低功耗有毒气体探测器的设计

　　在美国，国家职业安全与健康研究所（NIOSH）和美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）已规定了许多有毒工业气体的短时间和长时间接触限值。“阈限值—时间加权平均值”（TLV-TWA）是指大多数工人可以在正常8小时工作日内反复接触而不会受到有害影响的时间加权平均浓度。“阈限值—短时间接触限值”（TLV-STEL）是指大多数工人可以短时间接触而不会受到刺激或伤害的浓度。“立即威胁生命或健康的浓度”（IDLHC）是一种限制性浓度，它会对生命立即或缓慢产生威胁，导致不可逆转的健康损害，或者影响工人独立逃生的能力。表1列出了几种常见气体的限值。

表1. 几种常见气体的限值

　　对于检测或测量有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一（1 PPM），所需工作电流极小，非常适合便携式电池供电的仪器。电化学传感器的一个重要特性是响应缓慢：首次上电后，传感器可能需要数分钟时间才能建立至最终输出值；暴露于中间量程的气体浓度时，传感器可能需要25到40秒时间才能达到最终输出值的90%。

　　本文描述一种使用电化学传感器的便携式一氧化碳（CO）探测器。一氧化碳的IDLH浓度远高于大多数其它有毒气体，处理起来相对更安全。但一氧化碳仍然属于致命性气体，测试本文所述电路时应极其小心并采取适当的通风措施。

图1. CO-AX一氧化碳传感器

　　图1所示为 Alphasense公司的CO-AX传感器。表2是CO-AX传感器技术规格摘要。

表2. CO-AX传感器技术规格

　　对于这种应用中的便携式仪表，实现最长的电池寿命是最重要的目标，因此，必须将功耗降到最低，这一点至关重要。在典型的低功耗系统中，测量电路上电后执行一次测量，然后关断进入长时间待机状态。然而，在这种应用中，由于电化学传感器的时间常数很长，测量电路必须始终保持上电状态。幸运的是，因为响应缓慢，所以我们可以使用微功耗放大器、高值电阻和低频滤波器，从而将约翰逊噪声和1/f噪声降至最低。此外，单电源供电可避免双极性电源的功率浪费现象。

　　图2给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒电位配置（U2-A）和跨导配置（U2-B）下使用。该放大器的功耗和输入偏置电流非常低，对于恒电位部分和跨导部分都是很好的选择。每个放大器的功耗仅10 μA，因此电池寿命非常长。

图2. 使用电化学传感器的便携式气体探测器

　　在三电极电化学传感器中，目标气体扩散到传感器，通过一层薄膜后作用于工作电极（WE）。恒电位电路检测参考电极（RE）的电压，并向辅助电极（CE）提供电流，使RE端与WE端之间的电压保持恒定。RE端没有电流流进或流出，因此流出CE端的电流流进WE端，该电流与目标气体浓度成正比。流过WE端的电流可能是正值，也可能是负值，具体取决于传感器中发生的是还原反应还是氧化反应。对于一氧化碳，发生氧化时，CE端电流为负值（电流流入恒电位运算放大器的输出端）。电阻R4通常非常小，因此WE端的电压约等于VREF.

　　流入WE端的电流会导致U2-A的输出端产生相对于WE端的负电压。对于一氧化碳传感器，此电压通常为数百毫伏，但对于其它类型的传感器，此电压可能高达1 V。为采用单电源供电，微功耗基准电压源 ADR291（U1）将整个电路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗仅12 μA；它还能提供基准电压，以使模数转换器可对此电路的输出进行数字化处理。

　　跨导放大器的输出电压为：

　　

　　其中：

　　IWE 为流入WE端的电流。

　　Rf 为跨导电阻（在图2中显示为U4）。

　　传感器的最大响应为90 nA/ppm，如表2所示，其最大输入范围为2，000 ppm。因此，最大输出电流为180 μA，最大输出电压由跨导电阻决定，如公式2所示。

　　

　　针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围。如果U4使用可编程变阻器AD5271，而不是固定电阻，就可以针对不同的气体传感器采用相同的结构和材料。此外，这样的产品还支持调换传感器，因为微控制器可以针对不同的气体传感器，将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271的温度系数为5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为1 μA，对系统功耗的影响极小。

　　采用5 V单电源供电时，根据公式1可知，跨导放大器U2-B的输出范围为2.5 V。如果将AD5271设置为12.5 kΩ，就可以利用传感器最差灵敏度情况下的范围，并能提供大约10%的超量程能力。

　　使用65 nA/ppm的典型传感器响应，可以通过下式将输出电压转换为一氧化碳的ppm：

　　

　　采用差分输入ADC时，只需将2.5 V基准电压输出端连接到ADC的AIN-端，从而消除公式3中的2.5 V项。

电阻R4使跨