傳感器退化和診斷

雖然信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并沒有解決電化學氣體傳感器的根本缺點——在其生命周期內性能下降。可以理解，這是由于傳感器的工作原理和結構而發生的。操作條件也會導致性能損失并加速傳感器老化。傳感器精度會降低，直到它變得不可靠并且不再適合完成其任務。在這種情況下，通常的做法是使儀器離線并手動檢查傳感器，這既費時又昂貴。根據其狀況，傳感器可以重新校準并再次使用，或者可能必須更換。這會產生相當大的維護成本。通過利用電化學診斷技術，

導致性能下降的常見因素包括溫度、濕度和氣體濃度過高或電極中毒。短時間暴露于高溫（超過 50°C）通常是可以接受的。但是，在高溫下反復對傳感器施加壓力會導致電解質蒸發并對傳感器造成不可逆轉的損壞，例如導致基線讀數偏移或響應時間變慢。另一方面，非常低的溫度（低于 –30°C）會顯著降低傳感器的靈敏度和響應能力。

到目前為止，濕度對傳感器壽命的影響最大。電化學氣體傳感器的理想工作條件是 20°C 和 60% 的相對濕度。環境濕度低于 60% 會導致傳感器內部的電解液變干，從而影響響應時間。另一方面，濕度高于 60% 會導致空氣中的水分被傳感器吸收，從而稀釋電解液并影響傳感器的特性。此外，吸水會導致傳感器泄漏，從而可能導致引腳腐蝕。

上述劣化機制會影響傳感器，即使它們的幅度不是極端的。換句話說，例如，電解質耗盡是自然發生的，并導致傳感器老化。盡管某些 EC Sense 氣體傳感器的運行時間可能超過 10 年，但無論運行條件如何，老化過程都會限制傳感器的使用壽命。

可以使用電化學阻抗譜 （EIS） 或計時電流法（在觀察傳感器輸出的同時脈沖偏置電壓）等技術對傳感器進行分析。

EIS 是通過用正弦信號（通常是電壓）激勵電化學系統進行的頻域分析測量。在每個頻率下，流過電化學電池的電流都會被記錄下來并用于計算電池的阻抗。然后將數據呈現為最常見的奈奎斯特圖和波特圖。奈奎斯特圖顯示了復阻抗數據，其中每個頻率點由 x 軸上的實部和 y 軸上的虛部繪制。這種數據表示的主要缺點是丟失了頻率信息。波特圖顯示阻抗幅度和相位角與頻率的關系。

實驗測量表明，傳感器靈敏度下降與 EIS 測試結果的變化之間存在很強的相關性。圖 3 中的示例顯示了加速壽命測試的結果，其中電化學氣體傳感器在低濕度 （10% RH） 和升高的溫度 （40°C） 下受到壓力。在整個實驗過程中，傳感器會定期從環境室中取出并放置一個小時。然后進行了已知目標氣體濃度的基線靈敏度測試和 EIS 測試。測試結果清楚地證明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關性。這種測量的缺點可能是它的長度，因為在低、亞赫茲頻率下進行測量非常耗時。

計時電流法（脈沖測試）是另一種有助于傳感器健康分析的技術。通過施加疊加在傳感器偏置電壓上的電壓脈沖來完成測量，同時觀察通過電化學電池的電流。脈沖幅度一般非常低（例如 1 mV）且短（例如 200 ms），因此傳感器本身不會受到干擾。這允許非常頻繁地執行測試，同時保持氣體傳感儀器的正常操作。在執行更耗時的 EIS 測量之前，計時電流法可用于檢查傳感器是否物理插入設備，也可作為傳感器性能變化的指示。圖 4 顯示了傳感器對電壓脈沖的響應示例。

圖 4.計時電流法測試的示例結果。

先前的傳感器詢問技術已在電化學中使用了數十年。然而，這些測量所需的設備通常既昂貴又笨重。從實際和財務角度來看，使用此類設備根本無法測試部署在現場的大量氣體傳感器。為了啟用遠程、內置傳感器健康分析，診斷功能必須直接集成為信號鏈的一部分。

通過集成診斷，無需人工干預即可自主測試氣體傳感器。如果氣體傳感器在生產中進行了表征，則可以將從傳感器獲得的數據與這些表征數據集進行比較，并深入了解傳感器的當前狀況。然后將使用智能算法來補償傳感器靈敏度的損失。此外，記錄傳感器的歷史可能會啟用壽命終止預測，在傳感器需要更換時提醒用戶。內置診斷功能最終將減少氣體傳感系統的維護需求并延長傳感器的使用壽命。

工業應用的系統設計挑戰

特別是在工業環境中，安全性和可靠性至關重要。制定了嚴格的法規以確保氣體傳感系統滿足這些要求，并在化工廠等惡劣的工業環境中運行時保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性 （EMC） 是不同電子設備在共同的電磁環境中正常運行而不會相互干擾的能力。例如，EMC 中涉及的測試是輻射發射或輻射抗擾度。發射測試研究系統的無用發射以幫助減少它們，而輻射抗擾度測試則檢查系統在存在其他系統干擾的情況下保持其功能的能力。

EC 氣體傳感器本身的結構會對 EMC 性能產生負面影響。傳感器電極就像天線一樣可以接收來自附近電子系統的干擾。這種影響在無線連接的氣體傳感設備中更為顯著，例如便攜式工人安全儀器。

EMC 測試通常是一個非常耗時的過程，最終可能需要在最終滿足要求之前迭代系統設計。這種測試大大增加了投入到產品開發中的成本和時間。通過使用經過預先測試以滿足 EMC 要求的集成信號鏈解決方案，可以潛在地減少時間和成本開支。

另一個重要的考慮因素，也是一個技術挑戰，是功能安全。根據定義，功能安全是對潛在危險條件的檢測，該條件導致激活保護或糾正機制以防止任何危險事件。該安全功能提供的風險降低的相對水平被定義為安全完整性水平 （SIL）。功能安全要求自然包含在工業標準中。

工業氣體傳感應用中功能安全的重要性最常與可能存在爆炸性或易燃氣體的環境中的安全操作相關。化工廠或采礦設施是此類應用的一個很好的例子。為了符合功能安全標準，系統必須在令人滿意的安全完整性級別上被認定為功能安全。

Analog Devices 的單芯片電化學測量系統

為了應對上述挑戰并使客戶能夠設計出更智能、更準確和更具競爭力的氣體傳感系統，制造商正在將傳感器接口和其他功能集成到微控制器中。例如，ADuCM355Analog Devices 的單芯片電化學測量系統針對氣體傳感和水分析應用（見圖 5）。它集成了兩個電化學測量通道、一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個用于運行用戶應用和傳感器診斷和補償算法的超低功耗、混合信號 26 MHz ARM Cortex-M3 微控制器。傳感微控制器的其他重要功能包括集成 ADC、用于為電化學電池生成偏置電壓的 DAC、帶有 TIA 放大器的低功耗和低噪聲恒電位儀，以及集成溫度傳感器。

集成模擬硬件加速器模塊（即波形發生器、數字傅里葉變換模塊、數字濾波器）還簡化了傳感器診斷測量，例如電化學阻抗譜和計時電流法。該系統可以在同一個 MCU 上運行補償算法、存儲校準參數和運行用戶應用程序。MCU 的設計應考慮 EMC 要求，并根據行業標準進行預測試，例如EN 50270。

圖 5. ADuCM355 的簡化功能框圖。

兩個測量通道的可用性不僅支持最常見的 3 電極氣體傳感器，還支持 4 電極傳感器配置。第四電極用于診斷目的，或者在雙氣體傳感器的情況下，用作第二目標氣體的工作電極。任何恒電位儀也可以配置為休眠以降低功耗，同時保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運行之前可能需要穩定的時間。對于不需要集成微控制器的應用，只有前端芯片可用，例如AD5940。

由于技術創新，我們現在擁有所有必要的知識和工具來有效應對直到最近還阻止電化學氣體傳感器進入無處不在的傳感時代的技術挑戰。從低成本的無線空氣質量監測儀到過程控制和工人安全應用，信號鏈集成和內置診斷功能將使這些傳感器得到廣泛使用，同時減少維護需求、提高精度、延長傳感器壽命并降低成本。

關于作者

Michal Raninec 是 ADI 公司自動化和能源業務部工業系統組的一名系統應用工程師。他的專業領域包括電化學氣體傳感和無線傳感器網絡。Michal 獲得了工程學碩士學位。捷克布爾諾理工大學電子工程學位。

審核編輯：郭婷