氣體檢測系統的技術(shù)挑戰

要想設計出一套先進(jìn)的氣體檢測系統，那么就需要克服三類(lèi)技術(shù)挑戰，分別對應于系統生命周期的不同階段。

首先是氣體傳感器制造挑戰，例如制造可重復性以及傳感器的表征和校準。制造過(guò)程本身雖然已高度自動(dòng)化，但不可避免地會(huì )給每個(gè)氣體傳感器帶來(lái)差異。由于這些差異，傳感器必須在生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行表征和校準。

其次，在系統的整個(gè)生命周期中都存在技術(shù)挑戰。這包括系統架構優(yōu)化，例如信號鏈設計或功耗考慮。另外，工業(yè)應用中特別注重電磁兼容性(EMC)和功能安全合規性，這會(huì )對設計成本和上市時(shí)間產(chǎn)生負面影響。工作條件也起著(zhù)重要作用，并對保持所需性能和使用壽命提出了挑戰。電化學(xué)氣體傳感器在其使用壽命期間會(huì )老化和漂移（這是這種技術(shù)的本性），導致需要頻繁校準或更換傳感器。如果在惡劣環(huán)境中運行，性能的變化會(huì )進(jìn)一步加速，如本文后面所述。在延長(cháng)傳感器使用壽命的同時(shí)保持其性能，是許多應用的關(guān)鍵要求之一，尤其是在系統擁有成本至關(guān)重要的情況下。

第三，即使采用了延長(cháng)使用壽命的技術(shù)，所有電化學(xué)氣體傳感器最終都會(huì )達到其生命終點(diǎn)，此時(shí)性能不再滿(mǎn)足要求，需要更換傳感器。有效檢測壽命結束條件是一個(gè)挑戰，若能解決這個(gè)挑戰，便可減少不必要的傳感器更換，從而大幅降低成本。更進(jìn)一步，若能準確預測傳感器何時(shí)將失效，氣體檢測系統的運行成本將會(huì )降低更多。

在全部氣體檢測應用中，電化學(xué)氣體傳感器的利用率都在增加，這給此類(lèi)系統的物流、調試和維護帶來(lái)了挑戰，導致總擁有成本增加。因此，人們采用具有診斷功能的專(zhuān)用模擬前端來(lái)減少技術(shù)缺點(diǎn)（主要是傳感器壽命有限）帶來(lái)的影響，確保氣體檢測系統長(cháng)期可持續且可靠。

信號鏈集成降低設計復雜性

傳統信號鏈大多采用獨立的模數轉換器、放大器和其他構建模塊設計，相當復雜，迫使設計人員在功效比、測量精度或信號鏈占用的PCB面積上做出折衷。

這種設計挑戰的一個(gè)例子是具有多氣體配置、可測量多種目標氣體的儀器。每個(gè)傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運行。此外，每個(gè)傳感器的靈敏度可能不同，因此必須調整放大器的增益以使信號鏈性能最大化。對設計人員而言，僅這兩個(gè)因素就增加了可配置測量通道（其應能與不同傳感器接口而無(wú)需更改BOM或原理圖）的設計復雜度。

就像任何其他電子系統一樣，集成是演進(jìn)中的一個(gè)邏輯步驟，通過(guò)集成可設計出更高效、更強大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測信號鏈通過(guò)集成TIA（互阻放大器）增益電阻或將數模轉換器用作傳感器偏置電壓源等措施來(lái)簡(jiǎn)化系統設計（如圖2所示）。由于信號鏈集成，測量通道可以通過(guò)軟件來(lái)全面配置，以與眾多不同類(lèi)型的電化學(xué)傳感器接口，同時(shí)降低設計的復雜性。此外，這種集成信號鏈的功率要求也明顯降低，這對于以電池壽命為關(guān)鍵考慮因素的應用至關(guān)重要。最后，由于降低了信號鏈的噪聲水平，并且有可能利用性能更好的信號處理器件（如TIA或ADC），因此測量精度得以提高。

回顧多氣體儀器的例子，信號鏈集成使其能夠實(shí)現完全可配置的測量通道，同時(shí)降低信號鏈的復雜性，從而輕松重用單個(gè)信號鏈設計、減少信號鏈占用的PCB面積、降低功耗、提高測量精度。

傳感器劣化與診斷

盡管信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并未解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)，即其性能會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間推移而下降。不難理解，這是傳感器的工作原理和結構所導致的。工作條件也會(huì )致使性能下降并加速傳感器老化。傳感器精度會(huì )降低，直到變得不可靠，不再適合完成其任務(wù)。在這種情況下，通常的做法是讓儀器下線(xiàn)并手動(dòng)檢查傳感器，這既耗時(shí)又昂貴。然后，根據其狀況，可以重新校準傳感器并再次使用，或者可能需要予以更換。這會(huì )招致相當大的維護成本。通過(guò)利用電化學(xué)診斷技術(shù)，可以分析傳感器的健康狀況并有效補償性能變化。

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