减小电气化学传感器误差的方法

作者:admin   发布时间:2015/10/29 18:31:56   浏览次数:1842

电气化学组件通常用于测量各种有毒和无毒气体，例如：一氧化碳、氧气和氢气。它们基于化学氧化与化学还原的主要方法，并产生与被测气体成比例的电流。大多数组件均由三个电极组成：工作极（WE）、计数器极（CE）和基准极（RE）。WE氧化或者还原目标气体，然后产生一个与气体浓度成比例关系的电流。CE平衡所产生的电流，而RE则维持工作电极电位以保证正确的工作区。电气化学组件往往连接恒电位器电路。这种恒电位器电路向CE提供电流（并在要求时偏置）。它让WE保持与RE相同的电位，并使用一个跨阻抗放大器（TIA）把WE的输出电流转换为电压。
　　与许多传感器一样，电气化学传感器具有对温度的依赖性。为了实现最佳性能，需测量这种组件的温度。根据组件的性能与温度的对比曲线图（参见数据表），进行正确的温度校正。
　　传感器、气体类型和气体深度水平决定了传感器工作电极输出电流的多少。为了应对这种变化，可使用一个具有可调节增益的TIA。一到数百uA的电流范围是可能的，因此使用一到数百kOhm范围的TIA增益就已足够。
　　不同的传感器要求不同的偏置，或者一些传感器会要求零偏置。注意这些要求，以便传感器产生电流便可达到规范。组件是否完成被测气体的氧化（CO）或者还原（NO2）反应，决定了组件是否产生WE输入或者输出电流。应对TIA非反相引脚电压进行正确的电平位移，以确保单电源系统中放大器输出不饱和的情况下获得最大增益。例如，TIA产生一个由如下方程式计算得到的输出电压：VOUT = -IIN × RFEEDBACK，其中IIN为流向反馈电阻器TIA的电流。如果进入TIA的该电流为正（还原反应），则非反相引脚电压时VOUT为负。应升高该电压，以避免输出至负电源。
　　基本上，电气化学组件中包含温度校正以及一个提供灌电流/拉电流、电压偏置、电流到电压转换以及电平位移的恒电位器是非常重要的。例如，LMP91000（可配置AFE恒电位器）是传感器AFE系列的组成部分，并拥有这些功能（请参见图4）。它包含一个完整的恒电位器电路，拥有灌电流和拉电流功能，以及可编程TIA增益、电气化学单元偏置和内部零电压。另外，这种传感器AFE还包含一个集成温度传感器，并使用小型14引脚、4mm2封装，从而允许直接将该器件放置在电气化学组件下面，以实现精确温度补偿和更高噪声性能。

　　并非所有气体都能用电气化学组件精确地测量。一种备用方法是，使用非分散红外（NDIR）技术。它是一种红外光谱技术。红外光谱技术的原理是，大多数气体分子都吸收红外光（在特定波长下）。吸收光线的多少与气体浓度成比例关系。特别是，NDIR让所有红外光线通过气体采样，然后使用一个光滤波器来隔离所需要的波长。通常，具有内置滤波器的热电堆用于检测具体气体的多少。例如，CO2在4.26 µm波长下具有较强的吸光率，因此使用带通滤波器移除这种波长之外的所有光线。通过与CO2和乙醇检测相结合，NDIR气体传感器还可用于检测温室气体和冷冻剂（例如：氟利昂等）。
　　NDIR系统存在的一个主要问题是随着时间的推移，如何准确地知道发送给检测器的光线变化是否真的因气体吸收所引起，而不是光源变化或者舱室污染所引起。尽管在NDIR系统工作之初进行校正是可能的，但是为了应对随着时间推移而出现的光源变化和舱室污染问题，要求不断进行校准。这样做成本很高昂、耗费时间，并且在长期现场运行过程中也不可行。解决这个问题的一个方法是，在你的系统中使用一条基准通道。该基准通道包含一个检测器，在没有光线吸收的范围内测量光源。现在，气体浓度由两个发送光量之比来决定。光源偏差引起的任何误差现在都被抵消。这种偏差导致长期漂移，其出现在较大的时间段内。因此，无需同时对基准和有源通道进行采样。你可以使用一个输入多路复用器（MUX）来在两条通道之间切换，从而降低系统成本和复杂程度，并同时维持精确度。
　　在NDIR系统中用作红外检测器的热电堆根据其接收的入射光多少（单位为瓦特）来产生电压。被测气体类型、其吸光系数和气体浓度范围都影响热电堆检测器的入射光线量。它产生热电堆输出电压（范围通常为数十µV）。因此，你需要设计出具有使用不同增益放大热电堆输出电压功能的电子支持组件。可以通过一个含内置PGA的模拟前端（AFE）来处理这种情况。要求使用数百到数千V/V范围的增益设置，来把小热电堆信号放大到系统全刻度模数转换器（ADC），从而实现最大系统精确度。
　　NDIR系统设计的另一个因素是知道如何处理热电堆传感器相关的显著偏移电压。热电堆会有一个大于实际信号的偏移分量（高达1mV），其限制了系统的动态范围。把这种问题降至最小程度的一种方法是，在系统的电子组件中集成偏移补偿。一种解决方案是，使用一个数模转换器（DAC）对被测偏移进行补偿。系统微控制器（µC）可以捕获偏移水平，并通过对DAC编程让输出趋向负轨即零刻度来消除这种偏移。这种解决方案利用ADC的全部动态范围，最小化了ADC分辨率要求。
　　另外，由于存在热电堆偏移电压，需要把热电堆偏置至接地以上。你可以通过利用一个共模生成器，向传感器施加一个共模电压，完成这项工作。这样可以把热电堆传感器信号电平位移至负轨以外，从而允许精确地检测传感器偏移电压的存在。
　　另外，NDIR系统需要一个基准通道、可调节放大、偏移补偿和偏置。LMP91051可以满足这些要求，它是NDIR检测应用的可配置传感器AFE（请参见图5）。它拥有一个双通道输入，可支持有源基准通道、PGA、可调节偏移抵消DAC以及共模生成器。LMP91051集成了这些重要的NDIR系统模块，降低了设计时间，并减少了板级空间占用、功耗和成本。