安全第一！許多工業過程涉及到有毒化合物
，例如：製造塑料、農用化學品和醫藥產品會用到氯氣；生產半導體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費類包裝材料會釋放出氰化氫。因此
，了解有毒氣體濃度是否達到危險程度十分重要。

在美國，國家職業安全與健康研究所（NIOSH）和美國政府工業衛生學家會議（ACGIH）已規定了許多有毒工業氣體的短時間和長時間接觸限值。“閾限值—時間加權平均值”是指大多數工人可以在正常8小時工作日內反複接觸而不會受到有害影響的時間加權平均濃度。“閾限值—短時間接觸限值”（TLV-STEL）是指大多數工人可以短時間接觸而不會受到刺激或傷害的濃度。“立即威脅生命或健康的濃度”（IDLHC）是一種限製性濃度，它會對生命立即或緩慢產生威脅，導致不可逆轉的健康損害，或者影響工人獨立逃生的能力。表1列出了幾種常見氣體的限值。

對(dui)於(yu)檢(jian)測(ce)或(huo)測(ce)量(liang)有(you)毒(du)氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)的(de)儀(yi)器(qi)，電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)多(duo)項(xiang)優(you)勢(shi)。大(da)多(duo)數(shu)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)是(shi)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)氣(qi)體(ti)而(er)設(she)計(ji)，可(ke)用(yong)分(fen)辨(bian)率(lv)小(xiao)於(yu)氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)的(de)百(bai)萬(wan)分(fen)之(zhi)一(yi)（1 PPM），所需工作電流極小
，非常適合便攜式電池供電的儀器。電化學傳感器的一個重要特性是響應緩慢：首次上電後，傳感器可能需要數分鍾時間才能建立至最終輸出值；暴露於中間量程的氣體濃度時，傳感器可能需要25到40秒時間才能達到最終輸出值的90%。

本文描述一種使用電化學傳感器的便攜式一氧化碳（CO）探測器。一氧化碳的IDLH濃(nong)度(du)遠(yuan)高(gao)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)其(qi)它(ta)有(you)毒(du)氣(qi)體(ti)，處(chu)理(li)起(qi)來(lai)相(xiang)對(dui)更(geng)安(an)全(quan)。但(dan)一(yi)氧(yang)化(hua)碳(tan)仍(reng)然(ran)屬(shu)於(yu)致(zhi)命(ming)性(xing)氣(qi)體(ti)，測(ce)試(shi)本(ben)文(wen)所(suo)述(shu)電(dian)路(lu)時(shi)應(ying)極(ji)其(qi)小(xiao)心(xin)並(bing)采(cai)取(qu)適(shi)當(dang)的(de)通(tong)風(feng)措(cuo)施(shi)。

 
圖1. CO-AX一氧化碳傳感器

圖1所示為 Alphasense公司的CO-AX傳感器。表2是CO-AX傳感器技術規格摘要。

對(dui)於(yu)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)便(bian)攜(xie)式(shi)儀(yi)表(biao)，實(shi)現(xian)最(zui)長(chang)的(de)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)是(shi)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)目(mu)標(biao)，因(yin)此(ci)

，必(bi)須(xu)將(jiang)功(gong)耗(hao)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)，這(zhe)一(yi)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。在(zai)典(dian)型(xing)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)係(xi)統(tong)中(zhong)，測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)上(shang)電(dian)後(hou)執(zhi)行(xing)一(yi)次(ci)測(ce)量(liang)
，然(ran)後(hou)關(guan)斷(duan)進(jin)入(ru)長(chang)時(shi)間(jian)待(dai)機(ji)狀(zhuang)態(tai)。然(ran)而(er)
，在(zai)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)
，由(you)於(yu)電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)很(hen)長(chang)，測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)上(shang)電(dian)狀(zhuang)態(tai)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)
，因(yin)為(wei)響(xiang)應(ying)緩(huan)慢(man)

，所(suo)以(yi)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)微(wei)功(gong)耗(hao)放(fang)大(da)器(qi)
、高值電阻和低頻濾波器，從而將約翰遜噪聲和1/f噪聲降至最低。此外，單電源供電可避免雙極性電源的功率浪費現象。

圖2給出了該便攜式氣體探測器的電路。雙通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒電位配置（U2-A）和跨導配置（U2-B）下使用。該放大器的功耗和輸入偏置電流非常低，對於恒電位部分和跨導部分都是很好的選擇。每個放大器的功耗僅10 μA，因此電池壽命非常長。

圖2. 使用電化學傳感器的便攜式氣體探測器

感器

，通過一層薄膜後作用於工作電極（WE）。恒電位電路檢測參考電極（RE）的電壓，並向輔助電極（CE）提供電流
，使RE端與WE端之間的電壓保持恒定。RE端沒有電流流進或流出，因此流出CE端的電流流進WE端
，該電流與目標氣體濃度成正比。流過WE端的電流可能是正值
，也可能是負值，具體取決於傳感器中發生的是還原反應還是氧化反應。對於一氧化碳
，發生氧化時，CE端電流為負值（電流流入恒電位運算放大器的輸出端）。電阻R4通常非常小，因此WE端的電壓約等於VREF。

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流入WE端的電流會導致U2-A的輸出端產生相對於WE端的負電壓。對於一氧化碳傳感器


，此電壓通常為數百毫伏，但對於其它類型的傳感器，此電壓可能高達1 V。為采用單電源供電，微功耗基準電壓源 ADR291（U1）將整個電路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗僅12 μA
；它還能提供基準電壓，以使模數轉換器可對此電路的輸出進行數字化處理。

跨導放大器的輸出電壓為：
 
其中：

IWE 為流入WE端的電流。

Rf 為跨導電阻（在圖2中顯示為U4）。

傳感器的最大響應為90 nA/ppm
，如表2所示，其最大輸入範圍為2，000 ppm。因此，最大輸出電流為180 μA

，最大輸出電壓由跨導電阻決定，如公式2所示。
 
針對不同氣體或來自不同製造商的傳感器具有不同的電流輸出範圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271，erbushigudingdianzu
，jiukeyizhenduibutongdeqitichuanganqicaiyongxiangtongdejiegouhecailiao。ciwai，zheyangdechanpinhaizhichitiaohuanchuanganqi
，yinweiweikongzhiqikeyizhenduibutongdeqitichuanganqi，jiangAD5271設置為適當的電阻值。AD5271的溫度係數為5 ppm/°C
，優於大多數分立電阻；其電源電流為1 μA，對係統功耗的影響極小。

采用5 V單電源供電時
，根據公式1可知
，跨導放大器U2-B的輸出範圍為2.5 V。如果將AD5271設置為12.5 kΩ，就可以利用傳感器最差靈敏度情況下的範圍，並能提供大約10%的超量程能力。

使用65 nA/ppm的典型傳感器響應

，可以通過下式將輸出電壓轉換為一氧化碳的ppm：
 
采用差分輸入ADC時
，隻需將2.5 V基準電壓輸出端連接到ADC的AIN-端

，從而消除公式3中的2.5 V項。

電阻R4使跨導放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權衡兩個因素：噪聲增益的幅度和暴露於高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對於本電路
，R4 = 33 Ω
，由此可計算噪聲增益等於380，如公式4所示。
 
跨導放大器的輸入噪聲應乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p，因此輸出端的噪聲為：
 
該輸出噪聲相當於1.3 ppm p-p以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應非常慢，因此由R5和C6構成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率。此濾波器的時間常數為1秒，與傳感器的30秒響應時間相比可忽略不計。

Q1為P溝道JFET。電路啟動時
，柵極電壓為VCC，晶體管斷開。係統關斷時，柵極電壓降至0 V，JFET開啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當電路再次啟動時，這可以大大改善傳感器的開啟建立時間。

該電路由兩節AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護會浪費寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET （Q2）。該MOSFET通過阻塞反向電壓來保護電路

，施加正電壓時導通。MOSFET的導通電阻小於100 mΩ，因此它引起的壓降遠小於二極管。除AAA電池以外
，降壓-升壓調節器ADP2503還允許使用最高5.5 V的外部電源。在省電模式下工作時
，ADP2503的功耗僅38 μA。由L2、C12和C13gouchengdelvboqikexiaochumonidianyuanguichanshengderenhekaiguanzaosheng。lianjiewaibudianyuanshi
，gaiyibiaobushitongguoyigedianlulaiduankaidianchi，ershiliyongyigechakongyijixiefangshiduankaidianchi，congerbimiandiannenglangfei。

使用AAA電池時，正常情況（未檢測到氣體）下的總功耗約為100 μA，最差情況（檢測到2
，000 ppm CO）下的總功耗約為428 μA。如果該儀表與一個微控製器相連，在不進行測量時可進入低功耗待機模式，則電池壽命可達1年以上。