- 工業傳感器實用指南（二）
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/12
電化學元件通常廣泛用于有毒和無毒氣體的測量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測量原理是化學氧化與還原，并產生一個與被測氣體成正比的電流。大多數元件都有三個電極：工作極(WE)、計數極(CE)與參考極(RE)。WE極對目標氣體做氧化或還原，產生一個與氣體濃度成正比的電流。CE對所產生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢，以確保正確的工作區間。電化學元件會連接到一個恒電勢電路。這個恒電勢電路為CE提供電流(如有必要，也提供偏置)。它將WE維持在與RE相同電勢上，并用一個互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉換為一個電壓。
與很多傳感器類似，電化學傳感器也有溫度依賴性。要獲得最佳性能，就要測量元件的溫度。要根據該元件的性能-溫度圖(可在數據表中查到)，對其做適當的溫度校準。
傳感器、氣體類型，以及氣體濃度水平都決定著傳感器工作極輸出的電流大小。為處理這種變化性，要使用可調增益的TIA�？赡艿碾娏鞣秶谝坏綌蛋傥擦考�，因此，TIA的增益在一到數百千歐范圍就足夠了。
不同的傳感器需要不同的偏置，有些需要零偏置。要明白這些要求，這樣傳感器產生的電流才合乎規范。元件測量氣體時是氧化反應(CO)亦或還原反應(NO2)，相應地決定了元件是在WE拉入一個電流，還是送出一個電流。在單電源系統下，TIA非反相端的電壓應做相應的電平調整，以確保最大增益時不會使放大器輸出飽和。例如，TIA產生的輸出電壓由下式決定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通過反饋電阻進入TIA的電流。如果進入TIA的電流為正(還原反應)，則VOUT相對非反相端的電壓將為負值。這個電壓應加以提升，以避免輸出電壓碰到負電源軌。
基本上，電化學元件的重點就是溫度校正，以及一個提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉換及電平變換的恒電勢電路。TI公司的LMP91000是一個可配置的AFE恒電勢電路，可以滿足這些功能要求。它包含一個完整的恒電勢電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學元件偏置及內部零電壓。此外，這款傳感器AFE還包括了一個集成的溫度傳感器，采用小型14腳的4mm2封裝，因此這款器件的直接定位是對電化學元件的精確溫度補償與改善噪聲性能。
并非所有氣體都能用電化學元件精確地測量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術，這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數氣體分子都會吸收IR光(吸收發生在某個波長上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通過樣本氣體，用一個光濾波器隔離出有用的波長。
通常，會用一個內置濾波器的溫差電堆來檢測某種氣體的量。例如，由于CO2在波長4.26μm處有強吸收，可以用一個帶通濾波器，去除這個波長以外的所有光線。除了CO2和乙醇檢測以外，NDIR氣體傳感器也可以用于檢測溫室氣體，以及氟里昂這類制冷劑。
NDIR系統有一個主要問題，即經過一段時間以后，要確定檢測器上接收的光線是實際來源于氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內的污染。在NDIR系統工作開始時可以做校準。但要解決一段時間后光源的劣化和腔內污染問題，就需要不斷地做校準。這種校準工作既費錢又費時間，在長期現場運行條件下并不可行。
解決問題的一種方式是在系統中使用一個基準通道。這個基準通道包含一個探測器，用于測量無吸收頻段中的光源�，F在，由兩種發射光量的比率就可以探測出氣體的污染，還排除了任何由于光源偏離所帶來的誤差。由于這種偏離來自于長期的漂移，因此，無需同時對基準通道和活動通道做采樣。可以用一個輸入復用器，在兩個通道之間做切換，從而降低系統成本和復雜性，同時保持了精度。
溫差電堆在NDIR系統中被用作一個IR探測器，它根據接收到的入射光量(以瓦為單位)，產生一個電壓。所測氣體類型、其吸收系數，以及氣體濃度區間等都會影響到溫差電堆探測器上的入射光量。結果就是溫差電堆的輸出電壓，通常在數十微伏區間。因此，需要設計一些支持電路，能夠以不同增益對溫差電堆的輸出電壓做放大。這工作可以交給一只帶內置PGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號放大給系統的滿量程ADC使用，獲得最大的系統精度，增益設定需要在數百到數千V/V范圍內。
NDIR系統設計中的另外一個因素是知道如何處理與溫差電堆傳感器有關的明顯偏移電壓。溫差電堆預計會有一個比實際信號更大的偏移分量(高達1mV)，它限制了系統的動態范圍。盡量減少這問題的一種方法是在系統電路中集成偏移補償功能。一個方案是采用一只DAC，對所測得偏移做出補償。系統微控制器可以捕捉到偏移的水平，通過設定ADC，使輸出向負電壓軌，零標尺點移動，從而消除偏移。這種方案能用到ADC的全部動態范圍，從而盡量減少對ADC分辨率的要求。
另外，由于存在溫差電堆的偏移電壓，因此需要將溫差電堆偏置在地以上�？梢杂靡粋�共模發生器完成這一工作，用它為傳感器施加一個共模電壓。這種方案會偏移溫差電堆傳感器的信號電平，使之離開負電壓軌，從而在有傳感器偏移電壓情況下也能做出精確的探測。（未完待續）
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