浅析电化学气体传感器的优缺点（三）

借助集成的诊断功能，可以在无需人工干预的情况下自动测试气体传感器。如果在生产中对气体传感器进行了表征，则从传感器获得的数据可以与这些特征数据集进行比较，从而深入了解传感器的当前状况，然后使用智能算法来补偿传感器灵敏度的损失。此外，传感器的历史记录可以支持预测其寿命何时结束，并在需要更换传感器时提醒用户。内置诊断功能最终会减少气体检测系统的维护需求，延长传感器的使用寿命。

工业应用的系统设计挑战

安全性和可靠性至关重要，特别是在工业环境中。在严苛的工业环境（例如化工厂）中运行时，有严格的规章来确保气体检测系统满足这些要求并保持可靠、完整的功能。

电磁兼容性（EMC）是指不同电子设备在共同的电磁环境中正常运行而互不干扰的能力。EMC涉及的测试有电磁辐射发射或辐射抗扰度等。辐射发射测试研究系统的有害辐射以帮助减少辐射，而辐射抗扰度测试会检查系统在受到其他系统干扰的情况下保持其功能的能力。

EC气体传感器本身的结构对EMC性能有负面影响。传感器电极起到天线一样的作用，可以拾取附近电子系统的干扰。对于无线连接的气体检测设备（例如便携式工人安全仪器），这种影响更为明显。

EMC测试通常是一个非常耗时的过程，在最终满足要求之前可能需要多次迭代系统设计。此测试对投入产品开发的成本和时间有很大影响。使用经过预先测试的满足EMC要求的集成信号链解决方案，可以减少时间和成本支出。

功能安全是另一个要认真考虑的方面，同时也是一项技术挑战。根据定义，功能安全是指检测到潜在的危险状况时，会激活保护或纠正机制以防止任何危险事件发生。这种安全功能提供的风险降低的相对程度被定义为安全完整性等级（SIL）。功能安全要求当然已包含在工业标准中。

在工业气体检测应用中，功能安全的重要性主要涉及安全操作环境，因为环境中可能存在爆炸性或易燃性气体。化工厂或采矿设施就是此类应用的很好例子。为了符合功能安全标准，系统必须通过功能安全认证，达到满意的安全完整性等级。

ADI公司的单芯片电化学测量系统

为解决上述挑战，并让客户设计出更智能、更精确、更具竞争力的气体检测系统，ADI公司推出了ADuCM355——一种针对气体检测和水分析应用的单芯片电化学测量系统。

ADuCM355集成了两个电化学测量通道，一个用于传感器诊断的阻抗测量引擎，以及一个用于运行用户应用程序和传感器诊断补偿算法的超低功耗混合信号ARM？ Cortex？－M3微控制器。图5显示了ADuCM355的简化功能框图。

图5．ADuCM355的简化功能框图

对市场趋势和客户需求的了解，帮助ADI公司设计出高度集成的片内测量系统，其中包括：

一个16位400 kSPS ADC

两个双输出DAC，用于产生电化学电池的偏置电压

两个带TIA放大器的超低功耗、低噪声恒电位仪

一个具有高速TIA的高速12位DAC

支持诊断测量的模拟硬件加速器（波形发生器、数字傅立叶变换模块和数字滤波器）

内部温度传感器

26 MHz ARM Cortex－M3微控制器

ADuCM355提供了克服电化学气体检测技术挑战的手段。两个测量通道不仅支持最常见的3电极气体传感器，还支持4电极传感器配置。第四个电极既可用于诊断目的，也可以在双重气体传感器中用作第二目标气体的工作电极。任一恒电位仪也可以配置为休眠模式以降低功耗，同时保持传感器偏置电压，从而减少传感器在正常运行之前可能需要的稳定时间。模拟硬件加速器模块支持传感器诊断测量，例如电化学阻抗谱和计时安培分析法。集成的微控制器可用于运行补偿算法、存储校准参数以及运行用户应用程序。ADuCM355在设计时还考虑了EMC要求，并经过预先测试，符合EN 50270标准。

如果应用不需要集成微控制器，可以使用仅有前端的版本——AD5940。

结论

得益于技术创新，我们现在拥有所有必要的知识和工具，可以有效应对电化学气体传感器的技术挑战，扫清我们进入普遍检测时代的障碍。从低成本的无线空气质量监测器到过程控制和工人安全应用，信号链集成和内置诊断特性将使这些传感器得到广泛使用，同时减少维护需求，提高精度，延长传感器寿命，并降低成本。