基于电化学传感器的单电源微功耗有毒气体检测电路方案

简介：
本项目提出了一种高效的单电源微功耗有毒气体检测电路设计方案，采用先进的电化学传感器技术，旨在实现低能耗、高灵敏度和快速响应的有毒气体监测。 微功耗有毒气体探测器概述：该微功耗有毒气体探测器电路使用电化学传感器，并采用单电源、低功耗设计，适用于电池供电的便携式设备。示例中采用了Alphasense CO-AX一氧化碳传感器。对于检测或测量多种有害气体浓度的仪器来说，电化学传感器具有诸多优势：大多数传感器针对特定类型的气体进行优化，具备小于百万分之一（ppm）级别的分辨率，并且所需的电流非常小，非常适合便携式电池供电设备。 图1展示了该电路的工作原理，其中使用了双通道微功耗放大器ADA4505-2。在室温下，其最大输入偏置电流为2 pA，每个放大器的功耗仅为10 μA。此外，精密、低噪声且具有微功耗特性的基准电压源ADR291，在建立共模伪地基准电压时仅消耗12 μA。 ADP2503高效率降压/升压调节器支持使用两节AAA电池供电，并在节能模式下功耗仅为38 μA。图示电路（不包括 AD7798 ADC）的总功耗，在正常条件下约为110 μA，而在最差条件（探测到2000 ppm CO时）则上升至460 μA。AD7798工作模式下的电流消耗约为180 μA（增益为1且处于缓冲模式下），节能模式下仅为1 μA。 由于电路功耗极低，两节AAA电池便足以提供充足电源支持。当连接到ADC和微控制器或内置ADC的微控制器时，电池寿命可达到半年至一年以上不等。 电化学传感器工作原理：允许气体通过薄膜扩散进入传感器内部，并与工作电极(WE)相互作用。参考电极(RE)反馈信息以维持恒定的工作电位；反电极(CE)上电压的变化确保了这一过程的进行。在氧化反应中，电流流入工作电极。 对于Alphasense CO-AX一氧化碳传感器而言，在每ppm气体浓度下，流入WE引脚的电流小于100 nA。因此需要使用具有非常低输入偏置电流（如ADA4505-2）的跨阻放大器将此电流转换为输出电压。 电路中使用的2.5 V ADR291基准电压源建立了伪地基准，支持单电源供电并消耗极低静态电流。其中运算放大器U2-A从CE引脚吸取一定量的电流以保持传感器WE和RE引脚之间0V电位差。跨阻放大器U2-B将流入工作电极的气体浓度变化转换为相应的电压输出。 需要注意的是，一氧化碳是有毒气体，在超过250 ppm时对人体构成危险；因此在测试该电路过程中应格外小心处理。