【经验】SGX传感器技术电化学气体传感器用电子电路的设计提供指导

本文为AMPHENOL SENSORS旗下SGX传感器技术电化学气体传感器的电子电路设计提供指导。传感器范围需要4种类型的电路：

i、对于有3个电极的传感器（大多数用于检测有毒气体的传感器和EC410氧传感器），所需的电路称为恒电位电路。该电路可以使传感电极和参考电极处于相同的电位（无偏压）或将传感电极和参考电极保持在不同的电压（偏压传感器）。这些电路在第1节中进行了说明。

ii、对于4电极的双CO&H2S传感器，采用了改进的双通道恒电位电路。这在第2节中有描述。

iii、对于2个电极有毒传感器（如Sureco），需要一个更简单的电路。这在第3节中有描述。

iv、对于SGX-4OX和SGX-7OX氧传感器，需要铅基氧传感器的标准电路。这在第4节中有描述。

所提供的资料只供一般参考，应注意使电路适应应用的特定要求。遵循本文的建议，用户应能够使用SGX电化学气体传感器获得优异的性能。

电化学气体传感器需要一个称为恒电位仪的偏置电路，以保持传感电极和参考电极之间的正确偏置电位，如个别传感器数据表所述。在许多情况下，这将是0伏，但有些设备需要一个正或负偏压电位。

气体传感器产生与气体浓度成比例的输出电流。需要一个电流-电压转换器，也被称为跨阻抗放大器，将来自电化学电池的小电流转换为有用的测量电压。

模数转换器（ADC）对跨阻抗放大器的输出进行采样，并产生电压电平的数字读数。微处理器用它来计算实际的气体浓度。

微处理器可根据应用驱动多个输出。这些可以包括一个液晶显示器，一个4-20毫安的接口，一些警报或其他输出的需要。

在系统的某一点上，需要进行零点设置和增益设置调整。这可以在跨阻抗放大器的硬件中实现，也可以在微处理器的软件中实现。

电化学传感器的固有线性意味着，对于只需要模拟输出的简单应用，可以省去ADC和微处理器。跨阻抗放大器的电压输出可以直接提供气体浓度的模拟读数。更重要的应用可能需要补偿环境温度和压力。

第1节：3电极有毒传感器和EC410电路

图1显示了使用电化学气体传感器的典型气体检测系统的外形框图。

图1-使用电化学气体传感器的典型气体检测系统框图

R:参比电极

C:对电极

S:感测电极（有时称为“工作”电极）

图2-带分裂电源轨的无偏置传感器电路

无偏置传感器电路（图2）

偏置电路介绍

传感器偏置电路（恒电位仪）的目的是保持传感电极相对于参比电极的电位恒定。这是通过调节第三个“反向”电极的电压来实现的。

所需的偏差水平（Vsense–Vref）根据传感器类型而变化，可在相关数据表中找到。现将其总结如下，以供参考：

表1——SGX传感器的偏置电位

恒电位仪电路

图2显示了一个典型的恒电位仪电路，使用正负电源电压。这种配置很容易解释，但它很容易适应单电源操作，这将在后面描述。

运算放大器ic1监测参比电极vref的电位，并向对电极施加适当的电位vCount，以保持vref等于vset。该电位将随着气体浓度的变化而变化，因为它向对电极提供电流以平衡来自感测电极的输出电流。

大多数电化学传感器是“无偏”的，因此vset=0v。由于输出电路的偏压效应，传感电极的电位也保持在0v，因此vsense和vref之间的结果是零偏压。

断电时保持零偏压

tr1是一种p沟道fet，当电源电压关闭时，它保持传感电极和参考电极之间的零偏压。栅极上的低电压导致场效应晶体管导通，使得Vref=Vsense。在断电期间保持0伏的电压偏差，可以使传感器在再次通电时迅速稳定下来。

当电路电源重新连接时，tr1栅极上的高电压将导致fet停止导通，以便运放可以控制偏置。tr1应选择具有正栅源截止电压vgs（off），其低于电源电压。晶体管如J177（引线）或MMBFJ177（表面安装）经常被使用。如果不使用短路场效应管，传感器可能需要几个小时才能在打开后重新稳定。

输出极性

电化学传感器的输出电流与气体浓度成正比。对于大多数气体，电子从感测电极流出（即传统电流流入感测电极），从而从电路产生正输出电压。然而，对于在电池中发生还原的气体（二氧化氯、Cl2、NO2和O2），电子流入传感电极（常规电流流出），从而从电路中产生负电压。摘要见表1。

跨导放大器

电化学传感器的输出电流必须使用跨阻抗（电流-电压）放大器转换为电压。图2显示了在此模式下连接的运算放大器IC2。建议将10R负载电阻器与感测电极串联。该电阻与传感器的固有电容形成rc平滑滤波器。降低负载电阻值可以提高响应时间，但代价是输出噪声较大。rgain以V/A定义放大器的增益。例如，如果rgain=10K，则：

传感器数据表（如EC4-250-NO）中的跨阻抗增益=104 V/A：传感器灵敏度=400 Na/ppm=4 x 10-7 A/ppm，然后系统灵敏度计算为：系统灵敏度=4 x 10-7 x 104 V/ppm=4 x 10-3 V/ppm=4 mV/ppm

应注意，传感器数据表给出了灵敏度范围。应选择增益电阻器，以便在使用具有最大灵敏度的传感器时，输出不会在应用中的最大气体浓度下饱和。

电容器可与增益电阻器并联以提供高频截止，以减少输出上的任何噪声。随着时间的推移，灵敏度会略微降低（长期输出漂移），个别传感器数据表上给出了一个数字。这种变化通常每月少于2%。

传感器偏置电路（图3）

图3显示了用于偏置传感器的恒电位仪电路。该电路设计为通过使用300 mV的Vset电源在感测电极和参考电极之间提供+300 mV的偏置。运算放大器IC1监测参考电极Vref的电势，并将适当的电势Vcount施加到对电极，以保持Vref等于Vset（-300 mv）。由于输出电路的偏压效应，传感电极的电位保持在0v，因此在Vsense和Vref之间产生+300mv的偏压。这种+300 mV的偏压布置适用于NO和ETO传感器。对于需要在Vsense和Vref之间有600 mV偏置的氧传感器，有必要使用Vset=+600 mV。在这种情况下，Vset电源将连接在+V和接地之间。警告：施加不正确的偏压可能会损坏传感器。

关闭时保持正/负偏置

在一些仪器中，即使在仪器关闭的情况下，偏压电路的电源也是故意保持的。这样可以保持传感器上的偏置，使其稳定，并可在仪器打开时立即使用。备用电源，如硬币电池，可用于此目的。短路晶体管不适用这种情况。

图3-带有分裂电源轨的偏置传感器电路

图4-带有单电源轨的传感器偏置电路

单电源传感器偏置电路（图4）

图4显示了另一个用于传感器的偏置恒电位仪电路，但这次使用的是单个5 V电源。必须生成一个虚拟接地，其电压通常为电源电压的一半，在这种情况下为2.5 V。应使用稳定的电压基准来生成虚拟接地。虚拟接地用于参考输出电路，因此传感电极也将处于2.5 V。为了在V_SENSE和V_REF之间实现+300 mV的偏置，有必要在虚拟地球下方300 mV处设置V_SET。因此，V_SET=2.200 V。该电路可适用于更低的电源电压，但可能需要更改虚拟接地电压以允许足够的电压摆动。例如：氧传感器需要600 mV偏置，因此参考电极将高于虚拟地球600 mV。对电极可能比参比电极高1.1V，参比电极现在比虚拟地高1.7V。如果电源电压为3V，则需要对虚拟地球使用1.25V或更低的参考电压。上面的例子还强调了使用运放和低电压电源的轨对轨输出摆幅的重要性。下一节给出了选择合适的运算放大器的建议。

运算放大器的选择

在选择偏置电路的运算放大器时，应考虑以下几个参数：

输入偏置电流

理想情况下，恒电位仪运算放大器不应从参比电极吸取任何电流。实际上，运放有一个“输入偏置电流”，如果这个电流太大，它将影响传感（工作）电极的输出电流，特别是在低气体浓度下。一般规则是选择输入偏置电流小于5毫安的运放。

输入偏置电压

当电源关闭时，零偏压被晶体管tr1钳制。然而，当电源接通时，恒电位仪电路保持零偏压。运算放大器ic1中的显著输入偏置电压将导致传感器上的实际偏置突然减小。电化学传感器对即使是很小的偏压变化也很敏感，因为传感器的大电容会导致显著的电流流动。在偏压改变后，传感器可能需要几个小时才能稳定下来。如有可能，选择输入偏置电压低于100μV的运放，特别注意检查最大工作温度的偏置

输入偏置电压温度漂移

运算放大器的输入偏置电压随温度的变化而变化，导致偏置电压的微小变化。因此，建议选择具有低输入偏置电压温度漂移的运放。

输出电压摆幅

应仔细考虑运算放大器所需的输出摆幅，特别是在低压系统中。恒电位仪运算放大器的输出向对电极提供电压。这将根据气体类型和浓度变化。建议运放至少能驱动VSET两侧1.1V的电压。在低压电路中，这通常需要一个带轨对轨输出的运放。

输出电流驱动

恒电位仪运算放大器的输出向对电极提供进出电流，该电流与感应输出电极的进出电流相匹配。请参阅传感器数据表，以确定应用中的最大可能电流和电流流向。确保所选运算放大器能够产生或吸收所需电流。

校准部分

置零

将零气体（清洁空气）施加到传感器上时，需要设置零点。这可以在硬件中通过抵消IC2非逆变输入端的电压来实现。但是，如果输出到数模转换器（DAC）和微处理器，那么作为校准程序的一部分，在软件中存储零点将是最容易的。对于氧传感器，由于正常工作点接近最大量程，因此不必总是设置为零。但是，为了提高精度，可以使用以下方法之一获得零偏移：

施加纯氮并测量输出。

假设零浓度时偏移量为30μA（读数的10%为21%）。

设置灵敏度

通过调节rgain可以改变电路的灵敏度（mv/ppm）。当已知浓度的气体施加到传感器上时，这就完成了。在带有微处理器的仪器中，灵敏度可以作为校准程序的一部分在软件中进行调整。

温度和压力补偿

为了提高精度，仪器还可以补偿环境温度和压力的影响。

偏置电路

当需要偏置电压时，偏置电压非常稳定是很重要的。偏置电压的微小瞬态变化会影响传感器输出数小时。应使用稳定的参考装置（如串联或并联参考电压）产生偏置电压。应相对于接地（分供电路）或虚拟接地（单供电路）生成参考。图5和图6示出了使用1.225 V并联电压（例如lm4041或lm4051）生成300 mV（对于+300 mV偏置传感器）和+600 mV（对于-600 mV偏置传感器）的示例。这些是示例，应仔细检查电路的工作情况，以确定特定的电源电压和所选的参考装置。最后，图7显示了如何使用运算放大器从单个电源生成虚拟接地。

电路布局

建议保持所有印刷电路板的走线长度尽量的短，特别是在恒电位仪和跨阻抗放大器电路中。运算放大器应该在接近集成电路的地方进行良好的解耦。可以进一步降低噪声可以通过对输出信号进行过采样并对数据进行平均。

图5-300MV的偏置电路示例

图6–+600MV的偏置电路示例

图7-生成虚拟接地的示例电路

第2节：SGX-4DT4电极双CO和H2S传感器电路

由于此传感器是双传感器，因此电路基本上是重复的。见下面的电路

第3节：2电极有毒气体传感器电路（如Sureco）

下面是2针有毒气体传感器的电路。

第4节：SGX-4OX和SGX-7OX氧气传感器电路

这些传感器在微安培范围内产生电流，电流与氧气浓度成正比。因此，传感器的输出可以很容易地通过在端子上设置负载电阻和测量电阻上的电压来测量。