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电化学气体传感器基础知识

电化学气体检测的基本原理是目标气体在电极处发生氧化或还原，进而产生电流，测量此电流便可检测到目标气体。最常见的传感器有两个或三个电极。一些传感器还有第四个电极。在3电极配置中，各电极分别被称为工作电极（WE，也称为检测电极(SE)）、参比电极(RE)和反电极(CE)。图2为这种电化学单元的简化示意图。

目标气体通过多孔工作电极进入传感器室并扩散到电解质（最常见的是酸）中，在那里它被氧化或还原。此反应产生的电流随即被外部恒电位仪电路检测到，并转换为相应的电压电平。常常需要在传感器电极上施加连续或脉冲式偏置电压，以确保性能较优。对于3电极传感器，偏置电压施加于RE和WE之间。CE处发生与RE和WE之间等量但相反的反应。如果WE处发生还原反应，则CE处发生氧化反应。有关恒电位仪电路操作的更多信息，请参阅ADuCM355 硬件参考手册。

电化学气体传感器与ADuCM355的连接

气体传感器的数据表规定了传感器产生正常电化学行为所需要的偏置电压。偏置电压是指RE和SE/WE之间的电压差。该差分电压由低功耗数模转换器(LPDACx)的输出设置。LPDACx有两个输出：一个12位分辨率的输出(VBIASx)和一个6位分辨率的输出(VZEROx)。LPDACx的VBIASx输出内部连接到功率放大器(PA)的同相端。在外部，VBIASx必须通过100 nF电容连接到AGND引脚。PA放大器的输出直接连到传感器的CE。至PA放大器反相端的反馈来自传感器的RE引脚；因此，VBIASx电压决定RE引脚电压。

LPDACx的VZEROx输出内部连接到低功耗跨阻放大器LPTIAx的同相端。请勿将此引脚用作外部电路的电压源。建议将此引脚连接到AGND引脚。

电化学气体传感器本身仅通过REx、CEx和SEx端子连接到ADuCM355，可选的第四个端子可用于诊断电极(DEx)，如图1所示。

使用下式得出传感器的有效偏置电压：

建议将VZERO电压设置为1100 mV，然后根据传感器数据手册中的传感器偏置电压值设置VBIAS电压。

根据传感器类型，偏置电压也可能为负。以下公式说明了如何配置DAC的正偏置电压和负偏置电压。

当所需偏置电压为正时（12位输出 ≥ 6位输出），

当所需偏置电压为负时（12位输出 < 6位输出），

其中：
LPDACDAT为低功耗DAC的数据输出控制寄存器。
0.54 mV约为12位DAC的1 LSB。
34.38 mV约为6位DAC的1 LSB。

传感器的检测/工作电极(WE)通过反相输入引脚SEx连接到LPTIAx。LPTIAx具有可编程负载电阻(R_LOAD)和可编程增益电阻(R_TIA)。流入/流出传感器SE电极的电流反映传感器周围大气中的目标气体浓度。传感器数据手册用“电流/ppm”来表示该量。LPTIAx放大器将电流转换为电压，然后通过模数转换器(ADC)进行缓冲和测量。选择R_TIA电阻值，使其最大化ADC输入范围±900 mV。R_TIA值使用下式计算：

其中：
0.9 V为ADC输入范围。
Sensitivity 定义为 nA/ppm。
Max_Range 为传感器的最大范围，单位为 ppm。

微控制器可以计算流入/流出SEx引脚的电流，并确定目标气体的ppm水平。

有关所用公式的更详细信息，请参阅ADuCM355硬件参考手册。

传感器健康状况诊断和预期寿命

不同制造商以及针对不同目标气体的电化学气体传感器，寿命也会不同。有关预期寿命的信息可在传感器制造商的数据手册中找到。然而，实际寿命强烈依赖于储存和工作条件。

电化学气体传感器的寿命和需要定期校准，是这类传感器最具挑战性的方面。因此，人们希望能够直接在仪器中监测传感器的健康状况。

ADuCM355内置波形发生器和离散傅里叶变换(DFT)模块，通过对反电极应用交流信号扫描可实现阻抗频谱测量。该测量可显示电极之间电荷转移的质量，从而有效检测传感器电解质的老化情况。实验室测试表明传感器的阻抗和灵敏度之间有很好的相关性。

检测传感器健康状况的其他方法包括脉冲测试和斜坡测试。这些测试是在偏置电压之上施加一个电压脉冲或斜坡，以分别测试传感器响应度和电荷转移。

所有这些测量结果与ADuCM355上运行的算法相结合，有助于改善电化学气体传感器的精度、性能和寿命。为实现这种级别的智能诊断和预测，需要通过测试（例如加速老化）来获得大量传感器的特征。有关此类数据，请与传感器制造商联系。

温度和湿度补偿

传感器板上提供了外部温度和湿度传感器。它通过I²C接口连接到ADuCM355。大多数电化学传感器的性能会随温度和湿度而变化，因此需要补偿这些影响。