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低功耗、单电源的电化学传感器有毒气体探测器

本文只要讲述了使用电化学传感器单电源、低功耗、电池供电、便携式气体探测器。对于检测有毒气体,传感器具备独特优势。多数气体都是基于特定的气体,但是本文设计的探测器更能分辨多种气体浓度。

电路功能与优势

图1所示电路是使用电化学传感器的单电源、低功耗、电池供电、便携式气体探测器。本示例中使用AlphasenseCO-AX一氧化碳传感器。

对于检测或测量多种有毒气体浓度的仪器,电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计,可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(ppm),所需工作电流极小,非常适合便携式电池供电的仪器。图1所示电路使用双通道微功耗放大器ADA4505-2,该器件在室温下的最大输入偏置电流为2 pA,每个放大器的功耗仅为10 μA。此外,ADR291精密、低噪声、微功耗基准电压源的功耗仅为12 μA,可建立2.5 V共模伪地基准电压。

低功耗、单电源的电化学传感器有毒气体探测器

图1. 低功耗气体探测器电路

ADP2503高效率、降压/升压调节器支持两节AAA电池的单电源供电,在节能模式下的功耗仅为38 μA。

图1所示电路(不包括AD7798 ADC)的总功耗在正常条件下(未探测到气体)约为110 μA,在最差条件下(探测到2000 ppmCO)约为460 μA。AD7798工作时的功耗约为180 μA(G = 1,缓冲模式),节能模式下仅为1 μA。

由于电路功耗极低,两节AAA电池便可提供合适的电源。当连接到ADC和微控制器或者内置ADC的微控制器时,电池寿命可从6个月以上到一年以上不等。

电路描述

图2显示电化学传感器测量电路的原理示意图。电化学传感器的工作原理是允许气体通过薄膜扩散到传感器内,并与工作电极(WE)相互作用。传感器参考电极(RE)提供反馈,以便通过改变反电极(CE)上的电压保持WE引脚的恒定电位。WE引脚上的电流方向取决于发生的反应是氧化还是还原。在一氧化碳情况下发生的是氧化;因此,电流会流入工作电极,这要求反电极相对于工作电极处于负电压(通常为300 mV至400 mV)。驱动CE引脚的运算放大器相对于VREF应具有±1 V的输出电压范围,以便为不同类型的传感器提供充足裕量。

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图2. 简化电化学传感器电路

流入WE引脚的电流对于每ppm气体浓度低于100 nA;因此将此电流转换为输出电压需要具有极低输入偏置电流的跨阻放大器。ADA4505-2运算放大器在室温下具有最大输入偏置电流为2 pA的CMOS输入,因此很适合这种应用。

2.5 V ADR291为电路建立伪地基准电压,因此支持单电源供电同时消耗极低的静态电流。

放大器U2-A从CE引脚吸取足够的电流,以便在传感器的WE和RE引脚间保持0 V电位。RE引脚连接到U2-A的反相输入;因此其中无电流流动。这意味着电流从WE引脚流出,随气体浓度呈现线性变化。跨阻放大器U2-B将传感器电流转换为与气体浓度成正比的电压。

此电路笔记选择的传感器是Alphasense CO-AX一氧化碳传感器。表1显示与此常见类型的一氧化碳传感器相关的典型规格。

警告:一氧化碳是有毒气体,一旦浓度高于250 ppm便有危险;测试本电路时应格外小心。

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跨阻放大器的输出电压为:

其中IWE是流入WE引脚的电流,RF是跨阻反馈电阻(图1中显示为R8)。

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CO-AX传感器的最大响应是100 nA/ppm,其最大输入范围为2000 ppm的一氧化碳。因此,最大输出电流为200 μA,最大输出电压由跨阻电阻决定,如公式2所示。

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使用5 V电源为电路供电可在跨阻放大器U2-B的输出端产生2.5 V的可用范围。为跨阻反馈电阻选择11.5 kΩ电阻可提供4.8 V的最大输出电压,从而提供大约8%的超量程能力。

传感器使用65 nA/ppm的典型响应时,公式3显示与一氧化碳的ppm有函数关系的电路输出电压。

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电阻R4将噪声增益保持在合理水平。选择此电阻的值需权衡两个因素决定:噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于本例,R4 = 33 Ω,由此可计算噪声增益等于349,如公式4所示。

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跨阻放大器的输入噪声在输出端表现为由噪声增益放大。对于本电路,我们仅关注低频噪声,因为传感器工作频率极低。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为2.95 μVp-p;因此,输出端噪声为1.03 mV p-p,如公式5所示。

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由于这是极低频1/f噪声,所以很难滤除。然而,传感器响应也极低;因此可以利用这一点,使用截止频。

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