引言

在三電極傳感器中，每個電極都有特定用途：
?工作電極WE[或感應(yīng)電極（Sens）]：

在工作電極WE上氧化或還原目標(biāo)氣體，產(chǎn)生與氣體濃度成比例的電流，通過對電極CE將該電流提供給傳感器。
?參比電極RE（Ref）：

恒電位電路讓參比電極RE與工作電極WE保持固定電位。對于無偏置傳感器，工作電極電位必須保持與參考電極電位相同的電位；對于需要偏置的傳感器，必須保持偏移。
?對電極CE（Cnt）：

對電極CE和工作電極WE一同完成電路，如果工作電極WE正在氧化，對電極CE則還原一些化學(xué)物質(zhì)(通常是氧)，或者如果工作電極WE正在還原目標(biāo)氣體，對電極CE則發(fā)生氧化。允許對電極CE電位浮動，隨著氣體濃度的增加而改變。對電極CE上的電位并不重要，只要恒電位儀電路可以提供足夠的電壓和電流以將工作電極WE保持在與參比電極RE相同的電位或固定的偏移。
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圖1 零偏置的三電極電化學(xué)電路

1.1典型的恒電位儀電路由三部分組成：

1、偏置電壓可控電路
2、電流測量電路（跨阻放大）
3、當(dāng)電源關(guān)閉時，短路FET將工作電極WE連接到參考電極RE（零偏置）
1.2控制電路

控制運(yùn)算放大器（圖1中的IC2）向?qū)﹄姌OCE提供電流，以平衡工作電極WE所需的電流。
IC2的反相輸入連接到 參考電極RE， 參考電極RE上電流極小。建議使用輸入偏置電流小于5nA的運(yùn)算放大器。
當(dāng)接通電路時，耗盡模式JFET（圖1中的Q1）進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且IC2提供電流以將工作電極WE保持在與參考電極RE相同的電位。因IC2中的輸入失調(diào)電壓引起的任何偏移都會導(dǎo)致導(dǎo)通時電位突然變化。氣體傳感器具有較大的電容，因此可以在很小的電位漂移下流過大量電流，因此請確保運(yùn)算放大器具有低偏移電壓，最好小于100μV，還要檢查使用溫度下的運(yùn)算放大器偏移電壓。
通常，對于具有鉑參比電極RE的可氧化氣體（例如CO），對電極CE將與地電位相距-300至-400mV。但是，如果氫離子而不是氧分子減少，則電位可能高達(dá)-1.05V。此外，還原性氣體（如NO2或氯）迫使對電極CE氧化水，釋放出氧氣，在這種情況下，相對于 參比電極RE的電位在+ 600和+ 800mV之間，這取決于參比電極RE的類型。因此，必須允許IC2有足夠的電壓擺動，以便將對電極CE驅(qū)動到所需電位并且傳感器需要足夠的電流。如果電路無法做到這一點(diǎn)，那么在較高濃度下會出現(xiàn)極端的非線性。最好在IC2上允許±1.1V擺幅（加上任何施加的偏置電壓）。這意味著對于CO或H2S傳感器，對電極CE通常希望低于接地點(diǎn)-350 mV，因此IC2需要負(fù)電源。如果使用單端低壓電源，請?zhí)貏e注意運(yùn)算放大器在所需電流下的可用輸出擺幅。
注意， 當(dāng)在電活性氣體存在的情況下接通電路或首次連接新傳感器時，傳感器可能會產(chǎn)生幾mA的浪涌電流，這可能導(dǎo)致IC1鉗位，具體取決于IC1的電流驅(qū)動能力; 在這種高電流瞬態(tài)期間，IC1不太可能通過高反饋電阻在其反相輸入端維持虛擬接地。
在為電路供電之前，務(wù)必連接傳感器。
控制電路的電路穩(wěn)定性和降噪性依賴于R1，R2，C1和C2; 某些運(yùn)算放大器可能不需要C2。 如果消除C2，那么C1可以增加到10到100nF之間。 推薦的運(yùn)算放大器是OP90（單運(yùn)放）和OP 296（雙運(yùn)放）。
1.3 偏置電壓

通常，氣體傳感器在零偏壓模式下運(yùn)行；但是，某些傳感器（如NO傳感器）需要偏置電壓：NO傳感器通常為±150或300mV。 或者，可以通過添加偏置電壓來增強(qiáng)傳感器對某些氣體的靈敏度。
如果偏差不正確，性能會降低！ 隨意使用偏差電路可能導(dǎo)致無偏的傳感器損壞。
如果傳感器需要偏置電壓，那么也要確保偏置電壓穩(wěn)定：即使幾mV的變化也會影響對氣體的敏感度，偏置電壓的快速變化只會產(chǎn)生一個mV，這會產(chǎn)生長達(dá)數(shù)小時的瞬態(tài)效應(yīng)。
偏置傳感器的簡單方法如下圖2所示。 可以移除接地的10K負(fù)載電阻，以減小Vbias上的電流。
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圖2.向控制運(yùn)算放大器施加偏置電壓。

儀器關(guān)閉時應(yīng)保持偏置，不再用JFET來保持。這通常通過使用一直保持打開的紐扣電池來完成。在這種情況下，IC2的輸入偏移并不重要，但其隨溫度等的漂移必須保持很小。

1.4電流測量電路

測量電路是跨阻配置的單級運(yùn)算放大器（IC1）;傳感器電流通過R4放大，產(chǎn)生相對于虛擬地的輸出電壓。 C3可降低高頻噪音。有時需要使用兩個運(yùn)算放大器級來提供所需的輸出：第一級使用小的R4阻值，以允許電路在瞬態(tài)條件下對抗傳感器電流，然后是第二個電壓增益級，以提供所需的輸出。 IC1的輸入失調(diào)電壓將增加傳感器偏置電壓（因為工作電極WE將偏離0V），因此輸入偏移應(yīng)保持較低。
產(chǎn)生的電流可以可正可負(fù)的：在工作電極WE（例如CO）處氧化的傳感器產(chǎn)生進(jìn)入IC2的電流，在工作電極WE（例如Cl2或NO2）處還原則吸收電流。因此，對于第二種情況，確保IC2具有足夠的電流吸收能力。
1.5負(fù)載電阻（Rload）

測量電路使用（負(fù)載電阻（Rload）加內(nèi)部傳感器電阻）和（內(nèi)部傳感器電容）的組合來建立RC電路; Rload的選擇應(yīng)綜合考慮最快響應(yīng)時間（低電阻Rload）和最佳噪聲（高電阻Rload）的影響。
該RC電路影響均方根噪聲和響應(yīng)時間：響應(yīng)時間隨著Rload電阻的增加而線性增加，而噪聲隨著Rload阻值的增加，其迅速下降。
如果需要最高分辨率，則會喪失快速響應(yīng)時間。 同樣，需要快速響應(yīng)時間，那么只能降低分辨率或更快地采樣信號并在軟件中對幾個讀數(shù)進(jìn)行平均以消除抖動。 由于電路的低阻抗特性，最好使用具有低噪聲電流的運(yùn)算放大器（通常以噪聲電壓為代價）以獲得最佳的整體噪聲性能。
當(dāng)傳感器電流流過Rload時，傳感器偏置電位Bias會有一個小的變化。 這增加了傳感器穩(wěn)定時間，將需要短時間來重新穩(wěn)定，但是除了高氣體濃度和高Rload電阻之外通常不會看到這種瞬態(tài)。
1.6 FET短路

通常的做法是為無偏置傳感器增加一個短路FET，以便在從電路中斷電時，參考電極和工作電極一起短路（剩余電阻為幾十歐姆）。這確保了當(dāng)電路關(guān)閉時工作電極保持與參考電極相同的電位。只要通電，短路FET通常是開路的。這種“零偏壓”狀態(tài)確保當(dāng)您重新接通電路時，傳感器立即就緒。如果您不使用短路FET并在電路關(guān)閉時讓傳感器保持開路，則有氣體傳感器將在下次開啟時需要幾個小時才能穩(wěn)定下來。
如果您通過IC2提供偏置電壓，那么當(dāng)您關(guān)閉電路時，傳感器將處于零偏置狀態(tài)，因此當(dāng)您重新施加偏置電壓時，傳感器需要很長時間（最多幾個小時）才能重新接通建立平衡。對于偏置電路，建議始終保持偏置電壓，并且不使用短路FET，這不會影響傳感器的使用壽命。
JFET（Q1）應(yīng)該是p型FET。推薦的FET類型包括表面貼裝或TO-92封裝，如下表2所示。
實際仿真時，可以用以下的傳感器等效模型進(jìn)行模擬：
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TINA仿真

??? 參考
??? 1、電化學(xué)傳感器電路設(shè)計
參考

總結(jié)

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