使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測(cè)器

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是使用電化學(xué)傳感器的單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體探測(cè)器。本示例中使用Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。

對(duì)于檢測(cè)或測(cè)量多種有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳感器都是針對(duì)特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬(wàn)分之一(ppm)，所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。

圖1所示電路使用雙通道微功耗放大器ADA4505-2 ，該器件在室溫下的最大輸入偏置電流為2 pA，每個(gè)放大器的功耗僅為10 μA。此外，ADR291 精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源的功耗僅為12 μA，可建立2.5 V共模偽地基準(zhǔn)電壓。

圖1. 低功耗氣體探測(cè)器電路

ADP2503 高效率、降壓/升壓調(diào)節(jié)器支持兩節(jié)AAA電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 μA。

圖1所示電路（不包括 AD7798 ADC）的總功耗在正常條件下（未探測(cè)到氣體）約為110 μA，在最差條件下（探測(cè)到2000 ppm CO）約為460 μA。AD7798工作時(shí)的功耗約為180 μA（G = 1，緩沖模式），節(jié)能模式下僅為1 μA。

由于電路功耗極低，兩節(jié)AAA電池便可提供合適的電源。當(dāng)連接到ADC和微控制器或者內(nèi)置ADC的微控制器時(shí)，電池壽命可從6個(gè)月以上到一年以上不等。

電路描述

圖2顯示電化學(xué)傳感器測(cè)量電路的原理示意圖。電化學(xué)傳感器的工作原理是允許氣體通過(guò)薄膜擴(kuò)散到傳感器內(nèi)，并與工作電極(WE)相互作用。傳感器參考電極(RE)提供反饋，以便通過(guò)改變反電極(CE)上的電壓保持WE引腳的恒定電位。WE引腳上的電流方向取決于發(fā)生的反應(yīng)是氧化還是還原。在一氧化碳情況下發(fā)生的是氧化；因此，電流會(huì)流入工作電極，這要求反電極相對(duì)于工作電極處于負(fù)電壓（通常為300 mV至400 mV）。驅(qū)動(dòng)CE引腳的運(yùn)算放大器相對(duì)于 VREF 應(yīng)具有±1 V的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器（Alphasense應(yīng)用筆記AAN-105-03，設(shè)計(jì)恒電位電路，Alphasense公司）提供充足裕量。

圖2. 簡(jiǎn)化電化學(xué)傳感器電路

流入WE引腳的電流對(duì)于每ppm氣體濃度低于100 nA；因此將此電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。ADA4505-2運(yùn)算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為2 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應(yīng)用。

2.5 V ADR291為電路建立偽地基準(zhǔn)電壓，因此支持單電源供電同時(shí)消耗極低的靜態(tài)電流。

放大器U2-A從CE引腳吸取足夠的電流，以便在傳感器的WE和RE引腳間保持0 V電位。RE引腳連接到U2-A的反相輸入；因此其中無(wú)電流流動(dòng)。這意味著電流從WE引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化?？缱璺糯笃鱑2-B將傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓。

此電路筆記選擇的傳感器是Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。表1顯示與此常見(jiàn)類型的一氧化碳傳感器相關(guān)的典型規(guī)格。

警告：一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高于250 ppm便有危險(xiǎn)；測(cè)試本電路時(shí)應(yīng)格外小心。

跨阻放大器的輸出電壓為：

其中IWE是流入WE引腳的電流， RF 是跨阻反饋電阻（圖1中顯示為R8）。

CO-AX傳感器的最大響應(yīng)是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。因此，最大輸出電流為200 μA，最大輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。

使用5 V電源為電路供電可在跨阻放大器U2-B的輸出端產(chǎn)生2.5 V的可用范圍。為跨阻反饋電阻選擇11.5 kΩ電阻可提供4.8 V的最大輸出電壓，從而提供大約8%的超量程能力。

傳感器使用65 nA/ppm的典型響應(yīng)時(shí)，公式3顯示與一氧化碳的ppm有函數(shù)關(guān)系的電路輸出電壓。

電阻R4將噪聲增益保持在合理水平。選擇此電阻的值需權(quán)衡兩個(gè)因素決定：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差。對(duì)于本例，R4 = 33 ?，由此可計(jì)算噪聲增益等于349，如公式4所示。

跨阻放大器的輸入噪聲在輸出端表現(xiàn)為由噪聲增益放大。對(duì)于本電路，我們僅關(guān)注低頻噪聲，因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ黝l率極低。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p；因此，輸出端噪聲為1.03 mV p-p，如公式5所示。

由于這是極低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應(yīng)也極低；因此可以利用這一點(diǎn)，使用截止頻率為0.16 Hz的極低頻率低通濾波器（R5和C6）。即使是這樣的低頻濾波器，與30秒的傳感器響應(yīng)時(shí)間相比，它對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響也可忽略。

電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是極長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)。首次上電時(shí)，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當(dāng)暴露于目標(biāo)氣體濃度的中量程階躍時(shí)，傳感器輸出達(dá)到最終值的90%所需的時(shí)間可在25秒至40秒之間。如果RE與WE引腳間的電壓產(chǎn)生劇烈幅度變化，傳感器輸出電流建立最終值可能需要幾分鐘。這也同樣適用于傳感器周期供電的情況。為避免啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓（約2.5 V）以下時(shí)，P溝道JFET Q1將RE引腳與WE引腳短接。

兩節(jié)AAA電池或2.3 V至5.5 V電源為此電路供電。Q2提供反向電壓保護(hù)，ADP2503將輸入電源調(diào)節(jié)至傳感器供電所需的5 V電壓。

常見(jiàn)變化

如果使用可編程變阻器（如AD5271 ），而不是固定跨阻電阻(R8)，本電路就可以用于不同的氣體傳感器，而無(wú)需改變材料清單。AD5271提供20 kΩ、50 kΩ或100 kΩ的標(biāo)稱電阻值。由于有256個(gè)跳變位置，因此100 kΩ選項(xiàng)的階躍為390.6 Ω。AD5271的電阻溫度系數(shù)為5 ppm/°C，優(yōu)于大多數(shù)分立電阻；其電源電流為1 μA，對(duì)系統(tǒng)功耗的影響極小。

雖然兩節(jié)AAA電池就能為圖1所示電路供電數(shù)月之久，一些應(yīng)用可能需要使用外部電源運(yùn)行。實(shí)施雙電源配置的最有效方式是使用內(nèi)置開(kāi)關(guān)且具有機(jī)械斷開(kāi)特性的電源插座，在將外部電源插頭插入插座時(shí)可自動(dòng)移除電池電源。

本文所述電路具有極低的功耗。使用兩個(gè) ADA4528-1 運(yùn)算放大器代替ADA4505-2可大幅降低噪聲，提高精度，但功耗也會(huì)增加。ADA4528-1具有實(shí)際為零的失調(diào)漂移和業(yè)界領(lǐng)先的低輸入電壓噪聲。

同樣，ADR3425 可取代ADR291，從而獲得極低溫漂；但代價(jià)是功耗增加。

最后，圖1所示電路適用于與12位ADC接口，例如大多數(shù)混合信號(hào)微控制器中的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器。

對(duì)于必須測(cè)量氣體濃度ppm比例的應(yīng)用，使用ADA4528-1和ADR3425使得電路性能適合與16位ADC接口，例如AD7798或AD7171。

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路使用 EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。此外，連接兩個(gè)電路板需要EVAL-CN0234-SDPZ附帶的小適配板。EVAL-CN0234-SDPZ包括AD7798 16位Σ-Δ型ADC，用于對(duì)電路的輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理。

CN-0234評(píng)估軟件與SDP板通信，以從EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板捕捉數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

·帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC

·EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板和適配板

·EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板

·CN0234評(píng)估軟件

·兩節(jié)AAA電池

·校準(zhǔn)氣體（建議使用低于250 ppm的CO）

開(kāi)始使用

將CN0234評(píng)估軟件光盤放入PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開(kāi)“My Computer（我的電腦）”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開(kāi)Readme 文件。按照Readme 文件中的說(shuō)明安裝和使用評(píng)估軟件。

功能框圖

圖3顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。EVAL-CN0234-SDPZ-SCH PDF文件提供了完整電路原理圖。此文件位于CN0234 設(shè)計(jì)支持中。

圖3. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

設(shè)置

將EVAL-CN0234-SDPZ上的10引腳連接器連接到適配板，將適配板的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔將適配板牢牢固定至SDP板。將電化學(xué)傳感器連接到EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板上的插口。

將電源開(kāi)關(guān)滑動(dòng)到關(guān)閉位置，將兩節(jié)AAA電池插入電池座。

將SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口和SDP板。SDP板從PC的USB端口取電。

測(cè)試

將EVAL-CN0234-SDPZ電路板上的電源開(kāi)關(guān)移動(dòng)到打開(kāi)位置，啟動(dòng)評(píng)估軟件。如果 “Device Manager（設(shè)備管理器）” 中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform（ADI系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)）”驅(qū)動(dòng)器，軟件便能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、采集來(lái)自EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板的串行數(shù)據(jù)。

CN0234評(píng)估軟件readme文件包含有關(guān)如何使用評(píng)估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。SDP用戶指南包含有關(guān)SDP板的信息。

該電路板的輸入信號(hào)是氣體濃度；因此需要校準(zhǔn)氣體源。使用一氧化碳進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最大短時(shí)間接觸限值為250 ppm。

要執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，首先請(qǐng)確認(rèn)不存在一氧化碳。要開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，請(qǐng)單擊 “Start Acquisition（開(kāi)始采集）”。從“Calibrate（校準(zhǔn)）” 菜單選擇 Set Zero（設(shè)置0）”。如果滿意ADC讀數(shù)，請(qǐng)單擊“OK（確定）”，當(dāng)前ADC讀數(shù)會(huì)被存儲(chǔ)為0點(diǎn)。應(yīng)用校準(zhǔn)氣體，當(dāng)傳感器輸出完全建立后，從“Calibrate（校準(zhǔn)）”菜單中選擇“Set Span（設(shè)置范圍）”。輸入所用校準(zhǔn)氣體的濃度，單擊“OK（確定）”。如此會(huì)存儲(chǔ)系統(tǒng)范圍。

要應(yīng)用系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)選中前面板上的“Display Calibrated Data（顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）”復(fù)選框。

如果未選中“Display Calibrated Data（顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）”復(fù)選框，程序采用默認(rèn)比例值運(yùn)行，即假定標(biāo)稱傳感器響應(yīng)為65 nA/ppm，無(wú)失調(diào)誤差。

要將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到文件，請(qǐng)從“File（文件）”菜單中選擇“Save Calibration Constants to File（將校準(zhǔn)常數(shù)保存到文件）”。同樣，選擇“Load Calibration Constants from File（從文件加載校準(zhǔn)常數(shù)）”可使用先前保存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖4顯示電路對(duì)50 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng)。傳感器響應(yīng)縮短了初始上升時(shí)間，而長(zhǎng)尾現(xiàn)象與測(cè)試室成函數(shù)關(guān)系。

圖4. 對(duì)0 PPM至50 PPM一氧化碳階躍的響應(yīng)

圖5顯示從50 ppm CO環(huán)境迅速移除傳感器后的電路響應(yīng)，它可以更好地衡量電路性能。

圖5. 對(duì)50 PPM至0 PPM一氧化碳階躍的響應(yīng)