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- 工業(yè)傳感器實(shí)用指南（二）
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/12/12
電化學(xué)元件通常廣泛用于有毒和無(wú)毒氣體的測(cè)量，如一氧化碳、氧氣與氫氣等。它們的測(cè)量原理是化學(xué)氧化與還原，并產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)氣體成正比的電流。大多數(shù)元件都有三個(gè)電極：工作極(WE)、計(jì)數(shù)極(CE)與參考極(RE)。WE極對(duì)目標(biāo)氣體做氧化或還原，產(chǎn)生一個(gè)與氣體濃度成正比的電流。CE對(duì)所產(chǎn)生的電流做均衡，而RE則維持工作電極的電勢(shì)，以確保正確的工作區(qū)間。電化學(xué)元件會(huì)連接到一個(gè)恒電勢(shì)電路。這個(gè)恒電勢(shì)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(shì)上，并用一個(gè)互阻放大器(TIA)將WE的輸出電流轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。
與很多傳感器類(lèi)似，電化學(xué)傳感器也有溫度依賴(lài)性。要獲得最佳性能，就要測(cè)量元件的溫度。要根據(jù)該元件的性能-溫度圖(可在數(shù)據(jù)表中查到)，對(duì)其做適當(dāng)?shù)臏囟刃?zhǔn)。
傳感器、氣體類(lèi)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(diào)增益的TIA�？赡艿碾娏鞣秶谝坏綌�(shù)百微安量級(jí)，因此，TIA的增益在一到數(shù)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(chǎn)生的電流才合乎規(guī)范。元件測(cè)量氣體時(shí)是氧化反應(yīng)(CO)亦或還原反應(yīng)(NO2)，相應(yīng)地決定了元件是在WE拉入一個(gè)電流，還是送出一個(gè)電流。在單電源系統(tǒng)下，TIA非反相端的電壓應(yīng)做相應(yīng)的電平調(diào)整，以確保最大增益時(shí)不會(huì)使放大器輸出飽和。例如，TIA產(chǎn)生的輸出電壓由下式?jīng)Q定：VOUT=?IIN×RFEEDBACK，其中，IIN是通過(guò)反饋電阻進(jìn)入TIA的電流。如果進(jìn)入TIA的電流為正(還原反應(yīng))，則VOUT相對(duì)非反相端的電壓將為負(fù)值。這個(gè)電壓應(yīng)加以提升，以避免輸出電壓碰到負(fù)電源軌。
基本上，電化學(xué)元件的重點(diǎn)就是溫度校正，以及一個(gè)提供電流吸入/供出、電壓偏置、電流-電壓轉(zhuǎn)換及電平變換的恒電勢(shì)電路。TI公司的LMP91000是一個(gè)可配置的AFE恒電勢(shì)電路，可以滿(mǎn)足這些功能要求。它包含一個(gè)完整的恒電勢(shì)電路，具有拉入和供出電流能力，以及可編程TIA增益、電化學(xué)元件偏置及內(nèi)部零電壓。此外，這款傳感器AFE還包括了一個(gè)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(duì)電化學(xué)元件的精確溫度補(bǔ)償與改善噪聲性能。
并非所有氣體都能用電化學(xué)元件精確地測(cè)量。一種替代方法是采用非色散紅外(NDIR)技術(shù)，這是一種IR光譜法。IR光譜法的原理是:大多數(shù)氣體分子都會(huì)吸收IR光(吸收發(fā)生在某個(gè)波長(zhǎng)上)。光吸收量與氣體濃度成正比。尤其是，NDIR使所有IR光通過(guò)樣本氣體，用一個(gè)光濾波器隔離出有用的波長(zhǎng)。
通常，會(huì)用一個(gè)內(nèi)置濾波器的溫差電堆來(lái)檢測(cè)某種氣體的量。例如，由于CO2在波長(zhǎng)4.26μm處有強(qiáng)吸收，可以用一個(gè)帶通濾波器，去除這個(gè)波長(zhǎng)以外的所有光線(xiàn)。除了CO2和乙醇檢測(cè)以外，NDIR氣體傳感器也可以用于檢測(cè)溫室氣體，以及氟里昂這類(lèi)制冷劑。
NDIR系統(tǒng)有一個(gè)主要問(wèn)題，即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，要確定檢測(cè)器上接收的光線(xiàn)是實(shí)際來(lái)源于氣體吸收，而不是光源的劣化或腔內(nèi)的污染。在NDIR系統(tǒng)工作開(kāi)始時(shí)可以做校準(zhǔn)。但要解決一段時(shí)間后光源的劣化和腔內(nèi)污染問(wèn)題，就需要不斷地做校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)工作既費(fèi)錢(qián)又費(fèi)時(shí)間，在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下并不可行。
解決問(wèn)題的一種方式是在系統(tǒng)中使用一個(gè)基準(zhǔn)通道。這個(gè)基準(zhǔn)通道包含一個(gè)探測(cè)器，用于測(cè)量無(wú)吸收頻段中的光源。現(xiàn)在，由兩種發(fā)射光量的比率就可以探測(cè)出氣體的污染，還排除了任何由于光源偏離所帶來(lái)的誤差。由于這種偏離來(lái)自于長(zhǎng)期的漂移，因此，無(wú)需同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)通道和活動(dòng)通道做采樣�？梢杂靡粋�(gè)輸入復(fù)用器，在兩個(gè)通道之間做切換，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，同時(shí)保持了精度。
溫差電堆在NDIR系統(tǒng)中被用作一個(gè)IR探測(cè)器，它根據(jù)接收到的入射光量(以瓦為單位)，產(chǎn)生一個(gè)電壓。所測(cè)氣體類(lèi)型、其吸收系數(shù)，以及氣體濃度區(qū)間等都會(huì)影響到溫差電堆探測(cè)器上的入射光量。結(jié)果就是溫差電堆的輸出電壓，通常在數(shù)十微伏區(qū)間。因此，需要設(shè)計(jì)一些支持電路，能夠以不同增益對(duì)溫差電堆的輸出電壓做放大。這工作可以交給一只帶內(nèi)置PGA的AFE。要將微小的溫差電堆信號(hào)放大給系統(tǒng)的滿(mǎn)量程ADC使用，獲得最大的系統(tǒng)精度，增益設(shè)定需要在數(shù)百到數(shù)千V/V范圍內(nèi)。
NDIR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的另外一個(gè)因素是知道如何處理與溫差電堆傳感器有關(guān)的明顯偏移電壓。溫差電堆預(yù)計(jì)會(huì)有一個(gè)比實(shí)際信號(hào)更大的偏移分量(高達(dá)1mV)，它限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。盡量減少這問(wèn)題的一種方法是在系統(tǒng)電路中集成偏移補(bǔ)償功能。一個(gè)方案是采用一只DAC，對(duì)所測(cè)得偏移做出補(bǔ)償。系統(tǒng)微控制器可以捕捉到偏移的水平，通過(guò)設(shè)定ADC，使輸出向負(fù)電壓軌，零標(biāo)尺點(diǎn)移動(dòng)，從而消除偏移。這種方案能用到ADC的全部動(dòng)態(tài)范圍，從而盡量減少對(duì)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�(gè)共模發(fā)生器完成這一工作，用它為傳感器施加一個(gè)共模電壓。這種方案會(huì)偏移溫差電堆傳感器的信號(hào)電平，使之離開(kāi)負(fù)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(cè)。（未完待續(xù)）
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