浅析气体检测技术的多种实现形式

世界银行的一份研究报告显示，空气污染已经成为继吸烟，饮食和肥胖症之后全球第4大导致过早死亡的风险因素。空气污染猛如虎，CO、CO2、NOx、甲醛等有害气体的监测非常必要，肩负监测使命的气体传感器开始被越来越多的大众熟知。
 

浅析气体检测技术的多种实现形式

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。按传感器检测原理来分，气体传感器通常可以分为热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器、气红外传感器等。

气体检测技术大致分类

热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的；红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有反应灵敏的特点，且对大多数碳氢化合物都有反应。美中不足的是，红外式传感器结构复杂，成本高。

电化学式气体传感器则是利用被测气体的电化学活性，将其电化学氧化或还原，从而分辨气体成分，检测气体浓度的。目前可以检测许多有毒气体和氧气，还能检测血液中的氧浓度。电化学气体传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率。此外，一旦根据目标气体的已知浓度进行校准，其测量的重复性和精度也非常好。数十年来技术的发展，让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好的选择性。由于其优点众多，工业应用（例如用于保护工人安全的有毒气体检测）率先采用了电化学传感器。这些传感器的运行经济性促进了区域有毒气体监测系统的部署，确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

电化学气体传感器基本信号链

不过，尽管检测技术本身在不断进步，但自电化学气体检测出现以来，其基本工作原理以及与生俱来的缺点并未改变。通常，电化学传感器的保质期有限，一般为六个月至一年，传感器的老化也会对其长期性能产生重大影响，传感器制造商通常会指定传感器灵敏度每年最多可漂移20%。此外，虽然目标气体选择性已有显著改善，但传感器仍存在对其他气体的交叉敏感性问题，导致测量受到干扰和读数出错的几率增加。传感器性能还与温度相关，必须在内部进行温度补偿。

靶向创新，电化学气体传感器设计的三大挑战

因此，设计先进气体检测系统需要克服的技术挑战可以分为三类，分别对应于系统生命周期的不同阶段。

首先是传感器制造挑战，例如制造可重复性以及传感器的表征和校准。制造过程本身虽然已高度自动化，但不可避免地会给每个传感器带来差异。由于这些差异，传感器必须在生产过程进行表征和校准。

其次，在系统的整个生命周期中都存在技术挑战。这包括系统架构优化，例如信号链设计或功耗考虑。另外，工业应用中特别注重电磁兼容性(EMC)和功能安全合规性，这会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用，并对保持所需性能和使用寿命提出了挑战。电化学传感器在其使用寿命期间会老化和漂移（这是这种技术的本性），导致需要频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行，性能的变化会进一步加速，如本文后面所述。在延长传感器使用寿命的同时保持其性能，是许多应用的关键要求之一，尤其是在系统拥有成本至关重要的情况下。

第三，即使采用了延长使用寿命的技术，所有电化学传感器最终都会达到其生命终点，此时性能不再满足要求，需要更换传感器。有效检测寿命结束条件是一个挑战，若能解决这个挑战，便可减少不必要的传感器更换，从而大幅降低成本。更进一步，若能准确预测传感器何时将失效，气体检测系统的运行成本将会降低更多。此外，无线网络设计的强大支持、更长的电池寿命、实施和维护是终端用户在当前技术发展阶段所要求的关键服务。

降低设计复杂性，可编程气体分析平台设计参考

为解决上述挑战，并让客户设计出更智能、更精确、更具竞争力的气体检测系统，ADI公司推出的ADuCM355是一种针对气体检测应用的单芯片电化学测量系统。ADuCM355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程序和传感器诊断补偿算法的超低功耗混合信号ARM Cortex-M3微控制器。下图显示了ADuCM355的简化功能框图。

ADuCM355的简化功能框图

基于ADuCM355进行AFE和信号处理的智能电化学气体检测平台可实现集成式低功耗数字气体传感器，ADuCM355也提供了克服电化学气体检测技术挑战的手段。两个测量通道不仅支持最常见的3电极气体传感器，还支持4电极传感器配置。第四个电极既可用于诊断目的，也可以在双重气体传感器中用作第二目标气体的工作电极。任一恒电位仪也可以配置为休眠模式以降低功耗，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的稳定时间。模拟硬件加速器模块支持传感器诊断测量，例如电化学阻抗谱和计时安培分析法。集成的微控制器可用于运行补偿算法、存储校准参数以及运行用户应用程序。ADuCM355在设计时还考虑了EMC要求，并经过预先测试，符合EN 50270标准。
 

智能电化学气体检测参考平台

总结

IDTechEx预计到2030年，整个环境气体传感器市场规模将超过38亿美元。其中，智能设备依然占据较大市场份额，依赖物联网应用的气体传感器增长空间巨大。因此，气体传感器的应用即将随处可见且非常分散。本文以ADI ADuCM355为例，展示了信号链集成和内置诊断特性如何使电化学式气体传感器减少维护需求，提高精度，延长传感器寿命，并降低成本，在未来的万物互联场景中具有非常大的市场机会。

责任编辑:psy

原文标题：基于单芯片电化学测量系统解决电化学气体传感器设计的三大挑战

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