傳感器劣化和診斷

雖然信號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氣體傳感器的根本缺點——在其使用壽命內性能下降。可以理解的是，這是傳感器工作原理和結構的結果。工作條件也會導致性能損失并加速傳感器老化。傳感器精度會降低，直到它變得不可靠并且不再適合完成其任務。在這種情況下，通常的做法是使儀器脫機并手動檢查傳感器，這既耗時又昂貴。根據其狀況，傳感器可以重新校準并再次使用，或者可能需要更換。這會產生相當大的維護成本。通過利用電化學診斷技術，可以分析傳感器的健康狀況并有效地補償性能變化。

圖1.典型的電化學氣體傳感器信號鏈（簡化）。

圖2.雙通道集成氣體傳感信號鏈（簡化）。

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

導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。短時間暴露在升高的溫度（超過 50°C）下通常是可以接受的。但是，在高溫下反復對傳感器施加壓力會導致電解質蒸發并對傳感器造成不可逆轉的損壞，例如導致基線讀數偏移或響應時間變慢。另一方面，極低的溫度（低于–30°C）會顯著降低傳感器的靈敏度和響應能力。

到目前為止，濕度對傳感器壽命的影響最大。電化學氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60%相對濕度。環境濕度低于60%會導致傳感器內部的電解液變干，從而影響響應時間。另一方面，濕度高于60%會導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，吸水會導致傳感器泄漏，可能導致引腳腐蝕。

上述劣化機制會影響傳感器，即使它們的大小不是極端的。換句話說，例如，電解質耗盡是自然發生的，并導致傳感器老化。無論工作條件如何，老化過程都會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 10 年。

可以使用電化學阻抗譜（EIS）或計時安培法（在觀察傳感器輸出的同時脈沖偏置電壓）等技術分析傳感器。

EIS是一種頻域分析測量，通過用正弦信號（通常是電壓）激勵電化學系統來進行。在每個頻率下，記錄流過電化學電池的電流并用于計算電池的阻抗。然后，數據通常以奈奎斯特圖和波特圖的形式呈現。奈奎斯特圖顯示了復阻抗數據，其中每個頻率點由 x 軸上的實部和 y 軸上的虛部繪制。這種數據表示的主要缺點是丟失頻率信息。波特圖顯示了阻抗幅度和相位角與頻率的關系。

實驗測量表明，傳感器靈敏度下降與EIS測試結果的變化之間存在很強的相關性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結果，其中電化學氣體傳感器在低濕度（10% RH）和升高的溫度（40°C）下承受應力。在整個實驗過程中，傳感器定期從環境室中取出并靜置一小時。然后使用已知目標氣體濃度進行基線靈敏度測試和EIS測試。測試結果清楚地證明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關性。這種測量的缺點可能是它的長度，因為在低、低于Hz的頻率下獲得測量非常耗時。

計時電流法（脈沖測試）是另一種有助于傳感器健康分析的技術。測量是通過施加疊加在傳感器偏置電壓上的電壓脈沖來完成的，同時觀察通過電化學電池的電流。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受到干擾。這使得測試可以非常頻繁地進行，同時保持氣體傳感儀器的正常運行。在執行更耗時的EIS測量之前，計時安培法可用于檢查傳感器是否物理插入設備，也可以作為傳感器性能變化的指示。傳感器對電壓脈沖的響應示例如圖4所示。

圖4.計時安培測試的示例結果。

以前的傳感器詢問技術已經在電化學中使用了幾十年。然而，這些測量所需的設備通常既昂貴又笨重。從實際和財務角度來看，使用這種設備根本不可能測試現場部署的大量氣體傳感器。為了實現遠程內置傳感器健康分析，診斷功能必須直接集成為信號鏈的一部分。

通過集成診斷，可以自主測試氣體傳感器，而無需人工交互。如果氣體傳感器在生產中進行了表征，則可以將從傳感器獲得的數據與這些表征數據集進行比較，并深入了解傳感器的當前狀況。然后，將使用智能算法來補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使壽命終止預后成為可能，在傳感器需要更換時提醒用戶。內置診斷功能最終將減少氣體傳感系統的維護需求，并延長傳感器的使用壽命。

工業應用的系統設計挑戰

特別是在工業環境中，安全性和可靠性至關重要。嚴格的法規已到位，以確保氣體傳感系統滿足這些要求，并在化工廠等惡劣的工業環境中運行時保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性（EMC）是不同電子設備在共同的電磁環境中正常運行的能力，沒有相互干擾。例如，EMC中涉及的測試是輻射發射或輻射抗擾度。雖然輻射測試研究系統的不需要的排放以幫助減少它們，但輻射抗擾度測試檢查系統在存在其他系統干擾的情況下保持其功能的能力。

EC氣體傳感器的結構本身會對EMC性能產生負面影響。傳感器電極的作用類似于天線，可以接收來自附近電子系統的干擾。這種影響在無線連接的氣體傳感設備（如便攜式工人安全儀器）中更為明顯。

EMC測試通常是一個非常耗時的過程，最終可能需要在最終滿足要求之前迭代系統設計。這種測試大大增加了產品開發的成本和時間。通過使用經過預先測試以滿足EMC要求的集成信號鏈解決方案，可以減少時間和成本支出。

另一個嚴肅的考慮因素，也是一個技術挑戰，是功能安全。根據定義，功能安全是檢測潛在危險情況，從而激活保護或糾正機制以防止任何危險事件。然后，此安全功能提供的風險降低的相對水平定義為安全完整性等級（SIL）。功能安全要求自然包含在行業標準中。

功能安全在工業氣體傳感應用中的重要性通常與可能存在爆炸性或易燃氣體的環境中的安全操作有關。化工廠或采礦設施是此類應用的一個很好的例子。為了符合功能安全標準，系統必須符合功能安全，并達到令人滿意的安全完整性水平。

ADI公司的單芯片電化學測量系統

為了應對上述挑戰，使客戶能夠設計出更智能、更準確、更具競爭力的氣體傳感系統，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測量系統，面向氣體檢測和水分析應用（見圖5）。它集成了兩個電化學測量通道、一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎和一個超低功耗、混合信號 26 MHz ARM Cortex-M3 微控制器，用于運行用戶應用以及傳感器診斷和補償算法。檢測微控制器的其他重要功能包括集成ADC、用于產生電化學電池偏置電壓的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（即波形發生器、數字傅里葉變換模塊、數字濾波器）還可以簡化傳感器診斷測量，如電化學阻抗譜和計時安培法。該系統可以在同一MCU上運行補償算法、存儲校準參數和運行用戶應用。MCU在設計時應考慮到EMC要求，并按照EN 50270等行業標準進行預測試。

圖5.ADuCM355的簡化功能框圖

兩個測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。第四個電極用于診斷目的，或者在雙氣體傳感器的情況下，用作第二個目標氣體的工作電極。任何恒電位儀也可以配置為休眠以降低功耗，同時保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運行之前可能需要建立的時間。對于不需要集成微控制器的應用，可以使用僅前端芯片，例如AD5940。

由于技術創新，我們現在擁有所有必要的知識和工具來有效應對直到最近還阻止電化學氣體傳感器進入無處不在傳感時代的技術挑戰。從低成本的無線空氣質量監測器到過程控制和工人安全應用，信號鏈集成和內置診斷功能將使這些傳感器得到廣泛使用，同時減少維護需求，提高精度，延長傳感器壽命并降低成本。

審核編輯：郭婷