作者:admin   發(fā)布時(shí)間:2015/10/29 18:31:56   瀏覽次數(shù):1832

電氣化學(xué)組件通常用于測(cè)量各種有毒和無(wú)毒氣體，例如：一氧化碳、氧氣和氫氣。它們基于化學(xué)氧化與化學(xué)還原的主要方法，并產(chǎn)生與被測(cè)氣體成比例的電流。大多數(shù)組件均由三個(gè)電極組成：工作極（WE）、計(jì)數(shù)器極（CE）和基準(zhǔn)極（RE）。WE氧化或者還原目標(biāo)氣體，然后產(chǎn)生一個(gè)與氣體濃度成比例關(guān)系的電流。CE平衡所產(chǎn)生的電流，而RE則維持工作電極電位以保證正確的工作區(qū)。電氣化學(xué)組件往往連接恒電位器電路。這種恒電位器電路向CE提供電流（并在要求時(shí)偏置）。它讓W(xué)E保持與RE相同的電位，并使用一個(gè)跨阻抗放大器（TIA）把WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。
　　與許多傳感器一樣，電氣化學(xué)傳感器具有對(duì)溫度的依賴性。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，需測(cè)量這種組件的溫度。根據(jù)組件的性能與溫度的對(duì)比曲線圖（參見數(shù)據(jù)表），進(jìn)行正確的溫度校正。
　　傳感器、氣體類型和氣體深度水平?jīng)Q定了傳感器工作電極輸出電流的多少。為了應(yīng)對(duì)這種變化，可使用一個(gè)具有可調(diào)節(jié)增益的TIA。一到數(shù)百uA的電流范圍是可能的，因此使用一到數(shù)百kOhm范圍的TIA增益就已足夠。
　　不同的傳感器要求不同的偏置，或者一些傳感器會(huì)要求零偏置。注意這些要求，以便傳感器產(chǎn)生電流便可達(dá)到規(guī)范。組件是否完成被測(cè)氣體的氧化（CO）或者還原（NO2）反應(yīng)，決定了組件是否產(chǎn)生WE輸入或者輸出電流。應(yīng)對(duì)TIA非反相引腳電壓進(jìn)行正確的電平位移，以確保單電源系統(tǒng)中放大器輸出不飽和的情況下獲得最大增益。例如，TIA產(chǎn)生一個(gè)由如下方程式計(jì)算得到的輸出電壓：VOUT = -IIN × RFEEDBACK，其中IIN為流向反饋電阻器TIA的電流。如果進(jìn)入TIA的該電流為正（還原反應(yīng)），則非反相引腳電壓時(shí)VOUT為負(fù)。應(yīng)升高該電壓，以避免輸出至負(fù)電源。
　　基本上，電氣化學(xué)組件中包含溫度校正以及一個(gè)提供灌電流/拉電流、電壓偏置、電流到電壓轉(zhuǎn)換以及電平位移的恒電位器是非常重要的。例如，LMP91000（可配置AFE恒電位器）是傳感器AFE系列的組成部分，并擁有這些功能（請(qǐng)參見圖4）。它包含一個(gè)完整的恒電位器電路，擁有灌電流和拉電流功能，以及可編程TIA增益、電氣化學(xué)單元偏置和內(nèi)部零電壓。另外，這種傳感器AFE還包含一個(gè)集成溫度傳感器，并使用小型14引腳、4mm2封裝，從而允許直接將該器件放置在電氣化學(xué)組件下面，以實(shí)現(xiàn)精確溫度補(bǔ)償和更高噪聲性能。

　　并非所有氣體都能用電氣化學(xué)組件精確地測(cè)量。一種備用方法是，使用非分散紅外（NDIR）技術(shù)。它是一種紅外光譜技術(shù)。紅外光譜技術(shù)的原理是，大多數(shù)氣體分子都吸收紅外光（在特定波長(zhǎng)下）。吸收光線的多少與氣體濃度成比例關(guān)系。特別是，NDIR讓所有紅外光線通過氣體采樣，然后使用一個(gè)光濾波器來隔離所需要的波長(zhǎng)。通常，具有內(nèi)置濾波器的熱電堆用于檢測(cè)具體氣體的多少。例如，CO2在4.26 μm波長(zhǎng)下具有較強(qiáng)的吸光率，因此使用帶通濾波器移除這種波長(zhǎng)之外的所有光線。通過與CO2和乙醇檢測(cè)相結(jié)合，NDIR氣體傳感器還可用于檢測(cè)溫室氣體和冷凍劑（例如：氟利昂等）。
　　NDIR系統(tǒng)存在的一個(gè)主要問題是隨著時(shí)間的推移，如何準(zhǔn)確地知道發(fā)送給檢測(cè)器的光線變化是否真的因氣體吸收所引起，而不是光源變化或者艙室污染所引起。盡管在NDIR系統(tǒng)工作之初進(jìn)行校正是可能的，但是為了應(yīng)對(duì)隨著時(shí)間推移而出現(xiàn)的光源變化和艙室污染問題，要求不斷進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣做成本很高昂、耗費(fèi)時(shí)間，并且在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中也不可行。解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是，在你的系統(tǒng)中使用一條基準(zhǔn)通道。該基準(zhǔn)通道包含一個(gè)檢測(cè)器，在沒有光線吸收的范圍內(nèi)測(cè)量光源?，F(xiàn)在，氣體濃度由兩個(gè)發(fā)送光量之比來決定。光源偏差引起的任何誤差現(xiàn)在都被抵消。這種偏差導(dǎo)致長(zhǎng)期漂移，其出現(xiàn)在較大的時(shí)間段內(nèi)。因此，無(wú)需同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)和有源通道進(jìn)行采樣。你可以使用一個(gè)輸入多路復(fù)用器（MUX）來在兩條通道之間切換，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，并同時(shí)維持精確度。
　　在NDIR系統(tǒng)中用作紅外檢測(cè)器的熱電堆根據(jù)其接收的入射光多少（單位為瓦特）來產(chǎn)生電壓。被測(cè)氣體類型、其吸光系數(shù)和氣體濃度范圍都影響熱電堆檢測(cè)器的入射光線量。它產(chǎn)生熱電堆輸出電壓（范圍通常為數(shù)十μV）。因此，你需要設(shè)計(jì)出具有使用不同增益放大熱電堆輸出電壓功能的電子支持組件?？梢酝ㄟ^一個(gè)含內(nèi)置PGA的模擬前端（AFE）來處理這種情況。要求使用數(shù)百到數(shù)千V/V范圍的增益設(shè)置，來把小熱電堆信號(hào)放大到系統(tǒng)全刻度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），從而實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)精確度。
　　NDIR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)因素是知道如何處理熱電堆傳感器相關(guān)的顯著偏移電壓。熱電堆會(huì)有一個(gè)大于實(shí)際信號(hào)的偏移分量（高達(dá)1mV），其限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。把這種問題降至最小程度的一種方法是，在系統(tǒng)的電子組件中集成偏移補(bǔ)償。一種解決方案是，使用一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）對(duì)被測(cè)偏移進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)微控制器（μC）可以捕獲偏移水平，并通過對(duì)DAC編程讓輸出趨向負(fù)軌即零刻度來消除這種偏移。這種解決方案利用ADC的全部動(dòng)態(tài)范圍，最小化了ADC分辨率要求。
　　另外，由于存在熱電堆偏移電壓，需要把熱電堆偏置至接地以上。你可以通過利用一個(gè)共模生成器，向傳感器施加一個(gè)共模電壓，完成這項(xiàng)工作。這樣可以把熱電堆傳感器信號(hào)電平位移至負(fù)軌以外，從而允許精確地檢測(cè)傳感器偏移電壓的存在。
　　另外，NDIR系統(tǒng)需要一個(gè)基準(zhǔn)通道、可調(diào)節(jié)放大、偏移補(bǔ)償和偏置。LMP91051可以滿足這些要求，它是NDIR檢測(cè)應(yīng)用的可配置傳感器AFE（請(qǐng)參見圖5）。它擁有一個(gè)雙通道輸入，可支持有源基準(zhǔn)通道、PGA、可調(diào)節(jié)偏移抵消DAC以及共模生成器。LMP91051集成了這些重要的NDIR系統(tǒng)模塊，降低了設(shè)計(jì)時(shí)間，并減少了板級(jí)空間占用、功耗和成本。