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气体检测仪和报警器运算放大器选型

2023-08-29

电化学传感器本质上就是一个电池，可以等效为一个大电容，输出微安级的电流。三电极电化学传感器需插入称之为“恒电位仪”（又称“三电极系统”）的电路中才能正常工作。高顿推荐恒电位仪使用增益带宽积较小（100kHz左右）、差模输入阻抗较小（10MΩ左右）、输入失调电压较小（＜300µV）的运算放大器，如OPA336、OP177、OP295等，这样可以有效抑制环境噪声耦合对恒电位仪的干扰，避免电路发生震荡引起漂移等问题。另外，应该避免使用劣质的运算放大器，引起恒电位仪工作不正常从而发生震荡、基线漂移等现象。
报警器数字发生漂移和传感器漂移是完全不同的两个概念。传感器漂移是指在没见到气体时传感器输出一个电流。自发型电化学传感器的性质决定其自身不可能发生漂移。电化学传感器的工作原理和燃料电池一样，依靠闻到CO等毒气提供能源而产生电流，因此没有气体存在传感器就不会输出电流，这和汽车不加汽油就不会跑是一个道理。有些终端客户一见气体报警器发生漂移现象了，立即就说传感器坏了，这是不清楚电化学传感器的工作原理而轻率下的错误结论。
那么报警器为什么有时会发生基线漂移现象呢？引起报警器发生漂移的原因主要有下面几点：
（1）传感器接脚和线路板上的接插件接触不良，恒电位仪类似于缺失了参比电极，参比电极端处于浮空（Floating）状态，因此参比电极的恒电位功能不能正常工作，三电极系统得到一个虚假的电位反馈信息，对工作电极的电位补偿将变得不可预知，工作电极和对电极之间的电位差处于不确定状态，有可能引发传感器内部发生电解水反应，产生电解电流，从而导致报警器漂移，严重时甚至假报警；正漂、负漂都有可能。注意，如果是工作电极或对电极断路或接触不良，通常见到的现象是基线为零，对气体没响应。因此，参比电极端发生接触不良等产生的后果最为严重。在此过程中由于发生电解反应，传感器可能会遭受永久性损坏或暂时性损坏；如果是暂时性损坏通常将传感器的工作电极和参比电极接脚短路后放置1天或更长就能恢复。
（2）选用增益带宽积太宽（例如：有达2-3MHz的）、差模输入阻抗太大的运算放大器，环境噪音容易耦合进电路发生震荡引起报警器漂移。电路设计中的参数不正确也会发生电路震荡等严重问题，例如，接工作电极的第一级运放的功能是电流电压转换器，如果反馈电阻的阻值太大，系统将很不稳定，引发震荡、漂移等问题。在这些问题发生时，传感器有可能遭受永久性损坏或暂时性损坏。
（3）使用质量低劣的运算放大器，引起恒电位仪工作不正常，从而发生基线漂移。同样，在此过程中传感器有可能遭受永久性或暂时性损坏。
（4）电路中有虚焊，引起恒电位仪工作不正常。可能产生的问题同上。
（5）长期在湿度大、有腐蚀性气体存在的环境里，线路板和所有接插部分又不气密，元器件、接插件发生腐蚀，局部产生“微电池”，这些“微电池”产生的电流进入放大电路，使恒电位仪和放大电路不能正常工作，产生各种各样无法预料的问题，如漂移、无响应、损坏传感器，等等。
（6）传感器发生电解液泄漏，流入线路板或接脚之间，引起短路等，使恒电位仪不能正常工作而发生漂移。传感器内部参比电极引线断路或接触不良（例如：传感器遭碰撞、摔打、跌落，或由于制造过程中的缺陷，等），恒电位仪实际上缺失了参比电极，参比电极端处于浮空状态，因此参比电极的恒电位功能不能正常工作。这一条是真正由于传感器本身问题造成的报警器漂移等问题。注意，如（1）所述，如果是工作电极或对电极的引线发生断路或接插处接触不良，产生的问题一般是没有响应。
（7）环境中存在干扰气体如NO2、SO2、CO、H2S等，来自雾霾、附近工厂排放、垃圾堆放、室内其它气源等。这种情况实际不是“漂移”，是真实的干扰气体存在。

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