本文主要是關(guān)于lmp91000的相關(guān)介紹，并著重對lmp91000在電化學(xué)傳感器電極故障檢測中的應(yīng)用進行了詳盡的闡述。

電化學(xué)傳感器

1.電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)傳感器通過與分析物反應(yīng)并產(chǎn)生電信號進行操作。大多數(shù)電化學(xué)氣體傳感器是電流傳感器，產(chǎn)生與氣體濃度成線性比例的電流。電流測量傳感器的原理是測量未建立平衡的電化學(xué)電池中的電流 - 電勢關(guān)系。電流與通常使用另一個電極（所謂的參考電極）保持恒定電位的感測電極（也稱為工作電極）的電解過程的速率定量相關(guān)

2.工作原理

一個電化學(xué)氣體傳感器的工作原理如下：與傳感器接觸的目標(biāo)氣體分子首先通過一個防止冷凝的隔膜，它也起到防塵的作用。那么氣體分子通過毛細(xì)管擴散，可能通過隨后的過濾器，然后通過疏水膜到達(dá)感測電極的表面。在那里分子立即被氧化或還原，從而產(chǎn)生或消耗電子，從而產(chǎn)生電流。

重要的是要注意，用這種方法進入傳感器的氣體分子的量受到通過毛細(xì)管擴散的限制。通過優(yōu)化路徑，根據(jù)期望的測量范圍，獲得適當(dāng)?shù)碾娦盘枴８袦y電極的設(shè)計對于實現(xiàn)對目標(biāo)氣體的高反應(yīng)性并抑制對干擾氣體的不希望響應(yīng)是至關(guān)重要的。它涉及固體，液體和氣體三個階段的系統(tǒng)，并且都涉及分析物氣體的化學(xué)識別。致力于量身定制該系統(tǒng)并獲得高性能的氣體傳感器。電化學(xué)電池通過平衡感測電極處的反應(yīng)的所謂反電極--Cont電極完成。Cont電極與Sen電極之間的離子電流由傳感器主體內(nèi)的電解質(zhì)傳送，而電流路徑通過以銷連接器終止的導(dǎo)線提供。通常在電化學(xué)傳感器（3電極傳感器）中包含第三電極。所謂的參考電極用于將感測電極的電勢保持在固定值。為此并且通常用于電化學(xué)傳感器的操作，需要恒電位電路。

3.傳感器信號

傳感器信號一個氣體傳感器的輸出信號對應(yīng)于氣體的濃度而不是其分壓。因此，可以在不同高度甚至地下使用一個傳感器，而不管在哪個大氣壓力下校準(zhǔn)裝置。傳感器輸出和壓力相關(guān)性的更深入和科學(xué)的解釋可以在文件mem4中找到。

lmp91000 在電化學(xué)傳感器電極故障檢測中的應(yīng)用

1 電化學(xué)傳感器及其信號調(diào)理電路 電化學(xué)氣體傳感器的工作原理和原電池的原理相類似，當(dāng)敏感氣體擴散進入傳感器內(nèi)部發(fā)生氧化 還原反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)過程中輸出的電荷載流子與氣體濃度成正比。多數(shù)情況下，三電極的傳感 器應(yīng)用更為廣泛，相比于早期兩電極的氣體傳感器，三電極氣體傳感器的檢測靈敏度高、更容易 穩(wěn)定而且可實現(xiàn)高濃度檢測。圖-1 是電化學(xué)傳感器及其信號調(diào)理電路的簡要組成示意，其中傳感 器（SENSOR）部分給出了三電極化學(xué)傳感器的電極組成與其等效電路，在電路中運放的作用使得 參考電極（RE）相對于工作電極（WE）保持恒定電位，工作電極（WE）收集敏感氣體在反應(yīng)中 產(chǎn)生的電流并且通過后級運放實現(xiàn)對弱電流信號的放大。三電極傳感器的檢測效率、靈敏度受偏 置電壓影響明顯；傳感器對敏感氣體的選擇性同樣會到偏置電壓的影響；在應(yīng)用過程中應(yīng)該保持 偏置電壓恒定。

常見的三電極電化學(xué)傳感器信號調(diào)理電路是由偏壓電路單元、跨阻放大器單元組成；前者確保傳 感器的最佳工作條件，后者實現(xiàn)對輸出弱電流信號的放大。傳統(tǒng)設(shè)計方案中，通常借助一個雙通 道運放來實現(xiàn)設(shè)計。由于電化學(xué)傳感器的輸出對偏置電壓敏感，因而需要偏壓單元中的運放有較 低的失調(diào)電壓及其較小的溫漂特性，否則傳感器的穩(wěn)定性會受到明顯影響；跨阻放大器實現(xiàn)對工 作電極輸出弱小電流信號的放大，希望運放的偏置電流較小，否則疊加在傳感器輸出電流上輸出 偏置電流使得輸出存在較大的零偏誤差。根據(jù)上述分析，所選雙運放的特性應(yīng)該同時滿足低失調(diào) 電壓、小偏置電流、低功耗，很多時候同時滿足上述條件的雙運放型號非常有限。

由于電化學(xué)傳感器自身特點，在傳感器制造完成后通常需要金屬短路帽短接輸出以防止電荷積 累，否則在傳感器投入使用后出現(xiàn)較長時間的老化（stabilisation）過程；對于一些零偏置電壓的 傳感器同樣也需要短路帽維持電勢的恒定；對于非零偏置電壓的傳感器，在制造完成后直至最終 現(xiàn)場啟用前均要求維持偏置電壓，否則同樣會出現(xiàn)長時間的老化過程。為了防止傳感器裝配出差 錯、確保使用中的傳感器特性沒有明顯劣化，需要對傳感器的電極連接狀態(tài)進行監(jiān)測，這也是安 全使用的必要措施。很明顯，基于傳統(tǒng)雙運放的方案在實現(xiàn)此類功能時，設(shè)計和調(diào)測上很大的挑 戰(zhàn)，一些基于其他分立器件實現(xiàn)的故障檢測方案往往也難以解決調(diào)測與器件一致性的問題。

其內(nèi)部有偏置電壓發(fā)生器、跨阻放大器兩個功能單元，每個單元的工作參數(shù)可以通過 I2C 總 線實現(xiàn)編程配置，從而可以靈活適應(yīng)不同的特性傳感器的應(yīng)用。為了方便溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)， 在其片上集成有半導(dǎo)體溫度傳感器，其溫度信號輸出可以分時輸出或者單獨輸出。 LMP91000 的內(nèi)部功能框圖，如下圖-2 所示。相比于傳統(tǒng)的雙運放的方案，LMP91000 具有 明顯的低功耗，平均功耗僅 10uA；PCB 封裝面積小，僅 5x5mm;靈活性高，可編程設(shè)定功能 單元所需工作參數(shù)點。

如上所述，應(yīng)用中偏置電壓對電化學(xué)傳感器工作狀態(tài)影響很大，當(dāng)偏置電壓發(fā)生微小變化 時則對應(yīng)輸出電流會明顯變化，該現(xiàn)象可以從電化學(xué)傳感器的等效電路中找到解釋，由于電 極間等效的電容較大，微小的電壓變化趨勢，會在電極間產(chǎn)生較大的電流流動試圖抵抗這種 變化。如果這種偏壓變化較小，而且持續(xù)時間較短則不會對電極造成影響，如電極極化。通 常可借助該原理實現(xiàn)對電極連接狀態(tài)檢測，尤其是在 LMP91000 上實現(xiàn)該功能較為簡單，只 需要通過 I2C 總線快速動態(tài)配置傳感器的偏置電壓，產(chǎn)生人為擾動偏置電壓；在過程中實時 監(jiān)測出傳感器電壓變化趨勢即可。

2 電化學(xué)傳感器電極故障檢測

LMP91000 內(nèi)部工作參數(shù)可隨時、靈活配置的特性，可以方便地實現(xiàn)電化學(xué)傳感器電極故障 檢測。以下測試以下電極故障功能的測試在 LMP91000 評估板以及對應(yīng) GUI 軟件上完成的， 所采用的電化學(xué)傳感器是雙電極的一氧化碳傳感器。實驗中對傳感器功能正常、傳感器電極 短路、傳感器缺失三種情況進行了測試，以下是各種情況下傳感器輸出電壓的波形與數(shù)據(jù)特 征說明。

2.1 傳感器正常使用 該測試是檢測傳感器功能是否正常，下圖-3 與圖-4 分別表示啟用 GUI 中 Sensor Check 功能前后 傳感器輸出電壓的情況。下圖-3 是傳感器正常應(yīng)用中的輸出情況，可見其輸出信號相對平滑，注 此時未啟用 Sensor Check 功能。

圖-4 對應(yīng)啟動了 Sensor Check 功能后 LMP91000 輸出。輸出電壓從原先正常值開始跌落并在低位 維持一段時間然后輸出電壓向正常值爬升。仔細(xì)觀察輸出電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)回升電壓有一個較為 明顯的過沖，相比于正常電壓大約有 300mV 的過沖，然后開始緩慢回落至正常范圍。輸出過沖的 幅度以及最終恢復(fù)的時間和傳感器等效阻抗特性有關(guān)，輸出的正常值可以通過其均值來表示。

2.2 傳感器電極短路 傳感器電極短路是常見的一類安裝錯誤，此時會對應(yīng)電極短路的故障狀態(tài)。圖-5 是傳感器電極短 路后啟用故障檢測后的輸出情況，和正常應(yīng)用時的輸出非常類似。此時的輸出電壓同樣經(jīng)歷跌 落、維持、回升三個階段，只是回升后的電壓沒有過沖現(xiàn)象存在。

2.3 傳感器缺失 傳感器缺失或者脫落是另一種常見的電極連接故障，圖-6 和圖-7 分別是啟用故障檢測功能前后傳 感器輸出電壓的情況。相比于正常使用時的輸出，傳感器缺失后輸出信號噪聲成份明顯，輸出電 壓起伏較大；啟用故障檢測后，傳感器輸出特性沒有明顯變化而且也沒有電壓跌落、爬升現(xiàn)象出 現(xiàn)。輸出電壓的起伏程度，可借助采樣值期望均值以及均方差來輔助判斷。

3 電極故障檢測的數(shù)據(jù)分析算法

以上測試給出了電化學(xué)傳感器的常見電極故障下對應(yīng)的輸出波形，并對各自輸出特性進行了 簡要分析，以下是一種可供參考數(shù)據(jù)分析處理流程。主要實現(xiàn)方法是啟用故障檢測功能后對 采集到的所有數(shù)據(jù)進行遍歷查找，找出其各種變化沿的特征信息并存儲，根據(jù)其跳變沿特征 以及是否存在過沖等特點區(qū)分各種對應(yīng)的故障。啟動故障檢測時，可以在單片機可以通過 I2C 接口修改 LMP91000 內(nèi)部 REFCN 寄存器，從而實現(xiàn)對傳感器偏置電壓的改變，偏置電 壓的維持時間長短可以通過定時器來控制；定時結(jié)束后開始對輸出數(shù)據(jù)的分析。

因為電化學(xué)傳感器自身復(fù)雜物理化學(xué)特性使其對偏置電壓變化的敏感，借助 LMP91000 可編 程特點來產(chǎn)生人為偏置電壓擾動來從而實現(xiàn)對電極狀態(tài)檢測。考慮到實際應(yīng)用中氣體濃度不 會急速變化導(dǎo)致輸出出現(xiàn)跳變，因而有別于正常輸出信號，這樣通過 LMP91000 就使得電極 故障檢測功能得以快速實現(xiàn)。需要強調(diào)的一點，故障檢測中偏壓變化的幅度以及持續(xù)時間應(yīng) 該有嚴(yán)格限制，防止對傳感器本身造成可能的損壞。此外，三電極電化學(xué)傳感器的故障檢測 和兩電極非常類似，其對應(yīng)輸出特性也基本一致。

結(jié)語

關(guān)于lmp91000的相關(guān)介紹就到這了，如有補足之處歡迎指正。

相關(guān)閱讀推薦：電化學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理是什么？