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气体检测系统的技术挑战

精讯畅通    2022-08-17

要想设计出一套先进的气体检测系统,那么就需要克服三类技术挑战,分别对应于系统生命周期的不同阶段。

首先是气体传感器制造挑战,例如制造可重复性以及传感器的表征和校准。制造过程本身虽然已高度自动化,但不可避免地会给每个气体传感器带来差异。由于这些差异,传感器必须在生产过程进行表征和校准。

其次,在系统的整个生命周期中都存在技术挑战。这包括系统架构优化,例如信号链设计或功耗考虑。另外,工业应用中特别注重电磁兼容性(EMC)和功能安全合规性,这会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用,并对保持所需性能和使用寿命提出了挑战。电化学气体传感器在其使用寿命期间会老化和漂移(这是这种技术的本性),导致需要频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行,性能的变化会进一步加速,如本文后面所述。在延长传感器使用寿命的同时保持其性能,是许多应用的关键要求之一,尤其是在系统拥有成本至关重要的情况下。

第三,即使采用了延长使用寿命的技术,所有电化学气体传感器最终都会达到其生命终点,此时性能不再满足要求,需要更换传感器。有效检测寿命结束条件是一个挑战,若能解决这个挑战,便可减少不必要的传感器更换,从而大幅降低成本。更进一步,若能准确预测传感器何时将失效,气体检测系统的运行成本将会降低更多。

在全部气体检测应用中,电化学气体传感器的利用率都在增加,这给此类系统的物流、调试和维护带来了挑战,导致总拥有成本增加。因此,人们采用具有诊断功能的专用模拟前端来减少技术缺点(主要是传感器寿命有限)带来的影响,确保气体检测系统长期可持续且可靠。

信号链集成降低设计复杂性

传统信号链大多采用独立的模数转换器、放大器和其他构建模块设计,相当复杂,迫使设计人员在功效比、测量精度或信号链占用的PCB面积上做出折衷。

这种设计挑战的一个例子是具有多气体配置、可测量多种目标气体的仪器。每个传感器可能需要不同的偏置电压才能正常运行。此外,每个传感器的灵敏度可能不同,因此必须调整放大器的增益以使信号链性能最大化。对设计人员而言,仅这两个因素就增加了可配置测量通道(其应能与不同传感器接口而无需更改BOM或原理图)的设计复杂度。

就像任何其他电子系统一样,集成是演进中的一个逻辑步骤,通过集成可设计出更高效、更强大的解决方案。集成的单芯片气体检测信号链通过集成TIA(互阻放大器)增益电阻或将数模转换器用作传感器偏置电压源等措施来简化系统设计(如图2所示)。由于信号链集成,测量通道可以通过软件来全面配置,以与众多不同类型的电化学传感器接口,同时降低设计的复杂性。此外,这种集成信号链的功率要求也明显降低,这对于以电池寿命为关键考虑因素的应用至关重要。最后,由于降低了信号链的噪声水平,并且有可能利用性能更好的信号处理器件(如TIA或ADC),因此测量精度得以提高。

回顾多气体仪器的例子,信号链集成使其能够实现完全可配置的测量通道,同时降低信号链的复杂性,从而轻松重用单个信号链设计、减少信号链占用的PCB面积、降低功耗、提高测量精度。

传感器劣化与诊断

尽管信号链集成是向前迈出的重要一步,但它本身并未解决电化学气体传感器的根本缺点,即其性能会随着使用时间推移而下降。不难理解,这是传感器的工作原理和结构所导致的。工作条件也会致使性能下降并加速传感器老化。传感器精度会降低,直到变得不可靠,不再适合完成其任务。在这种情况下,通常的做法是让仪器下线并手动检查传感器,这既耗时又昂贵。然后,根据其状况,可以重新校准传感器并再次使用,或者可能需要予以更换。这会招致相当大的维护成本。通过利用电化学诊断技术,可以分析传感器的健康状况并有效补偿性能变化。

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