本文主要是關(guān)于lmp91000的相關(guān)介紹，并著重對(duì)lmp91000在電化學(xué)傳感器電極故障檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳盡的闡述。

電化學(xué)傳感器

1.電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)傳感器通過與分析物反應(yīng)并產(chǎn)生電信號(hào)進(jìn)行操作。大多數(shù)電化學(xué)氣體傳感器是電流傳感器，產(chǎn)生與氣體濃度成線性比例的電流。電流測(cè)量傳感器的原理是測(cè)量未建立平衡的電化學(xué)電池中的電流 - 電勢(shì)關(guān)系。電流與通常使用另一個(gè)電極（所謂的參考電極）保持恒定電位的感測(cè)電極（也稱為工作電極）的電解過程的速率定量相關(guān)

2.工作原理

一個(gè)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理如下：與傳感器接觸的目標(biāo)氣體分子首先通過一個(gè)防止冷凝的隔膜，它也起到防塵的作用。那么氣體分子通過毛細(xì)管擴(kuò)散，可能通過隨后的過濾器，然后通過疏水膜到達(dá)感測(cè)電極的表面。在那里分子立即被氧化或還原，從而產(chǎn)生或消耗電子，從而產(chǎn)生電流。

重要的是要注意，用這種方法進(jìn)入傳感器的氣體分子的量受到通過毛細(xì)管擴(kuò)散的限制。通過優(yōu)化路徑，根據(jù)期望的測(cè)量范圍，獲得適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)。感測(cè)電極的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的高反應(yīng)性并抑制對(duì)干擾氣體的不希望響應(yīng)是至關(guān)重要的。它涉及固體，液體和氣體三個(gè)階段的系統(tǒng)，并且都涉及分析物氣體的化學(xué)識(shí)別。致力于量身定制該系統(tǒng)并獲得高性能的氣體傳感器。電化學(xué)電池通過平衡感測(cè)電極處的反應(yīng)的所謂反電極--Cont電極完成。Cont電極與Sen電極之間的離子電流由傳感器主體內(nèi)的電解質(zhì)傳送，而電流路徑通過以銷連接器終止的導(dǎo)線提供。通常在電化學(xué)傳感器（3電極傳感器）中包含第三電極。所謂的參考電極用于將感測(cè)電極的電勢(shì)保持在固定值。為此并且通常用于電化學(xué)傳感器的操作，需要恒電位電路。

3.傳感器信號(hào)

傳感器信號(hào)一個(gè)氣體傳感器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于氣體的濃度而不是其分壓。因此，可以在不同高度甚至地下使用一個(gè)傳感器，而不管在哪個(gè)大氣壓力下校準(zhǔn)裝置。傳感器輸出和壓力相關(guān)性的更深入和科學(xué)的解釋可以在文件mem4中找到。

lmp91000 在電化學(xué)傳感器電極故障檢測(cè)中的應(yīng)用

1 電化學(xué)傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路 電化學(xué)氣體傳感器的工作原理和原電池的原理相類似，當(dāng)敏感氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)部發(fā)生氧化 還原反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)過程中輸出的電荷載流子與氣體濃度成正比。多數(shù)情況下，三電極的傳感 器應(yīng)用更為廣泛，相比于早期兩電極的氣體傳感器，三電極氣體傳感器的檢測(cè)靈敏度高、更容易 穩(wěn)定而且可實(shí)現(xiàn)高濃度檢測(cè)。圖-1 是電化學(xué)傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路的簡(jiǎn)要組成示意，其中傳感 器（SENSOR）部分給出了三電極化學(xué)傳感器的電極組成與其等效電路，在電路中運(yùn)放的作用使得 參考電極（RE）相對(duì)于工作電極（WE）保持恒定電位，工作電極（WE）收集敏感氣體在反應(yīng)中 產(chǎn)生的電流并且通過后級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)對(duì)弱電流信號(hào)的放大。三電極傳感器的檢測(cè)效率、靈敏度受偏 置電壓影響明顯；傳感器對(duì)敏感氣體的選擇性同樣會(huì)到偏置電壓的影響；在應(yīng)用過程中應(yīng)該保持 偏置電壓恒定。

常見的三電極電化學(xué)傳感器信號(hào)調(diào)理電路是由偏壓電路單元、跨阻放大器單元組成；前者確保傳 感器的最佳工作條件，后者實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出弱電流信號(hào)的放大。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，通常借助一個(gè)雙通 道運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。由于電化學(xué)傳感器的輸出對(duì)偏置電壓敏感，因而需要偏壓?jiǎn)卧械倪\(yùn)放有較 低的失調(diào)電壓及其較小的溫漂特性，否則傳感器的穩(wěn)定性會(huì)受到明顯影響；跨阻放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)工 作電極輸出弱小電流信號(hào)的放大，希望運(yùn)放的偏置電流較小，否則疊加在傳感器輸出電流上輸出 偏置電流使得輸出存在較大的零偏誤差。根據(jù)上述分析，所選雙運(yùn)放的特性應(yīng)該同時(shí)滿足低失調(diào) 電壓、小偏置電流、低功耗，很多時(shí)候同時(shí)滿足上述條件的雙運(yùn)放型號(hào)非常有限。

由于電化學(xué)傳感器自身特點(diǎn)，在傳感器制造完成后通常需要金屬短路帽短接輸出以防止電荷積 累，否則在傳感器投入使用后出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的老化（stabilisation）過程；對(duì)于一些零偏置電壓的 傳感器同樣也需要短路帽維持電勢(shì)的恒定；對(duì)于非零偏置電壓的傳感器，在制造完成后直至最終 現(xiàn)場(chǎng)啟用前均要求維持偏置電壓，否則同樣會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的老化過程。為了防止傳感器裝配出差 錯(cuò)、確保使用中的傳感器特性沒有明顯劣化，需要對(duì)傳感器的電極連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這也是安 全使用的必要措施。很明顯，基于傳統(tǒng)雙運(yùn)放的方案在實(shí)現(xiàn)此類功能時(shí)，設(shè)計(jì)和調(diào)測(cè)上很大的挑 戰(zhàn)，一些基于其他分立器件實(shí)現(xiàn)的故障檢測(cè)方案往往也難以解決調(diào)測(cè)與器件一致性的問題。

其內(nèi)部有偏置電壓發(fā)生器、跨阻放大器兩個(gè)功能單元，每個(gè)單元的工作參數(shù)可以通過 I2C 總 線實(shí)現(xiàn)編程配置，從而可以靈活適應(yīng)不同的特性傳感器的應(yīng)用。為了方便溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)， 在其片上集成有半導(dǎo)體溫度傳感器，其溫度信號(hào)輸出可以分時(shí)輸出或者單獨(dú)輸出。 LMP91000 的內(nèi)部功能框圖，如下圖-2 所示。相比于傳統(tǒng)的雙運(yùn)放的方案，LMP91000 具有 明顯的低功耗，平均功耗僅 10uA；PCB 封裝面積小，僅 5x5mm;靈活性高，可編程設(shè)定功能 單元所需工作參數(shù)點(diǎn)。

如上所述，應(yīng)用中偏置電壓對(duì)電化學(xué)傳感器工作狀態(tài)影響很大，當(dāng)偏置電壓發(fā)生微小變化 時(shí)則對(duì)應(yīng)輸出電流會(huì)明顯變化，該現(xiàn)象可以從電化學(xué)傳感器的等效電路中找到解釋，由于電 極間等效的電容較大，微小的電壓變化趨勢(shì)，會(huì)在電極間產(chǎn)生較大的電流流動(dòng)試圖抵抗這種 變化。如果這種偏壓變化較小，而且持續(xù)時(shí)間較短則不會(huì)對(duì)電極造成影響，如電極極化。通 ?？山柚撛韺?shí)現(xiàn)對(duì)電極連接狀態(tài)檢測(cè)，尤其是在 LMP91000 上實(shí)現(xiàn)該功能較為簡(jiǎn)單，只 需要通過 I2C 總線快速動(dòng)態(tài)配置傳感器的偏置電壓，產(chǎn)生人為擾動(dòng)偏置電壓；在過程中實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)出傳感器電壓變化趨勢(shì)即可。

2 電化學(xué)傳感器電極故障檢測(cè)

LMP91000 內(nèi)部工作參數(shù)可隨時(shí)、靈活配置的特性，可以方便地實(shí)現(xiàn)電化學(xué)傳感器電極故障 檢測(cè)。以下測(cè)試以下電極故障功能的測(cè)試在 LMP91000 評(píng)估板以及對(duì)應(yīng) GUI 軟件上完成的， 所采用的電化學(xué)傳感器是雙電極的一氧化碳傳感器。實(shí)驗(yàn)中對(duì)傳感器功能正常、傳感器電極 短路、傳感器缺失三種情況進(jìn)行了測(cè)試，以下是各種情況下傳感器輸出電壓的波形與數(shù)據(jù)特 征說(shuō)明。

2.1 傳感器正常使用 該測(cè)試是檢測(cè)傳感器功能是否正常，下圖-3 與圖-4 分別表示啟用 GUI 中 Sensor Check 功能前后 傳感器輸出電壓的情況。下圖-3 是傳感器正常應(yīng)用中的輸出情況，可見其輸出信號(hào)相對(duì)平滑，注 此時(shí)未啟用 Sensor Check 功能。

圖-4 對(duì)應(yīng)啟動(dòng)了 Sensor Check 功能后 LMP91000 輸出。輸出電壓從原先正常值開始跌落并在低位 維持一段時(shí)間然后輸出電壓向正常值爬升。仔細(xì)觀察輸出電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)回升電壓有一個(gè)較為 明顯的過沖，相比于正常電壓大約有 300mV 的過沖，然后開始緩慢回落至正常范圍。輸出過沖的 幅度以及最終恢復(fù)的時(shí)間和傳感器等效阻抗特性有關(guān)，輸出的正常值可以通過其均值來(lái)表示。

2.2 傳感器電極短路 傳感器電極短路是常見的一類安裝錯(cuò)誤，此時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)電極短路的故障狀態(tài)。圖-5 是傳感器電極短 路后啟用故障檢測(cè)后的輸出情況，和正常應(yīng)用時(shí)的輸出非常類似。此時(shí)的輸出電壓同樣經(jīng)歷跌 落、維持、回升三個(gè)階段，只是回升后的電壓沒有過沖現(xiàn)象存在。

2.3 傳感器缺失 傳感器缺失或者脫落是另一種常見的電極連接故障，圖-6 和圖-7 分別是啟用故障檢測(cè)功能前后傳 感器輸出電壓的情況。相比于正常使用時(shí)的輸出，傳感器缺失后輸出信號(hào)噪聲成份明顯，輸出電 壓起伏較大；啟用故障檢測(cè)后，傳感器輸出特性沒有明顯變化而且也沒有電壓跌落、爬升現(xiàn)象出 現(xiàn)。輸出電壓的起伏程度，可借助采樣值期望均值以及均方差來(lái)輔助判斷。

3 電極故障檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析算法

以上測(cè)試給出了電化學(xué)傳感器的常見電極故障下對(duì)應(yīng)的輸出波形，并對(duì)各自輸出特性進(jìn)行了 簡(jiǎn)要分析，以下是一種可供參考數(shù)據(jù)分析處理流程。主要實(shí)現(xiàn)方法是啟用故障檢測(cè)功能后對(duì) 采集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷查找，找出其各種變化沿的特征信息并存儲(chǔ)，根據(jù)其跳變沿特征 以及是否存在過沖等特點(diǎn)區(qū)分各種對(duì)應(yīng)的故障。啟動(dòng)故障檢測(cè)時(shí)，可以在單片機(jī)可以通過 I2C 接口修改 LMP91000 內(nèi)部 REFCN 寄存器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器偏置電壓的改變，偏置電 壓的維持時(shí)間長(zhǎng)短可以通過定時(shí)器來(lái)控制；定時(shí)結(jié)束后開始對(duì)輸出數(shù)據(jù)的分析。

因?yàn)殡娀瘜W(xué)傳感器自身復(fù)雜物理化學(xué)特性使其對(duì)偏置電壓變化的敏感，借助 LMP91000 可編 程特點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生人為偏置電壓擾動(dòng)來(lái)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電極狀態(tài)檢測(cè)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中氣體濃度不 會(huì)急速變化導(dǎo)致輸出出現(xiàn)跳變，因而有別于正常輸出信號(hào)，這樣通過 LMP91000 就使得電極 故障檢測(cè)功能得以快速實(shí)現(xiàn)。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，故障檢測(cè)中偏壓變化的幅度以及持續(xù)時(shí)間應(yīng) 該有嚴(yán)格限制，防止對(duì)傳感器本身造成可能的損壞。此外，三電極電化學(xué)傳感器的故障檢測(cè) 和兩電極非常類似，其對(duì)應(yīng)輸出特性也基本一致。

結(jié)語(yǔ)

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