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氣體檢測(cè)儀和報(bào)警器運(yùn)算放大器選型

2023-08-29

電化學(xué)傳感器本質(zhì)上就是一個(gè)電池，可以等效為一個(gè)大電容，輸出微安級(jí)的電流。三電極電化學(xué)傳感器需插入稱(chēng)之為“恒電位儀”（又稱(chēng)“三電極系統(tǒng)”）的電路中才能正常工作。高頓推薦恒電位儀使用增益帶寬積較小（100kHz左右）、差模輸入阻抗較小（10MΩ左右）、輸入失調(diào)電壓較?。ǎ?00μV）的運(yùn)算放大器，如OPA336、OP177、OP295等，這樣可以有效抑制環(huán)境噪聲耦合對(duì)恒電位儀的干擾，避免電路發(fā)生震蕩引起漂移等問(wèn)題。另外，應(yīng)該避免使用劣質(zhì)的運(yùn)算放大器，引起恒電位儀工作不正常從而發(fā)生震蕩、基線(xiàn)漂移等現(xiàn)象。
報(bào)警器數(shù)字發(fā)生漂移和傳感器漂移是完全不同的兩個(gè)概念。傳感器漂移是指在沒(méi)見(jiàn)到氣體時(shí)傳感器輸出一個(gè)電流。自發(fā)型電化學(xué)傳感器的性質(zhì)決定其自身不可能發(fā)生漂移。電化學(xué)傳感器的工作原理和燃料電池一樣，依靠聞到CO等毒氣提供能源而產(chǎn)生電流，因此沒(méi)有氣體存在傳感器就不會(huì)輸出電流，這和汽車(chē)不加汽油就不會(huì)跑是一個(gè)道理。有些終端客戶(hù)一見(jiàn)氣體報(bào)警器發(fā)生漂移現(xiàn)象了，立即就說(shuō)傳感器壞了，這是不清楚電化學(xué)傳感器的工作原理而輕率下的錯(cuò)誤結(jié)論。
那么報(bào)警器為什么有時(shí)會(huì)發(fā)生基線(xiàn)漂移現(xiàn)象呢？引起報(bào)警器發(fā)生漂移的原因主要有下面幾點(diǎn)：
（1）傳感器接腳和線(xiàn)路板上的接插件接觸不良，恒電位儀類(lèi)似于缺失了參比電極，參比電極端處于浮空（Floating）狀態(tài)，因此參比電極的恒電位功能不能正常工作，三電極系統(tǒng)得到一個(gè)虛假的電位反饋信息，對(duì)工作電極的電位補(bǔ)償將變得不可預(yù)知，工作電極和對(duì)電極之間的電位差處于不確定狀態(tài)，有可能引發(fā)傳感器內(nèi)部發(fā)生電解水反應(yīng)，產(chǎn)生電解電流，從而導(dǎo)致報(bào)警器漂移，嚴(yán)重時(shí)甚至假報(bào)警；正漂、負(fù)漂都有可能。注意，如果是工作電極或?qū)﹄姌O斷路或接觸不良，通常見(jiàn)到的現(xiàn)象是基線(xiàn)為零，對(duì)氣體沒(méi)響應(yīng)。因此，參比電極端發(fā)生接觸不良等產(chǎn)生的后果最為嚴(yán)重。在此過(guò)程中由于發(fā)生電解反應(yīng)，傳感器可能會(huì)遭受永久性損壞或暫時(shí)性損壞；如果是暫時(shí)性損壞通常將傳感器的工作電極和參比電極接腳短路后放置1天或更長(zhǎng)就能恢復(fù)。
（2）選用增益帶寬積太寬（例如：有達(dá)2-3MHz的）、差模輸入阻抗太大的運(yùn)算放大器，環(huán)境噪音容易耦合進(jìn)電路發(fā)生震蕩引起報(bào)警器漂移。電路設(shè)計(jì)中的參數(shù)不正確也會(huì)發(fā)生電路震蕩等嚴(yán)重問(wèn)題，例如，接工作電極的第一級(jí)運(yùn)放的功能是電流電壓轉(zhuǎn)換器，如果反饋電阻的阻值太大，系統(tǒng)將很不穩(wěn)定，引發(fā)震蕩、漂移等問(wèn)題。在這些問(wèn)題發(fā)生時(shí)，傳感器有可能遭受永久性損壞或暫時(shí)性損壞。
（3）使用質(zhì)量低劣的運(yùn)算放大器，引起恒電位儀工作不正常，從而發(fā)生基線(xiàn)漂移。同樣，在此過(guò)程中傳感器有可能遭受永久性或暫時(shí)性損壞。
（4）電路中有虛焊，引起恒電位儀工作不正常?？赡墚a(chǎn)生的問(wèn)題同上。
（5）長(zhǎng)期在濕度大、有腐蝕性氣體存在的環(huán)境里，線(xiàn)路板和所有接插部分又不氣密，元器件、接插件發(fā)生腐蝕，局部產(chǎn)生“微電池”，這些“微電池”產(chǎn)生的電流進(jìn)入放大電路，使恒電位儀和放大電路不能正常工作，產(chǎn)生各種各樣無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題，如漂移、無(wú)響應(yīng)、損壞傳感器，等等。
（6）傳感器發(fā)生電解液泄漏，流入線(xiàn)路板或接腳之間，引起短路等，使恒電位儀不能正常工作而發(fā)生漂移。傳感器內(nèi)部參比電極引線(xiàn)斷路或接觸不良（例如：傳感器遭碰撞、摔打、跌落，或由于制造過(guò)程中的缺陷，等），恒電位儀實(shí)際上缺失了參比電極，參比電極端處于浮空狀態(tài)，因此參比電極的恒電位功能不能正常工作。這一條是真正由于傳感器本身問(wèn)題造成的報(bào)警器漂移等問(wèn)題。注意，如（1）所述，如果是工作電極或?qū)﹄姌O的引線(xiàn)發(fā)生斷路或接插處接觸不良，產(chǎn)生的問(wèn)題一般是沒(méi)有響應(yīng)。
（7）環(huán)境中存在干擾氣體如NO2、SO2、CO、H2S等，來(lái)自霧霾、附近工廠(chǎng)排放、垃圾堆放、室內(nèi)其它氣源等。這種情況實(shí)際不是“漂移”，是真實(shí)的干擾氣體存在。

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