前不久，生態(tài)環(huán)境部公布了2022年1—6月全國地表水環(huán)境質量狀況。

1—6月七大流域和西南、西北諸河及浙閩片河流水質類別比例(圖源生態(tài)環(huán)境部)

3641個國家地表水考核斷面中，水質優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例為85.7%，同比上升4.0個百分點;劣Ⅴ類斷面比例為1.1%，同比下降0.8個百分點。主要污染指標為化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和總磷。

長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大流域及西北諸河、西南諸河和浙閩片河流水質優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例為87.3%，同比上升3.8個百分點;劣Ⅴ類斷面比例為0.8%，同比下降1.0個百分點。主要污染指標為化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量。

綠水青山就是金山銀山，一組數(shù)據(jù)科學詳實的展現(xiàn)了中國水資源現(xiàn)狀，展現(xiàn)了中國環(huán)保事業(yè)的進步。外行看熱鬧內行看門道，這些數(shù)據(jù)背后是全社會的長期環(huán)保努力，還有科學監(jiān)測手段的實施。值得一提的是，其中電化學傳感器是環(huán)境監(jiān)測儀器中最廣泛使用的核心部件，性能能否充分發(fā)揮將直接影響著儀器的準確度，本文將就電化學傳感器在水質監(jiān)測領域的應用展開探討。

應用超過半個世紀

電化學傳感器的前世今生

電化學傳感器是一種久經驗證的技術，其歷史可以追溯到1950年代，當時開發(fā)了用于氧氣監(jiān)測的電化學傳感器。這種技術的首批應用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖的缺氧情況。在接下來的幾十年中，該技術得到了發(fā)展，傳感器變得小型化并能檢測多種目標氣體。

電化學傳感器的普及可以歸因于其線性輸出、低功耗要求和良好的分辨率。由于其優(yōu)點眾多，工業(yè)應用(例如用于保護工人安全的有毒氣體檢測)率先采用了電化學傳感器。這些傳感器的運行經濟性促進了區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)的部署，確保了采礦、化學工業(yè)、沼氣廠、食品生產、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

然而，盡管檢測技術本身在不斷進步，但自電化學氣體檢測出現(xiàn)以來，其基本工作原理以及與生俱來的缺點并未改變。電化學傳感器的使用也是電子設計領域最具挑戰(zhàn)性的技術之一，其響應信號微弱、一致性差、干擾因素多。以電化學氣體傳感器為例，需要搭配偏置電壓源、電位保持、電流轉電壓、濾波、模數(shù)轉換等多個電路，再送入MCU中進行數(shù)據(jù)處理，再輸出最終測量結果。一般空氣質量監(jiān)測儀器需要搭配許多個電化學傳感器，那么將需要規(guī)模龐大的電路。

此外，通常電化學傳感器的保質期有限，一般為六個月至一年。傳感器的老化也會對其長期性能產生重大影響。傳感器制造商通常會指定傳感器靈敏度每年最多可漂移20%。此外，雖然目標氣體選擇性已有顯著改善，但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問題，導致測量受到干擾和讀數(shù)出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關，必須在內部進行溫度補償。

集成電化學解決方案

實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化監(jiān)測

如果能將偏置電壓源、電位保持、電流轉電壓、濾波、模數(shù)轉換等多個電路與MCU進行集成，實現(xiàn)SoC化的系統(tǒng)性解決方案將完美解決上述挑戰(zhàn)。目前市場上已經有這樣的解決方案，它就是ADI推出的具有化學傳感器接口的精密模擬微控制器ADuCM355。該芯片是一款Cortex-M3內核的MCU，集成了先進的電化學模擬前端電路，具備兩套完整的電化學模擬前端電路和一套用于交流阻抗測量的模擬前端電路，并搭配12位DAC與16位ADC、靈活的開關矩陣、以及強大的數(shù)字預處理功能。芯片內部模擬電路的參數(shù)可以直接通過編程配置，用于兼容各種特性的傳感器。在氣體探測應用中，它能夠支持兩路電化學氣體傳感器，如下圖所示：

ADuCM355應用于電化學氣體傳感器

在水質檢測應用中，用于測量PH、電導率、ORP等指標的傳感器也屬于電化學傳感器，本方案也同樣適用。ADuCM355的交流阻抗測量功能可以用于診斷電化學傳感器的復阻抗，為壽命預測與數(shù)據(jù)矯正提供依據(jù)，同時其阻抗測量功能也可以延伸應用于生物阻抗測量產品中。

氣體探測功能：

最多可接入兩只電化學氣體傳感器，同時輸出兩組數(shù)據(jù)，由客戶MCU通過串口指令配置模擬電路參數(shù)、并讀取傳感器數(shù)據(jù)，并且可以結合輸出的模塊自帶溫濕度數(shù)據(jù)進行最終結果的校正和標定。1路模擬電壓通道可以接入MOS或PID氣體傳感器。

水質檢測功能：

可以連接1只PH電極和1只電導率電極或ORP電極，由客戶MCU通過串口讀取PH值和電導率值，并結合水溫等參數(shù)進行校正和標定。1路模擬電壓通道可以接入水溫傳感器等。

阻抗譜繪制功能：

對被測目標施加不同頻率的正弦波激勵信號，掃描計算復阻抗參數(shù)，由客戶MCU通過串口讀取頻率點與對應復阻抗結果，進行傳感器壽命預測、輸出校正等。

ADuCM355片上集成的豐富功能適合極低功耗的電化學和生物傳感器測試。

穩(wěn)定性測量方案

傳感器健康狀況診斷很關鍵

不同制造商以及針對不同目標氣體的電化學氣體傳感器，壽命也會不同。有關預期壽命的信息可在傳感器制造商的數(shù)據(jù)手冊中找到。然而，實際壽命強烈依賴于儲存和工作條件。

電化學氣體傳感器的壽命和需要定期校準，是這類傳感器最具挑戰(zhàn)性的方面。因此，人們希望能夠直接在儀器中監(jiān)測傳感器的健康狀況。ADuCM355 內置波形發(fā)生器和離散傅里葉變換(DFT)模塊，通過對反電極應用交流信號掃描可實現(xiàn)阻抗頻譜測量。該測量可顯示電極之間電荷轉移的質量，從而有效檢測傳感器電解質的老化情況。實驗室測試表明傳感器的阻抗和靈敏度之間有很好的相關性。

ADuCM355多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)

檢測傳感器健康狀況的其他方法包括脈沖測試和斜坡測試。這些測試是在偏置電壓之上施加一個電壓脈沖或斜坡，以分別測試傳感器響應度和電荷轉移。所有這些測量結果與ADuCM355上運行的算法相結合，有助于改善電化學氣體傳感器的精度、性能和壽命。為實現(xiàn)這種級別的智能診斷和預測，需要通過測試(例如加速老化)來獲得大量傳感器的特征。

審核編輯：湯梓紅