基于电化学传感器的ADI微功耗有毒气体检测解决方案

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1、方案编号：APM-Gas-Detection(EC)-2012基于电化学传感器的ADI微功耗有毒气体检测解决方案应用简介有毒气体存在于许多工业环境之中，比如油井、采矿、塑料生产、造纸等。随着人们对个人安全的日益重视，对低功耗便携式有毒气体检测器的需求正呈快速增长之势。这种检测器可以让工人随身携带，也可每隔一定距离安装在工作现场。多数便携式低功耗有毒气体检测器都是以电化学传感器为基础的，涵盖工业环境中的多数常见气体，比如一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)、和二氧化氮(NO2)。与其他有毒气体检测方法相比，电化学传感器具有功耗低、交叉灵敏度

2、低、长期稳定性出色等特点，非常适合电池供电的便携式应用。系统设计考虑因素低功耗有毒气体检测需要在尽可能无需维护的情况下持续地对环境进行监控。因而，尽量延长电池寿命对这种应用来说是非常重要的。由于电化学气体传感器只需极少电流即可工作，因此剩下的信号调理和数据传输电路在实现系统低功耗方面发挥着关键作用。高可靠性在某些工业环境中，人的生命依赖于有毒气体检测器，为此这些检测器需要高度可靠。高精度、抗干扰能力以及出色的长期稳定性，这些都是设计过程中需要考虑的重要因素。为了实现这一目标，就需要精确、强健、低漂移的信号链。降噪为了充分发挥电化学传感器的动态范围的优势，在

3、设计信号链时需要考虑降噪问题。ADI公司解决方案系统框图以下是有一种毒气体检测器的系统框图，其中包括气体传感器、恒压电路、I/V电路(电流-电压转换)、微控制器、供电电路、接口和报警单元。POTENTIOSTATIC4.DIGITALPOTENTIOMETERSLCD/KEYARRAYCIRCUITJFETR1R2RFSPIALARMUNITC1C2CFRSRE1.AMPR3CEWE1.AMP2.ADCLIGHTALARMC3ELECTROCHEMICAL5.MICROCONTROLLERSENSOR3.REFERENCEAUDIOALARMI/VCIRC

4、UITVIBRATION6.POWERMANAGEMENTALARMBATTERYDC-TO-DC7.INTERFACEONLINEDC-TO-DCLDOINVERTERRS-4854mA-TO-20mAPOWER注：上述信号链代表气体检测器设计。模块的技术要求可能不同，但下表列出的产品代表满足部分要求的ADI解决方案。www.analog.com/zh/instrumentation1.放大器2.ADC3.基准电压源4.数字电位计5.微控制器6.电源管理7.接口ADA4505-2/AD8502/AD7788/AD7790/ADR291/ADR280/AD

5、P2503/ADM8828/AD5420/ADM2483/AD5271ADuC7023ADA4051-2/ADA4528-1AD7798ADR3425ADP2301/ADP160AD5749对于上图中的电化学传感器，工作电极(WE)检测有毒气体，并根据气体浓度按比例产生电流，参考电极(RE)使工作电极的电压保持稳定，以便传感器工作于线性范围之内，辅助电极(CE)可以使WE节点上产生的电流达到平衡。恒电位电路保持RE节点电压，并提供CE节点产生的电流。I/V电路把电流信号转换为电压信号传送至ADC(无论是集成在MCU中还是分立式)。包括LCD和键阵列在内的人

6、机接口用于系统设置和显示。LED、蜂鸣器和振动电机有助于提高警报的可靠性。低功耗：正常条件下1，实验室电路中的ADI放大器、dc-to-dc转换器和基准电压源需要消耗大约100μA的电流。单电源工作模式可以避免双极电源的功耗浪费问题2。高可靠性：ADI致力于提供精确、低漂移的信号链产品，如放大器、基准电压源和ADC等，以帮助设计师构造出精确、稳定的系统。相应的产品列于下面的主产品表中。另外，运算放大器反馈回路上RC(R1、R2、C1、C2)滤波器、串联电阻Rs和反馈电容Cf将使系统保持稳定，以抵消气体传感器极大的电容(mF量级)带来的影响。降噪：由于受传感

7、器限制的慢速响应(约30秒)，ADC之前的RC(R3、C3)滤波器的截止频率可以设为极低水平很低1。不但可以降低系统的白噪声，而且也可降低1/f噪声，从而优化系统分辨率。关于ADC分辨率，ADI提供多种选择，例如分立式16位ADC和集成在MCU里的12位ADC。主要产品产品型号描述优势放大器10μA静态电流、2pA偏置电流、轨到轨输入/输出、零输入交越失真放大器；低功耗，适用于便携式仪器仪表，较高的电源抑制比，即使ADA4505-2电源抑制比(PSRR)：100dB(最小值)；共模抑制比(CMRR)：105dB(典型值)不使用调节器也不会对精度造成大的影响

8、AD85021μA静态电流、10pA偏置电流、轨到轨输入/输出超低