集成电化学解决方案实现环境参数的优化监测

前不久，生态环境部公布了2022年1—6月全国地表水环境质量状况。

1—6月七大流域和西南、西北诸河及浙闽片河流水质类别比例(图源生态环境部)

3641个国家地表水考核断面中，水质优良(Ⅰ～Ⅲ类)断面比例为85.7%，同比上升4.0个百分点;劣Ⅴ类断面比例为1.1%，同比下降0.8个百分点。主要污染指标为化学需氧量、高锰酸盐指数和总磷。

长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大流域及西北诸河、西南诸河和浙闽片河流水质优良(Ⅰ～Ⅲ类)断面比例为87.3%，同比上升3.8个百分点;劣Ⅴ类断面比例为0.8%，同比下降1.0个百分点。主要污染指标为化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。

绿水青山就是金山银山，一组数据科学详实的展现了中国水资源现状，展现了中国环保事业的进步。外行看热闹内行看门道，这些数据背后是全社会的长期环保努力，还有科学监测手段的实施。值得一提的是，其中电化学传感器是环境监测仪器中最广泛使用的核心部件，性能能否充分发挥将直接影响着仪器的准确度，本文将就电化学传感器在水质监测领域的应用展开探讨。

应用超过半个世纪

电化学传感器的前世今生

电化学传感器是一种久经验证的技术，其历史可以追溯到1950年代，当时开发了用于氧气监测的电化学传感器。这种技术的首批应用之一是葡萄糖生物传感器，用于测量葡萄糖的缺氧情况。在接下来的几十年中，该技术得到了发展，传感器变得小型化并能检测多种目标气体。

电化学传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率。由于其优点众多，工业应用(例如用于保护工人安全的有毒气体检测)率先采用了电化学传感器。这些传感器的运行经济性促进了区域有毒气体监测系统的部署，确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

然而，尽管检测技术本身在不断进步，但自电化学气体检测出现以来，其基本工作原理以及与生俱来的缺点并未改变。电化学传感器的使用也是电子设计领域最具挑战性的技术之一，其响应信号微弱、一致性差、干扰因素多。以电化学气体传感器为例，需要搭配偏置电压源、电位保持、电流转电压、滤波、模数转换等多个电路，再送入MCU中进行数据处理，再输出最终测量结果。一般空气质量监测仪器需要搭配许多个电化学传感器，那么将需要规模庞大的电路。

此外，通常电化学传感器的保质期有限，一般为六个月至一年。传感器的老化也会对其长期性能产生重大影响。传感器制造商通常会指定传感器灵敏度每年最多可漂移20%。此外，虽然目标气体选择性已有显著改善，但传感器仍存在对其他气体的交叉敏感性问题，导致测量受到干扰和读数出错的几率增加。传感器性能还与温度相关，必须在内部进行温度补偿。

集成电化学解决方案

实现环境参数的优化监测

如果能将偏置电压源、电位保持、电流转电压、滤波、模数转换等多个电路与MCU进行集成，实现SoC化的系统性解决方案将完美解决上述挑战。目前市场上已经有这样的解决方案，它就是ADI推出的具有化学传感器接口的精密模拟微控制器ADuCM355。该芯片是一款Cortex-M3内核的MCU，集成了先进的电化学模拟前端电路，具备两套完整的电化学模拟前端电路和一套用于交流阻抗测量的模拟前端电路，并搭配12位DAC与16位ADC、灵活的开关矩阵、以及强大的数字预处理功能。芯片内部模拟电路的参数可以直接通过编程配置，用于兼容各种特性的传感器。在气体探测应用中，它能够支持两路电化学气体传感器，如下图所示：

ADuCM355应用于电化学气体传感器

在水质检测应用中，用于测量PH、电导率、ORP等指标的传感器也属于电化学传感器，本方案也同样适用。ADuCM355的交流阻抗测量功能可以用于诊断电化学传感器的复阻抗，为寿命预测与数据矫正提供依据，同时其阻抗测量功能也可以延伸应用于生物阻抗测量产品中。

气体探测功能：

最多可接入两只电化学气体传感器，同时输出两组数据，由客户MCU通过串口指令配置模拟电路参数、并读取传感器数据，并且可以结合输出的模块自带温湿度数据进行最终结果的校正和标定。1路模拟电压通道可以接入MOS或PID气体传感器。

水质检测功能：

可以连接1只PH电极和1只电导率电极或ORP电极，由客户MCU通过串口读取PH值和电导率值，并结合水温等参数进行校正和标定。1路模拟电压通道可以接入水温传感器等。

阻抗谱绘制功能：

对被测目标施加不同频率的正弦波激励信号，扫描计算复阻抗参数，由客户MCU通过串口读取频率点与对应复阻抗结果，进行传感器寿命预测、输出校正等。

ADuCM355片上集成的丰富功能适合极低功耗的电化学和生物传感器测试。

稳定性测量方案

传感器健康状况诊断很关键

不同制造商以及针对不同目标气体的电化学气体传感器，寿命也会不同。有关预期寿命的信息可在传感器制造商的数据手册中找到。然而，实际寿命强烈依赖于储存和工作条件。

电化学气体传感器的寿命和需要定期校准，是这类传感器最具挑战性的方面。因此，人们希望能够直接在仪器中监测传感器的健康状况。ADuCM355 内置波形发生器和离散傅里叶变换(DFT)模块，通过对反电极应用交流信号扫描可实现阻抗频谱测量。该测量可显示电极之间电荷转移的质量，从而有效检测传感器电解质的老化情况。实验室测试表明传感器的阻抗和灵敏度之间有很好的相关性。

ADuCM355多参数水质监测系统

检测传感器健康状况的其他方法包括脉冲测试和斜坡测试。这些测试是在偏置电压之上施加一个电压脉冲或斜坡，以分别测试传感器响应度和电荷转移。所有这些测量结果与ADuCM355上运行的算法相结合，有助于改善电化学气体传感器的精度、性能和寿命。为实现这种级别的智能诊断和预测，需要通过测试(例如加速老化)来获得大量传感器的特征。

审核编辑：汤梓红