“十面霾伏”，ADI專家解讀氣體監(jiān)測技術(shù)趨勢和解決方案

近段時(shí)間，全國各地集中出現(xiàn)霧霾天氣，PM2.5爆表，口罩脫銷，空氣嚴(yán)重污染……一度成為網(wǎng)絡(luò)的熱門關(guān)鍵詞。一時(shí)之間，環(huán)境監(jiān)測相關(guān)設(shè)備備受關(guān)注。日前，在一場由易維訊信息咨詢公司主辦的“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會(huì)”上，ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場經(jīng)理葉裕民（Brian）先生做了題為“環(huán)境監(jiān)測中氣體監(jiān)測的技術(shù)以及發(fā)展趨勢”的演講，這在眼下灰霾圍城的敏感時(shí)期，引發(fā)了在場各媒體及嘉賓的高度關(guān)注。

圖1.ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場經(jīng)理葉裕民在“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會(huì)”上分析氣體監(jiān)測技術(shù)趨勢。

Brian指出，最近變得非常熱門的空氣污染防治，主要是顆粒物PM (Particulate Matter) 監(jiān)測。PM2.5是特指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是嚴(yán)重危害人體健康的污染物已經(jīng)被科學(xué)證實(shí)，新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》頒布后， 至2012年9月，已有195個(gè)站點(diǎn)完成PM2.5儀器安裝調(diào)試并試運(yùn)行，有138個(gè)站點(diǎn)開始正式PM2.5監(jiān)測并發(fā)布數(shù)據(jù)。

前段時(shí)間全國各地PM2.5“爆表門”事件發(fā)生后，對該行業(yè)來說無疑是一股猛烈的催化劑，將快速幫助該市場實(shí)現(xiàn)從試點(diǎn)到規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，全國將建設(shè)1500個(gè)PM2.5監(jiān)測站點(diǎn)。僅此一項(xiàng)，將產(chǎn)生20億元以上空氣監(jiān)測儀器采購市場，預(yù)計(jì)在近兩年內(nèi)，僅該市場相關(guān)監(jiān)測儀器市場規(guī)模將遠(yuǎn)超百億元。

Brian還強(qiáng)調(diào)，其實(shí)氣體監(jiān)測器除了用于空氣污染防治，還有另一大重要應(yīng)用就是工業(yè)安全領(lǐng)域。許多工業(yè)過程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、農(nóng)用化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品會(huì)用到氯氣；生產(chǎn)半導(dǎo)體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費(fèi)類包裝材料會(huì)釋放出氰化氫。因此，了解有毒氣體濃度是否達(dá)到危險(xiǎn)程度十分重要。

為符合人體對有毒氣體的暴露劑量限制, 氣體監(jiān)測器需要檢測出ppm(百萬分之一)等級濃度的有毒氣體, 如一氧化碳。為此，安全法規(guī)要求危險(xiǎn)工作場所, 像是煤礦、化學(xué)工廠等, 必須在一定空間內(nèi)裝置有毒氣體與易爆氣體監(jiān)測器；而便攜式氣體檢測器則可佩帶在工人的服裝上，隨時(shí)隨地提供危險(xiǎn)警報(bào)。

圖2：包括氣體監(jiān)測在內(nèi)的各種環(huán)境監(jiān)測設(shè)備市場高速成長，發(fā)展趨勢包括：便攜式（低功耗）、高可靠、易用、多功能等。

Brian指出：“環(huán)境監(jiān)測是一個(gè)高成長的市場，因?yàn)榇蠹叶紝ι硖幍沫h(huán)境和危害身體健康、生命安全的部分越來越重視。在氣體監(jiān)測儀器產(chǎn)品方面，很多中國儀器儀表中小企業(yè)產(chǎn)品賣得不錯(cuò)，目前是一個(gè)百家爭鳴的狀況?！?/P>

氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

圖3所示這種毒氣監(jiān)測器系統(tǒng)可以讓工人隨身攜帶，也可每隔一定距離安裝在工作現(xiàn)場。多數(shù)便攜式低功耗有毒氣體檢測器都是以電化學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的，涵蓋工業(yè)環(huán)境中的多數(shù)常見氣體，比如一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、和二氧化氮(NO2)。與其他有毒氣體監(jiān)測方法相比，電化學(xué)傳感器具有功耗低、交叉靈敏度低、長期穩(wěn)定性出色等特點(diǎn)，非常適合電池供電的便攜式應(yīng)用。

圖3. 一種毒氣監(jiān)測器的系統(tǒng)框圖，其中包括氣體傳感器、恒壓電路、I/V電路(電流-電壓轉(zhuǎn)換)、微控制器、供電電路、接口和報(bào)警單元。

對于圖3中的電化學(xué)傳感器，工作電極(WE)檢測有毒氣體，并根據(jù)氣體濃度按比例產(chǎn)生電流，參考電極(RE)使工作電極的電壓保持穩(wěn)定，以便傳感器工作于線性范圍之內(nèi)，輔助電極(CE)可以使WE節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的電流達(dá)到平衡。恒電位電路保持RE節(jié)點(diǎn)電壓，并提供CE節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的電流。I/V電路把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送至ADC(無論是集成在MCU中還是分立式)。包括LCD和鍵陣列在內(nèi)的人機(jī)接口用于系統(tǒng)設(shè)置和顯示。LED、蜂鳴器和振動(dòng)電機(jī)有助于提高警報(bào)的可靠性。

“氣體監(jiān)測技術(shù)的瓶頸在于氣體傳感器本身。因?yàn)闅怏w傳感器技術(shù)上的限制，就使得可以輸入的信號比較微弱。很多放大器可能會(huì)有誤差，這就可能會(huì)對偏置電流造成問題。如果本身器件的噪聲誤差已經(jīng)大于傳感器感測到的信號，那么測量的結(jié)果一定是不準(zhǔn)的?！?/P>

Brian進(jìn)一步指出：“如檢測PM2.5時(shí)可能會(huì)用光的方式，即光電二極管也會(huì)產(chǎn)生非常小的電流，還有它本身的功耗。而我們一旦安置了氣體監(jiān)測儀器之后，通常希望能夠長時(shí)間的穩(wěn)定，且不需要經(jīng)過校準(zhǔn)就能夠長時(shí)間使用，所以氣體監(jiān)測儀器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪聲是氣體監(jiān)測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的主要挑戰(zhàn)?！?

1、 低功耗——由于有毒氣體檢測需要在盡可能無需維護(hù)的情況下持續(xù)地對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。因而，盡量延長電池壽命對這種應(yīng)用來說是非常重要的。由于電化學(xué)氣體傳感器只需極少電流即可工作，因此剩下的信號調(diào)理和數(shù)據(jù)傳輸電路在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2、 高可靠性——在某些工業(yè)環(huán)境中，人的生命依賴于有毒氣體檢測器，為此這些檢測器需要高度可靠。高精度、抗干擾能力以及出色的長期穩(wěn)定性，這些都是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的重要因素。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要精確、強(qiáng)健、低漂移的信號鏈。

3、 降低噪聲——為了充分發(fā)揮電化學(xué)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)信號鏈時(shí)需要考慮降噪問題。

高分辨率、低噪聲、低功耗的ADI氣體監(jiān)測最新方案

針對以上客戶在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所遇到的挑戰(zhàn)，ADI提供了完整多樣的信號鏈器件、最新的實(shí)驗(yàn)室電路原理圖、物料清單和演示電路板，幫助客戶能夠以最快時(shí)間完成自己產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并快速推向市場。相比較其他廠商的單片集成方案，ADI的分立方案帶來了設(shè)計(jì)靈活的天然優(yōu)勢。在一些干擾較大的工作環(huán)境，其方案的靈活性還可以方便客戶完成抗干擾的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

以一個(gè)ADI已經(jīng)可以提供給客戶的實(shí)驗(yàn)室電路CN0234——“使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測器”（ http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0234/vc.html ）為例：

1.低功耗——正常條件下，實(shí)驗(yàn)室電路中的ADI放大器、dc-to-dc轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源需要消耗大約100μA的電流。單電源工作模式可以避免雙極電源的功耗浪費(fèi)問題。

2.高可靠性——ADI致力于提供精確、低漂移的信號鏈產(chǎn)品，如放大器、基準(zhǔn)電壓源和ADC等，以幫助設(shè)計(jì)師構(gòu)造出精確、穩(wěn)定的系統(tǒng)。相應(yīng)的產(chǎn)品列于下面的主產(chǎn)品表中。另外，運(yùn)算放大器反饋回路上RC (R1、R2、C1、C2)濾波器、串聯(lián)電阻Rs和反饋電容Cf將使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，以抵消氣體傳感器極大的電容(mF量級)帶來的影響。

3.降低噪聲——由于受傳感器限制的慢速響應(yīng)(約30秒)，ADC之前的RC (R3、C3)濾波器的截止頻率可以設(shè)為極低水平很低。不但可以降低系統(tǒng)的白噪聲，而且也可降低1/f噪聲，從而優(yōu)化系統(tǒng)分辨率。關(guān)于ADC分辨率，ADI提供多種選擇，例如分立式16位ADC和集成在MCU里的12位ADC。

CN0234實(shí)驗(yàn)室電路的放大器是采用雙通道微功耗放大器ADA4505-2，具有軌對軌輸入與輸出擺幅，采用1.8 V～5 V單電源或±0.9 V～±2.5 V雙電源供電。這款低成本放大器采用最新的電路技術(shù)，具有零輸入交越失真，出眾的PSRR與CMRR性能以及極低的偏置電流，工作時(shí)每個(gè)放大器的電源電流不到10μA。

該電路采用ADP2503 高效率、低靜態(tài)電流開關(guān)電源升降壓轉(zhuǎn)換器，支持兩節(jié)AAA電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 μA。芯片內(nèi)部的高開關(guān)頻率讓外部器件最小化，對小尺寸手持設(shè)備設(shè)計(jì)有很大幫助。因?yàn)橥獠坑胁煌碾娫?，例如，鋰電池、堿性電池、鎳氫電池、PCMCIA和USB等標(biāo)準(zhǔn)輸入電源，針對不同的電壓，ADP2503/4都可以提供升降壓功能。ADP2503的輸入電壓可以從2.3V到5.5V。ADP2503有固定輸出版本和可調(diào)輸出來兩個(gè)選擇，內(nèi)部的補(bǔ)償也減少了外部器件的數(shù)量。

AD7790為適合低頻測量應(yīng)用的低功耗、完整模擬前端ADC （內(nèi)置片內(nèi)儀表放大器），主要優(yōu)勢是微小功耗、微小封裝、高分辨率、可通過軟件編程輸出數(shù)據(jù)速率。其典型功耗不到100 μA。AD7790在默認(rèn)輸出數(shù)據(jù)速率為16.6 Hz時(shí)具有16位峰－峰值分辨率。AD7790采用內(nèi)部時(shí)鐘工作，因此用戶不必為其提供時(shí)鐘源。輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(shè)置，可在9.5 Hz至120 Hz的范圍內(nèi)變化。

圖4.ADI氣體檢測演示系統(tǒng)。

過往成功案例

“低功耗、長時(shí)間穩(wěn)定度、高分辨率(靈敏度)、設(shè)計(jì)彈性與高性價(jià)比是ADI產(chǎn)品的主要優(yōu)勢。ADI還對氣體監(jiān)測器客戶提供從構(gòu)想、選型、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案手冊；參考設(shè)計(jì)評估板；深入的技術(shù)文章及高性價(jià)比的產(chǎn)品；另外，客戶還可依據(jù)個(gè)別需求設(shè)計(jì)出優(yōu)化產(chǎn)品?！?Brian表示。

他還和與會(huì)媒體分享了ADI器件曾在氣體監(jiān)測應(yīng)用方面的三個(gè)成功案例：

成功案例一(ADP7102/7104)：低噪聲、低壓差300mA/500mA線性電壓調(diào)節(jié)器(LDO)。

氣體檢測特別是對有毒氣體的檢測，經(jīng)常會(huì)用在如煤礦、油井等這種特殊的危險(xiǎn)場所，這樣的使用環(huán)境對氣體檢測儀器的可靠度要求極高，對儀器的誤判要求零容忍。所以用在其中的LDO必須低噪聲（ADP7102噪聲僅為15μV rms（固定輸出型））以提高系統(tǒng)分辨率，高電源抑制(PSRR：60 dB (10 kHz，VOUT = 3.3 V))。

其次，在極低噪聲的情況下，以前的電源方案通常需要一個(gè)非常大的外部電容，而這在煤礦防爆需求中是不被允許的。ADP7102/7104僅需一個(gè)1μF（相當(dāng)于原來1/10的電容）小型陶瓷輸出電容，便可實(shí)現(xiàn)出色的線路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能，這在煤礦防爆需求中特別重要；

ADP7102/7104在氣體檢測方面的另外一個(gè)主要優(yōu)勢是其寬輸入電壓范圍(3.3 V至20 V)可容許輸入電壓變動(dòng)與長距離電源線的電壓耗損。

成功案例二（ADuCM360/361）：集成低功耗ARM CORTEX M3和Σ-Δ型ADC的低功耗精密模擬微控制器。其在氣體檢測儀器上的主要優(yōu)勢包括：1、采用低功耗的標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex M3核心

2、高集成度；3、高分辨率ADC。

ADuCM360/ADuCM361專為要求低功耗工作的電池供電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。微控制器內(nèi)核可配置為普通工作模式，功耗290 μA/MHz（包括flash/ SRAM IDD）。在兩個(gè)ADC均打開（輸入緩沖器關(guān)閉）、PGA增益為4、一個(gè)SPI端口打開和所有定時(shí)器均打開時(shí)，系統(tǒng)總電流消耗可以達(dá)到1 mA。

ADuCM360/ADuCM361通過直接編程控制可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內(nèi)部喚醒定時(shí)器有效），此時(shí)能耗僅為4 μA。在休眠模式下，諸如外部中斷或內(nèi)部喚醒定時(shí)器等外設(shè)可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運(yùn)行，同時(shí)仍然響應(yīng)外部異步或周期事件。

成功案例三（AD5410/5420/5421）：ADI常用于工業(yè)現(xiàn)場儀表的串行輸入、4~20毫安電流輸出DAC。當(dāng)時(shí)客戶應(yīng)用中需要一個(gè)4-20毫安的電流輸出DAC。而ADI的這個(gè)產(chǎn)品就是把高分辨率的DAC和4-20毫安的電流輸出結(jié)合起來。其在氣體檢測儀器上的主要優(yōu)勢為：高集成度；高分辨率；多種選擇(12位DAC、16位DAC、環(huán)路供電)。例如有些客戶需要低功耗，就可以選用環(huán)路供電，ADI也提供了專門為環(huán)路供電所設(shè)計(jì)的4-20毫安通信接口的DAC。