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电化学气体传感器的优缺点有哪些?

电化学气体传感器是一种久经验证的技术,其历史可以追溯到1950年代,当时开发了用于氧气监测的电化学传感器。这种技术的首批应用之一是葡萄糖生物传感器,用于测量葡萄糖的缺氧情况。在接下来的几十年中,该技术得到了发展,传感器变得小型化并能检测多种目标气体。

随着传感技术无处不在的时代的到来,许多行业出现了无数新的气体检测应用,例如汽车空气质量监测或电子鼻。不断发展的法规和安全标准对新应用和现有应用提出了比过去更具挑战性的要求。换句话说,未来的气体检测系统必须能精确测量低得多的浓度,对目标气体更具选择性,依靠电池电源工作更长的时间,并在更长的时间内提供稳定一致的性能,同时始终保持安全可靠的运行。

电化学气体传感器的优缺点

电化学气体传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率。此外,一旦根据目标气体的已知浓度进行校准,其测量的重复性和精度也非常好。数十年来技术的发展,让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好的选择性。

由于其优点众多,工业应用(例如用于保护工人安全的有毒气体检测)率先采用了电化学传感器。这些传感器的运行经济性促进了区域有毒气体监测系统的部署,确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

尽管检测技术本身在不断进步,但自电化学气体检测出现以来,其基本工作原理以及与生俱来的缺点并未改变。通常,电化学传感器的保质期有限,一般为六个月至一年。传感器的老化也会对其长期性能产生重大影响。传感器制造商通常会指定传感器灵敏度每年最多可漂移20%。此外,虽然目标气体选择性已有显著改善,但传感器仍存在对其他气体的交叉敏感性问题,导致测量受到干扰和读数出错的几率增加。传感器性能还与温度相关,必须在内部进行温度补偿。

技术挑战

设计先进气体检测系统需要克服的技术挑战可以分为三类,分别对应于系统生命周期的不同阶段。

首先是传感器制造挑战,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。单个测量通道的简化框图如图1所示。

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