变化而且也没有电压跌落、爬升现象出现。输出电压的起伏程度，可借助采样值期望均值以及均方差来辅助判断。

3 电极故障检测的数据分析算法

以上测试给出了电化学传感器的常见电极故障下对应的输出波形，并对各自输出特性进行了简要分析，以下是一种可供参考数据分析处理流程。主要实现方法是启用故障检测功能后对采集到的所有数据进行遍历查找，找出其各种变化沿的特征信息并存储，根据其跳变沿特征以及是否存在过冲等特点区分各种对应的故障。启动故障检测时，可以在单片机可以通过 I2C 接口修改 LMP91000 内部 REFCN 寄存器，从而实现对传感器偏置电压的改变，偏置电压的维持时间长短可以通过定时器来控制；定时结束后开始对输出数据的分析。

因为电化学传感器自身复杂物理化学特性使其对偏置电压变化的敏感，借助 LMP91000 可编程特点来产生人为偏置电压扰动来从而实现对电极状态检测。考虑到实际应用中气体浓度不会急速变化导致输出出现跳变，因而有别于正常输出信号，这样通过 LMP91000 就使得电极故障检测功能得以快速实现。需要强调的一点，故障检测中偏压变化的幅度以及持续时间应该有严格限制，防止对传感器本身造成可能的损坏。此外，三电极电化学传感器的故障检测和两电极非常类似，其对应输出特性也基本一致。