作者：仝晨安 (Hawk Tong) TI North West China OEM Application Team
摘要
文章首先介绍了电化学传感器的构成，对传统的信号调理电路进行了简要分析，指出经典电路在设计实现时存在的一些局限性以及在传感器电极故障状态检测中遇到的困难。随后介绍了电化学传感器模拟前端LMP91000 的特性和相比于传统电路的优点；基于LMP91000 对传感器故障状态检测进行了测试，对应测试结果进行初步分析。最后给出了可以检测各种电极故障状态的参考算法。
1 电化学传感器及其信号调理电路
电化学气体传感器的工作原理和原电池的原理相类似，当敏感气体扩散进入传感器内部发生氧化还原反应，其化学反应过程中输出的电荷载流子与气体浓度成正比。多数情况下，三电极的传感器应用更为广泛，相比于早期两电极的气体传感器，三电极气体传感器的检测灵敏度高、更容易稳定而且可实现高浓度检测。图-1 是电化学传感器及其信号调理电路的简要组成示意，其中传感器(SENSOR)部分给出了三电极化学传感器的电极组成与其等效电路，在电路中运放的作用使得
参考电极（RE）相对于工作电极（WE）保持恒定电位，工作电极（WE）收集敏感气体在反应中产生的电流并且通过后级运放实现对弱电流信号的放大。三电极传感器的检测效率、灵敏度受偏置电压影响明显；传感器对敏感气体的选择性同样会到偏置电压的影响；在应用过程中应该保持偏置电压恒定。
图1 电化学传感器的典型组成
常见的三电极电化学传感器信号调理电路是由偏压电路单元、跨阻放大器单元组成；前者确保传感器的最佳工作条件，后者实现对输出弱电流信号的放大。传统设计方案中，通常借助一个双通道运放来实现设计。由于电化学传感器的输出对偏置电压敏感，因而需要偏压单元中的运放有较低的失调电压及其较小的温漂特性，否则传感器的稳定性会受到明显影响；跨阻放大器实现对工作电极输出弱小电流信号的放大，希望运放的偏置电流较小，否则叠加在传感器输出电流上输出
偏置电流使得输出存在较大的零偏误差。根据上述分析，所选双运放的特性应该同时满足低失调电压、小偏置电流、低功耗，很多时候同时满足上述条件的双运放型号非常有限。
由于电化学传感器自身特点，在传感器制造完成后通常需要金属短路帽短接输出以防止电荷积累，否则在传感器投入使用后出现较长时间的老化（stabilisation）过程；对于一些零偏置电压的传感器同样也需要短路帽维持电势的恒定；对于非零偏置电压的传感器，在制造完成后直至最终现场启用前均要求维持偏置电压，否则同样会出现长时间的老化过程。为了防止传感器装配出差错、确保使用中的传感器特性没有明显劣化，需要对传感器的电极连接状态进行监测，这也是安
全使用的必要措施。很明显，基于传统双运放的方案在实现此类功能时，设计和调测上很大的挑战，一些基于其他分立器件实现的故障检测方案往往也难以解决调测与器件一致性的问题。
LMP91000 是一款专为电化学传感器前端放大应用设计的集成电路，和传统实现方案相类似其内部有偏置电压发生器、跨阻放大器两个功能单元，每个单元的工作参数可以通过I2C 总线实现编程配置，从而可以灵活适应不同的特性传感器的应用。为了方便温度补偿的实现，在其片上集成有半导体温度传感器，其温度信号输出可以分时输出或者单独输出。LMP91000 的内部功能框图，如下图-2 所示。相比于传统的双运放的方案，LMP91000 具有明显的低功耗，平均功耗仅10uA；PCB 封装面积小，仅5x5mm;灵活性高，可编程设定功能单元所需工作参数点。
图-2 LMP91000 的内部功能框图
如上所述，应用中偏置电压对电化学传感器工作状态影响很大，当偏置电压发生微小变化时则对应输出电流会明显变化，该现象可以从电化学传感器的等效电路中找到解释，由于电极间等效的电容较大，微小的电压变化趋势，会在电极间产生较大的电流流动试图抵抗这种变化。如果这种偏压变化较小，而且持续时间较短则不会对电极造成影响，如电极极化。通常可借助该原理实现对电极连接状态检测，尤其是在LMP91000 上实现该功能较为简单，只需要通过I2C 总线快速动态配置传感器的偏置电压，产生人为扰动偏置电压；在过程中实时监测出传感器电压变化趋势即可。
2 电化学传感器电极故障检测
LMP91000 内部工作参数可随时、灵活配置的特性，可以方便地实现电化学传感器电极故障检测。以下测试以下电极故障功能的测试在LMP91000 评估板以及对应GUI 软件上完成的，所采用的电化学传感器是双电极的一氧化碳传感器。实验中对传感器功能正常、传感器电极短路、传感器缺失三种情况进行了测试，以下是各种情况下传感器输出电压的波形与数据特征说明。
2.1 传感器正常使用
该测试是检测传感器功能是否正常，下图-3 与图-4 分别表示启用GUI 中Sensor Check 功能前后传感器输出电压的情况。下图-3 是传感器正常应用中的输出情况，可见其输出信号相对平滑，注此时未启用Sensor Check 功能。
图-3 传感器正常应用时输出信号
图-4 对应启动了Sensor Check 功能后LMP91000 输出。输出电压从原先正常值开始跌落并在低位维持一段时间然后输出电压向正常值爬升。仔细观察输出电压波形，可以发现回升电压有一个较为明显的过冲，相比于正常电压大约有300mV 的过冲，然后开始缓慢回落至正常范围。输出过冲的幅度以及最终恢复的时间和传感器等效阻抗特性有关，输出的正常值可以通过其均值来表示。
图-4 启用故障检测后传感器输出信号
2.2 传感器电极短路
传感器电极短路是常见的一类安装错误，此时会对应电极短路的故障状态。图-5 是传感器电极短路后启用故障检测后的输出情况，和正常应用时的输出非常类似。此时的输出电压同样经历跌落、维持、回升三个阶段，只是回升后的电压没有过冲现象存在。
图5 电极短路时传感输出信号
2.3 传感器缺失
传感器缺失或者脱落是另一种常见的电极连接故障，图-6 和图-7 分别是启用故障检测功能前后传感器输出电压的情况。相比于正常使用时的输出，传感器缺失后输出信号噪声成份明显，输出电压起伏较大；启用故障检测后，传感器输出特性没有明显变化而且也没有电压跌落、爬升现象出现。输出电压的起伏程度，可借助采样值期望均值以及均方差来辅助判断。
图-6 传感器缺失时输出信号
图 – 7 传感器缺失时输出（启用故障检测）
3 电极故障检测的数据分析算法
以上测试给出了电化学传感器的常见电极故障下对应的输出波形，并对各自输出特性进行了简要分析，以下是一种可供参考数据分析处理流程。主要实现方法是启用故障检测功能后对采集到的所有数据进行遍历查找，找出其各种变化沿的特征信息并存储，根据其跳变沿特征以及是否存在过冲等特点区分各种对应的故障。启动故障检测时，可以在单片机可以通过I2C 接口修改LMP91000 内部REFCN 寄存器，从而实现对传感器偏置电压的改变，偏置电压的维持时间长短可以通过定时器来控制；定时结束后开始对输出数据的分析。
4 小结
因为电化学传感器自身复杂物理化学特性使其对偏置电压变化的敏感，借助LMP91000 可编程特点来产生人为偏置电压扰动来从而实现对电极状态检测。考虑到实际应用中气体浓度不会急速变化导致输出出现跳变，因而有别于正常输出信号，这样通过LMP91000 就使得电极故障检测功能得以快速实现。需要强调的一点，故障检测中偏压变化的幅度以及持续时间应该有严格限制，防止对传感器本身造成可能的损坏。此外，三电极电化学传感器的故障检测和两电极非常类似，其对应输出特性也基本一致。
http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=zhca482&fileType=pdf