本文主要是關于lmp91000的相關介紹，并著重對lmp91000在電化學傳感器電極故障檢測中的應用進行了詳盡的闡述。

電化學傳感器

1.電化學氣體傳感器

電化學傳感器通過與分析物反應并產生電信號進行操作。大多數電化學氣體傳感器是電流傳感器，產生與氣體濃度成線性比例的電流。電流測量傳感器的原理是測量未建立平衡的電化學電池中的電流 - 電勢關系。電流與通常使用另一個電極（所謂的參考電極）保持恒定電位的感測電極（也稱為工作電極）的電解過程的速率定量相關

2.工作原理

一個電化學氣體傳感器的工作原理如下：與傳感器接觸的目標氣體分子首先通過一個防止冷凝的隔膜，它也起到防塵的作用。那么氣體分子通過毛細管擴散，可能通過隨后的過濾器，然后通過疏水膜到達感測電極的表面。在那里分子立即被氧化或還原，從而產生或消耗電子，從而產生電流。

重要的是要注意，用這種方法進入傳感器的氣體分子的量受到通過毛細管擴散的限制。通過優化路徑，根據期望的測量范圍，獲得適當的電信號。感測電極的設計對于實現對目標氣體的高反應性并抑制對干擾氣體的不希望響應是至關重要的。它涉及固體，液體和氣體三個階段的系統，并且都涉及分析物氣體的化學識別。致力于量身定制該系統并獲得高性能的氣體傳感器。電化學電池通過平衡感測電極處的反應的所謂反電極--Cont電極完成。Cont電極與Sen電極之間的離子電流由傳感器主體內的電解質傳送，而電流路徑通過以銷連接器終止的導線提供。通常在電化學傳感器（3電極傳感器）中包含第三電極。所謂的參考電極用于將感測電極的電勢保持在固定值。為此并且通常用于電化學傳感器的操作，需要恒電位電路。

3.傳感器信號

傳感器信號一個氣體傳感器的輸出信號對應于氣體的濃度而不是其分壓。因此，可以在不同高度甚至地下使用一個傳感器，而不管在哪個大氣壓力下校準裝置。傳感器輸出和壓力相關性的更深入和科學的解釋可以在文件mem4中找到。

lmp91000 在電化學傳感器電極故障檢測中的應用

1 電化學傳感器及其信號調理電路 電化學氣體傳感器的工作原理和原電池的原理相類似，當敏感氣體擴散進入傳感器內部發生氧化 還原反應，其化學反應過程中輸出的電荷載流子與氣體濃度成正比。多數情況下，三電極的傳感 器應用更為廣泛，相比于早期兩電極的氣體傳感器，三電極氣體傳感器的檢測靈敏度高、更容易 穩定而且可實現高濃度檢測。圖-1 是電化學傳感器及其信號調理電路的簡要組成示意，其中傳感 器（SENSOR）部分給出了三電極化學傳感器的電極組成與其等效電路，在電路中運放的作用使得 參考電極（RE）相對于工作電極（WE）保持恒定電位，工作電極（WE）收集敏感氣體在反應中 產生的電流并且通過后級運放實現對弱電流信號的放大。三電極傳感器的檢測效率、靈敏度受偏 置電壓影響明顯；傳感器對敏感氣體的選擇性同樣會到偏置電壓的影響；在應用過程中應該保持 偏置電壓恒定。

常見的三電極電化學傳感器信號調理電路是由偏壓電路單元、跨阻放大器單元組成；前者確保傳 感器的最佳工作條件，后者實現對輸出弱電流信號的放大。傳統設計方案中，通常借助一個雙通 道運放來實現設計。由于電化學傳感器的輸出對偏置電壓敏感，因而需要偏壓單元中的運放有較 低的失調電壓及其較小的溫漂特性，否則傳感器的穩定性會受到明顯影響；跨阻放大器實現對工 作電極輸出弱小電流信號的放大，希望運放的偏置電流較小，否則疊加在傳感器輸出電流上輸出 偏置電流使得輸出存在較大的零偏誤差。根據上述分析，所選雙運放的特性應該同時滿足低失調 電壓、小偏置電流、低功耗，很多時候同時滿足上述條件的雙運放型號非常有限。

由于電化學傳感器自身特點，在傳感器制造完成后通常需要金屬短路帽短接輸出以防止電荷積 累，否則在傳感器投入使用后出現較長時間的老化（stabilisation）過程；對于一些零偏置電壓的 傳感器同樣也需要短路帽維持電勢的恒定；對于非零偏置電壓的傳感器，在制造完成后直至最終 現場啟用前均要求維持偏置電壓，否則同樣會出現長時間的老化過程。為了防止傳感器裝配出差 錯、確保使用中的傳感器特性沒有明顯劣化，需要對傳感器的電極連接狀態進行監測，這也是安 全使用的必要措施。很明顯，基于傳統雙運放的方案在實現此類功能時，設計和調測上很大的挑 戰，一些基于其他分立器件實現的故障檢測方案往往也難以解決調測與器件一致性的問題。

其內部有偏置電壓發生器、跨阻放大器兩個功能單元，每個單元的工作參數可以通過 I2C 總 線實現編程配置，從而可以靈活適應不同的特性傳感器的應用。為了方便溫度補償的實現， 在其片上集成有半導體溫度傳感器，其溫度信號輸出可以分時輸出或者單獨輸出。 LMP91000 的內部功能框圖，如下圖-2 所示。相比于傳統的雙運放的方案，LMP91000 具有 明顯的低功耗，平均功耗僅 10uA；PCB 封裝面積小，僅 5x5mm;靈活性高，可編程設定功能 單元所需工作參數點。

如上所述，應用中偏置電壓對電化學傳感器工作狀態影響很大，當偏置電壓發生微小變化 時則對應輸出電流會明顯變化，該現象可以從電化學傳感器的等效電路中找到解釋，由于電 極間等效的電容較大，微小的電壓變化趨勢，會在電極間產生較大的電流流動試圖抵抗這種 變化。如果這種偏壓變化較小，而且持續時間較短則不會對電極造成影響，如電極極化。通 常可借助該原理實現對電極連接狀態檢測，尤其是在 LMP91000 上實現該功能較為簡單，只 需要通過 I2C 總線快速動態配置傳感器的偏置電壓，產生人為擾動偏置電壓；在過程中實時 監測出傳感器電壓變化趨勢即可。

2 電化學傳感器電極故障檢測

LMP91000 內部工作參數可隨時、靈活配置的特性，可以方便地實現電化學傳感器電極故障 檢測。以下測試以下電極故障功能的測試在 LMP91000 評估板以及對應 GUI 軟件上完成的， 所采用的電化學傳感器是雙電極的一氧化碳傳感器。實驗中對傳感器功能正常、傳感器電極 短路、傳感器缺失三種情況進行了測試，以下是各種情況下傳感器輸出電壓的波形與數據特 征說明。

2.1 傳感器正常使用 該測試是檢測傳感器功能是否正常，下圖-3 與圖-4 分別表示啟用 GUI 中 Sensor Check 功能前后 傳感器輸出電壓的情況。下圖-3 是傳感器正常應用中的輸出情況，可見其輸出信號相對平滑，注 此時未啟用 Sensor Check 功能。

圖-4 對應啟動了 Sensor Check 功能后 LMP91000 輸出。輸出電壓從原先正常值開始跌落并在低位 維持一段時間然后輸出電壓向正常值爬升。仔細觀察輸出電壓波形，可以發現回升電壓有一個較為 明顯的過沖，相比于正常電壓大約有 300mV 的過沖，然后開始緩慢回落至正常范圍。輸出過沖的 幅度以及最終恢復的時間和傳感器等效阻抗特性有關，輸出的正常值可以通過其均值來表示。

2.2 傳感器電極短路 傳感器電極短路是常見的一類安裝錯誤，此時會對應電極短路的故障狀態。圖-5 是傳感器電極短 路后啟用故障檢測后的輸出情況，和正常應用時的輸出非常類似。此時的輸出電壓同樣經歷跌 落、維持、回升三個階段，只是回升后的電壓沒有過沖現象存在。

2.3 傳感器缺失 傳感器缺失或者脫落是另一種常見的電極連接故障，圖-6 和圖-7 分別是啟用故障檢測功能前后傳 感器輸出電壓的情況。相比于正常使用時的輸出，傳感器缺失后輸出信號噪聲成份明顯，輸出電 壓起伏較大；啟用故障檢測后，傳感器輸出特性沒有明顯變化而且也沒有電壓跌落、爬升現象出 現。輸出電壓的起伏程度，可借助采樣值期望均值以及均方差來輔助判斷。

3 電極故障檢測的數據分析算法

以上測試給出了電化學傳感器的常見電極故障下對應的輸出波形，并對各自輸出特性進行了 簡要分析，以下是一種可供參考數據分析處理流程。主要實現方法是啟用故障檢測功能后對 采集到的所有數據進行遍歷查找，找出其各種變化沿的特征信息并存儲，根據其跳變沿特征 以及是否存在過沖等特點區分各種對應的故障。啟動故障檢測時，可以在單片機可以通過 I2C 接口修改 LMP91000 內部 REFCN 寄存器，從而實現對傳感器偏置電壓的改變，偏置電 壓的維持時間長短可以通過定時器來控制；定時結束后開始對輸出數據的分析。

因為電化學傳感器自身復雜物理化學特性使其對偏置電壓變化的敏感，借助 LMP91000 可編 程特點來產生人為偏置電壓擾動來從而實現對電極狀態檢測。考慮到實際應用中氣體濃度不 會急速變化導致輸出出現跳變，因而有別于正常輸出信號，這樣通過 LMP91000 就使得電極 故障檢測功能得以快速實現。需要強調的一點，故障檢測中偏壓變化的幅度以及持續時間應 該有嚴格限制，防止對傳感器本身造成可能的損壞。此外，三電極電化學傳感器的故障檢測 和兩電極非常類似，其對應輸出特性也基本一致。

結語

關于lmp91000的相關介紹就到這了，如有補足之處歡迎指正。

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