alphasense有毒气体电路设计.doc

Alphasense应用笔记 AAN105-03 设计恒电位电路 介绍： 在三电极传感器中，每个电极都有特殊的用途： 工作电极：对目标气体做出反应，氧化或还原目标气体，产生与气体浓度成比例的电流。该电流必须通过反向电极提供给传感器。 参考电极：恒电位电路使用该电极保持工作电极处于固定的电位。对于无偏差电压传感器，工作电极电位必须保持与参考电极电位相同，而对于需要偏差电压的传感器就要有一个偏移量。 反向电极：反向电极与工作电极构成电路。如果工作电极正处于氧化反应，反向电极就还原某种化学物质（通常为氧气），如果工作电极正在还原目标气体，反向电极就起氧化反应。反向电极的电位允许浮动，有时随气体浓度增加而变化。反向电极的电位不重要，只要恒电位电路能提供充足的电压和电流，保持工作电极的电位与参与电极的电位相同即可。 图1是偏差电压为0的恒电位电路的电路图。在下面的讨论中请参考本图。 图1为零偏差电压有毒气体传感器的首选电路。ICS需要+，-双向电源，而不是单向的。 典型的恒电位电路由三个部分组成： 带偏差电压的控制电路（如需要） 电流测量电路 当电源关断时，短路FET使工作电极与参考电极相连 控制电路 控制工作放大器（图1中的IC2）向反向电极提供电流，来平衡工作电极所需电流。 IC2的反向输入连到参考电极，一定不要从参考电极汲取任何大电流。我们建议使用输入偏差电流小于5nA的工作放大器。 当电路接通电源时，损耗方式JFET（图1中的Q1）转到高阻抗状态。IC2提供电流，保持工作电极的电流与参考电极的电位相同。IC2输入偏差电压的任何偏移量将会引起通电时电位的突变。因为，有毒气体传感器电容大，大电流可通过而只引起小的电位变化，这样确保工作放大器的电压偏移量小，确保小于1mV，最好小于100μV；同时要检查在最高使用温度时的工作放大器偏移电压。 一般，对于可氧化气体（例如CO），（参考电极为铂时）反向电极相对于地电位为-300到-400mv。然后，如果被还原的是氢离子，而不是氧分子，那么该电位就大到-1.05v。同时，还原气体（例如NO2或CL2）迫使反向电极氧化水，进化氧气；在这种情况下，相对于参考电极的电位在+600和+800mv之间，这取决于参考电极的类型。因此必须让IC2有足够的摆动电压，驱动平衡电路达到所需电压和传感器所需的充足电流。如果该电路做不到这一点，那么在气体浓度较高时就会产生严重非线性。最好允许IC2有+/-1.1V的摆动。（加上任何施加的偏差电压）。这意味着对于CO或H2S传感器，反向电极一般需要在低于接地点的-350mv。所以IC2需要负的输入。如果你正在使用单端低压电源，要特别注意工作放大器在所需电流时的可用输出摆动。 表1为各个类型传感器输出最大稳定状态的电流。在满量程没有一个传感器输出210μA 的电流，但是对于一般目的的电路允许至少500μA的电流，尽管对于特殊的良好测试的传感器/电路组合体，该参数可能会被降低。 注意：当有电活性气体，接通电路电源时，或当传感器首次接通时，传感器可能会输出几个mA的浪涌电流。引起IC1夹紧，这取决于IC1的电流驱动能力；在如此大的电流瞬变期间，在具有大的反馈电阻反向输入时，IC1要维持虚地是不可能的。 控制电路中，电路的稳定性和噪音减少取决于R1，R2，C1和C2，对于某种工作放大器C2可能是不必要的。如果去掉C2，那么C1可能增加到50和100nf。建议工作放大器为OP90（单工作放大器）和OP296（双工作放大器） 偏差电压：通常，Alphasense有毒气体传感器工作在零偏差电压方式下，然而，某些传感器，例如NO传感器，需要偏差电压；一般为+/-150或300mv，同时，对某种气体的交叉灵敏度由于加了偏差电压而增加。 注意：如果加的偏差电压不正确，性能会被降低，记住将偏差电压加到不该加偏差电压的传感器上会引起传感器损坏。当然，传感器的保修期也就不存在了。对更进一步的建议请向Alphasense咨询。 如果你希望加一个偏差电压，要确保偏差电压是稳定的。即使是几个 mv的变化都会影响灵敏度。偏差电压仅几个mv的突变，传感器的输出上瞬变响应就会达几个小时。给传感器加偏压的简单方法如图2所示，可去掉接地的10K电阻，以减小Vbias上的电流。 图2，加偏差电压到工作放大器 当仪器关断时，应保持偏压的存在，通常用一直开启的纽扣电池实现。在这种情况下，IC2的输入偏移量不是很关键，但要保持随温度变化的漂移很小。 电流测量电路 测量电路是在互导倒数配置中的一个单级放大器（IC1），传感器电流反应在流过R4的电流，产生相对于虚地的输出电压，C3减小高频噪音，有时使用两级放大器来输出所需电流，第一级使用低阻值的R4，使电路在瞬变情况下产生电流，然后第二个电压增益级输出所需电流。IC1输