【導(dǎo)讀】本文只要講述了使用電化學(xué)傳感器的單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體探測(cè)器。對(duì)于檢測(cè)有毒氣體，傳感器具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。多數(shù)氣體都是基于特定的氣體，但是本文設(shè)計(jì)的探測(cè)器更能分辨多種氣體濃度。
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AlphasenseCO-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 ppmCO)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。
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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。
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 Ω，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 μVp-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
