免费领取精确测量与传感解决方案特刊电子版

 admin   2020-10-13 07:40   11 人阅读  0 条评论
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下文节选自《精确测量与传感解决方案特刊》中《适用于恶劣工业环境下时限通信的可靠以太网物理层解决方案》一文,立即扫码阅读下载全书(无需注册或登录)。

技术挑战

设计先进气体检测系统需要克服的技术挑战可以分为三类,分别对应于系统生命周期的不同阶段。

首先是传感器制造挑战,例如制造可重复性以及传感器的表征和校准。制造过程本身虽然已高度自动化,但不可避免地会给每个传感器带来差异。由于这些差异,传感器必须在生产过程进行表征和校准。

其次,在系统的整个生命周期中都存在技术挑战。这包括系统架构优化,例如信号链设计或功耗考虑。另外,工业应用中特别注重电磁兼容性(EMC)和功能安全合规性,这会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用,并对保持所需性能和使用寿命提出了挑战。电化学传感器在其使用寿命期间会老化和漂移(这是这种技术的本性),导致需要频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行,性能的变化会进一步加速,如本文后面所述。在延长传感器使用寿命的同时保持其性能,是许多应用的关键要求之一,尤其是在系统拥有成本至关重要的情况下。

第三,即使采用了延长使用寿命的技术,所有电化学传感器最终都会达到其生命终点,此时性能不再满足要求,需要更换传感器。有效检测寿命结束条件是一个挑战,若能解决这个挑战,便可减少不必要的传感器更换,从而大幅降低成本。更进一步,若能准确预测传感器何时将失效,气体检测系统的运行成本将会降低更多。

在全部气体检测应用中,电化学气体传感器的利用率都在增加,这给此类系统的物流、调试和维护带来了挑战,导致总拥有成本增加。因此,人们采用具有诊断功能的专用模拟前端来减少技术缺点(主要是传感器寿命有限)带来的影响,确保气体检测系统长期可持续且可靠。

信号链集成降低设计复杂性

传统信号链大多采用独立的模数转换器、放大器和其他构建模块设计,相当复杂,迫使设计人员在功效比、测量精度或信号链占用的PCB面积上做出折衷。

这种设计挑战的一个例子是具有多气体配置、可测量多种目标气体的仪器。每个传感器可能需要不同的偏置电压才能正常运行。此外,每个传感器的灵敏度可能不同,因此必须调整放大器的增益以使信号链性能最大化。对设计人员而言,仅这两个因素就增加了可配置测量通道(其应能与不同传感器接口而无需更改 BOM 或原理图)的设计复杂度。单个测量通道的简化框 图如图1所示。

图1. 典型电化学气体传感器信号链(简图)

就像任何其他电子系统一样,集成是演进中的一个逻辑步骤,通过集成可设计出更高效、更强大的解决方案。集成的单芯片气体检测信号链通过集成TIA(互阻放大器)增益电阻或将数模 转换器用作传感器偏置电压源等措施来简化系统设计(如图2所示)。由于信号链集成,测量通道可以通过软件来全面配置,以与众多不同类型的电化学传感器接口,同时降低设计的复杂 性。此外,这种集成信号链的功率要求也明显降低,这对于以电池寿命为关键考虑因素的应用至关重要。最后,由于降低了信号链的噪声水平,并且有可能利用性能更好的信号处理器件(如TIA或ADC),因此测量精度得以提高。

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图2. 双通道集成气体检测信号链(简图)

回顾多气体仪器的例子,信号链集成使其能够:

  • 实现完全可配置的测量通道,同时降低信号链的复杂性,从而轻松重用单个信号链设计
  • 减少信号链占用的PCB面积
  • 降低功耗
  • 提高测量精度

传感器劣化与诊断

电子书精彩内容:

  • 解决电化学气体检测的技术挑战
  • 电路笔记:具有传感器诊断功能的电化学气体测量系统
  • 使用高精度仪表放大器进行远程检测

技术白皮书下载:

  • 真能通过运算放大器实现ppm精度吗?
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