lmp91000 在电化学传感器电极故障检测中的应用 - 德州仪器在线 .pdf

Application Report ZHCA482 – October 2012 LMP91000 在电化学传感器电极故障检测中的应用 仝晨安 (Hawk Tong) North West China OEM Application Team 摘要 文章首先介绍了电化学传感器的构成，对传统的信号调理电路进行了简要分析，指出经典 电路在设计实现时存在的一些局限性以及在传感器电极故障状态检测中遇到的困难。随后 介绍了电化学传感器模拟前端 LMP91000 的特性和相比于传统电路的优点；基于 LMP91000 对传感器故障状态检测进行了测试，对应测试结果进行初步分析。最后给出了 可以检测各种电极故障状态的参考算法。 目录 1 电化学传感器及其信号调理电路2 2 电化学传感器电极故障检测 3 2.1 传感器正常使用4 2.2 传感器电极短路5 2.3 传感器缺失5 3 电极故障检测的数据分析算法 6 4 小结7 5 参考资料7 Figures 图1 电化学传感器的典型组成2 图-2 LMP91000 的内部功能框图 3 图-3 传感器正常应用时输出信号4 图-4 启用故障检测后传感器输出信号4 图5 电极短路时传感输出信号 5 图-6 传感器缺失时输出信号 5 图– 7 传感器缺失时输出（启用故障检测） 6 图-8 故障检测数据处理流程 7 1 ZHCA482 1 电化学传感器及其信号调理电路 电化学气体传感器的工作原理和原电池的原理相类似，当敏感气体扩散进入传感器内部发生氧化 还原反应，其化学反应过程中输出的电荷载流子与气体浓度成正比。多数情况下，三电极的传感 器应用更为广泛，相比于早期两电极的气体传感器，三电极气体传感器的检测灵敏度高、更容易 稳定而且可实现高浓度检测。图-1 是电化学传感器及其信号调理电路的简要组成示意，其中传感 器(SENSOR)部分给出了三电极化学传感器的电极组成与其等效电路，在电路中运放的作用使得 参考电极（RE）相对于工作电极（WE ）保持恒定电位，工作电极（WE ）收集敏感气体在反应中 产生的电流并且通过后级运放实现对弱电流信号的放大。三电极传感器的检测效率、灵敏度受偏 置电压影响明显；传感器对敏感气体的选择性同样会到偏置电压的影响；在应用过程中应该保持 偏置电压恒定。 图1 电化学传感器的典型组成 常见的三电极电化学传感器信号调理电路是由偏压电路单元、跨阻放大器单元组成；前者确保传 感器的最佳工作条件，后者实现对输出弱电流信号的放大。传统设计方案中，通常借助一个双通 道运放来实现设计。由于电化学传感器的输出对偏置电压敏感，因而需要偏压单元中的运放有较 低的失调电压及其较小的温漂特性，否则传感器的稳定性会受到明显影响；跨阻放大器实现对工 作电极输出弱小电流信号的放大，希望