傳感器劣化和診斷

雖然信號(hào)鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并不能解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)——在其使用壽命內(nèi)性能下降。可以理解的是，這是傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)的結(jié)果。工作條件也會(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脫機(jī)并手動(dòng)檢查傳感器，這既耗時(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，或者可能需要更換。這會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的維護(hù)成本。通過(guò)利用電化學(xué)診斷技術(shù)，可以分析傳感器的健康狀況并有效地補(bǔ)償性能變化。

圖1.典型的電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)鏈（簡(jiǎn)化）。

圖2.雙通道集成氣體傳感信號(hào)鏈（簡(jiǎn)化）。

圖3.在低相對(duì)濕度下加速壽命測(cè)試期間傳感器靈敏度（左圖）和阻抗（右圖）之間的相關(guān)性。

導(dǎo)致性能下降的常見(jiàn)因素包括溫度、濕度和氣體濃度過(guò)高或電極中毒。短時(shí)間暴露在升高的溫度（超過(guò) 50°C）下通常是可以接受的。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，極低的溫度（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%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)致空氣中的水被吸收到傳感器中，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，可能導(dǎo)致引腳腐蝕。

上述劣化機(jī)制會(huì)影響傳感器，即使它們的大小不是極端的。換句話說(shuō)，例如，電解質(zhì)耗盡是自然發(fā)生的，并導(dǎo)致傳感器老化。無(wú)論工作條件如何，老化過(guò)程都會(huì)限制傳感器的使用壽命，盡管某些 EC Sense 氣體傳感器的使用壽命可能超過(guò) 10 年。

可以使用電化學(xué)阻抗譜（EIS）或計(jì)時(shí)安培法（在觀察傳感器輸出的同時(shí)脈沖偏置電壓）等技術(shù)分析傳感器。

EIS是一種頻域分析測(cè)量，通過(guò)用正弦信號(hào)（通常是電壓）激勵(lì)電化學(xué)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。在每個(gè)頻率下，記錄流過(guò)電化學(xué)電池的電流并用于計(jì)算電池的阻抗。然后，數(shù)據(jù)通常以奈奎斯特圖和波特圖的形式呈現(xiàn)。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)是丟失頻率信息。波特圖顯示了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）下承受應(yīng)力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器定期從環(huán)境室中取出并靜置一小時(shí)。然后使用已知目標(biāo)氣體濃度進(jìn)行基線靈敏度測(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)樵诘汀⒌陀贖z的頻率下獲得測(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)。測(cè)量是通過(guò)施加疊加在傳感器偏置電壓上的電壓脈沖來(lái)完成的，同時(shí)觀察通過(guò)電化學(xué)電池的電流。脈沖幅度通常非常低（例如，1 mV）和短（例如，200 ms），因此傳感器本身不會(huì)受到干擾。這使得測(cè)試可以非常頻繁地進(jìn)行，同時(shí)保持氣體傳感儀器的正常運(yùn)行。在執(zhí)行更耗時(shí)的EIS測(cè)量之前，計(jì)時(shí)安培法可用于檢查傳感器是否物理插入設(shè)備，也可以作為傳感器性能變化的指示。傳感器對(duì)電壓脈沖的響應(yīng)示例如圖4所示。

圖4.計(jì)時(shí)安培測(cè)試的示例結(jié)果。

以前的傳感器詢問(wèn)技術(shù)已經(jīng)在電化學(xué)中使用了幾十年。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(lái)看，使用這種設(shè)備根本不可能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)部署的大量氣體傳感器。為了實(shí)現(xiàn)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(guò)集成診斷，可以自主測(cè)試氣體傳感器，而無(wú)需人工交互。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(lái)補(bǔ)償傳感器靈敏度的損失。此外，記錄傳感器的歷史記錄可能會(huì)使壽命終止預(yù)后成為可能，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。嚴(yán)格的法規(guī)已到位，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)行的能力，沒(méi)有相互干擾。例如，EMC中涉及的測(cè)試是輻射發(fā)射或輻射抗擾度。雖然輻射測(cè)試研究系統(tǒng)的不需要的排放以幫助減少它們，但輻射抗擾度測(cè)試檢查系統(tǒng)在存在其他系統(tǒng)干擾的情況下保持其功能的能力。

EC氣體傳感器的結(jié)構(gòu)本身會(huì)對(duì)EMC性能產(chǎn)生負(fù)面影響。傳感器電極的作用類似于天線，可以接收來(lái)自附近電子系統(tǒng)的干擾。這種影響在無(wú)線連接的氣體傳感設(shè)備（如便攜式工人安全儀器）中更為明顯。

EMC測(cè)試通常是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)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)試大大增加了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間。通過(guò)使用經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試以滿足EMC要求的集成信號(hào)鏈解決方案，可以減少時(shí)間和成本支出。

另一個(gè)嚴(yán)肅的考慮因素，也是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，是功能安全。根據(jù)定義，功能安全是檢測(cè)潛在危險(xiǎn)情況，從而激活保護(hù)或糾正機(jī)制以防止任何危險(xiǎn)事件。然后，此安全功能提供的風(fēng)險(xiǎn)降低的相對(duì)水平定義為安全完整性等級(jí)（SIL）。功能安全要求自然包含在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

功能安全在工業(yè)氣體傳感應(yīng)用中的重要性通常與可能存在爆炸性或易燃?xì)怏w的環(huán)境中的安全操作有關(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)必須符合功能安全，并達(dá)到令人滿意的安全完整性水平。

ADI公司的單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，使客戶能夠設(shè)計(jì)出更智能、更準(zhǔn)確、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，ADI公司的ADuCM355是一款單芯片電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，面向氣體檢測(cè)和水分析應(yīng)用（見(jiàn)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)量引擎和一個(gè)超低功耗、混合信號(hào) 26 MHz ARM Cortex-M3 微控制器，用于運(yùn)行用戶應(yīng)用以及傳感器診斷和補(bǔ)償算法。檢測(cè)微控制器的其他重要功能包括集成ADC、用于產(chǎn)生電化學(xué)電池偏置電壓的DAC、帶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）還可以簡(jiǎn)化傳感器診斷測(cè)量，如電化學(xué)阻抗譜和計(jì)時(shí)安培法。該系統(tǒng)可以在同一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。MCU在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到EMC要求，并按照EN 50270等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)試。

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(jiàn)的 3 電極氣體傳感器，還支持 4 電極傳感器配置。第四個(gè)電極用于診斷目的，或者在雙氣體傳感器的情況下，用作第二個(gè)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)行之前可能需要建立的時(shí)間。對(duì)于不需要集成微控制器的應(yīng)用，可以使用僅前端芯片，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(lái)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(wú)處不在傳感時(shí)代的技術(shù)挑戰(zhàn)。從低成本的無(wú)線空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器到過(guò)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。

審核編輯：郭婷