企查查數(shù)據(jù)顯示，目前我國現(xiàn)存“環(huán)境監(jiān)測”相關(guān)企業(yè)共25.5萬家。2020年是近十年注冊量的高峰期，全年共注冊7.2萬家企業(yè)，同比增長100.3%；今年上半年共注冊5.0萬家，同比增長72.4%。隨著中國政府對環(huán)境質(zhì)量提出更高要求，以及降低碳排放的3060目標(biāo)設(shè)定，“十四五”期間全行業(yè)將繼續(xù)要提高監(jiān)測質(zhì)量，常規(guī)監(jiān)測正在從“有沒有”向“好不好”轉(zhuǎn)變，新領(lǐng)域監(jiān)測實現(xiàn)從無到有的突破。

有效的監(jiān)管下，中國生態(tài)環(huán)境污染狀況近年來實現(xiàn)了快速的逆轉(zhuǎn)。生態(tài)環(huán)境部前不久通報了2021年7月和1-7月全國地表水、環(huán)境空氣質(zhì)量狀況顯示，3641個國家地表水考核斷面中，水質(zhì)優(yōu)良斷面比例為81.1%，同比上升0.4個百分點，劣Ⅴ類斷面比例為1.7%，同比下降0.8個百分點；全國339個地級及以上城市平均優(yōu)良天數(shù)比例為85.5%，同比上升2.2個百分點。有效的監(jiān)管離不開監(jiān)測平臺方案，目前各種氣體、液體監(jiān)測平臺方案在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，本文以ADI的兩款氣體及液體檢測信號鏈方案來分析。

具有傳感器診斷功能的電化學(xué)氣體測量系統(tǒng)

氣體檢測儀器廣泛應(yīng)用于從家用空氣質(zhì)量測量設(shè)備到工業(yè)有毒氣體檢測解決方案的各種應(yīng)用。其中許多儀器使用電化學(xué)氣體傳感器。這種傳感器技術(shù)需要專門的前端電路來進行偏

置和測量。利用內(nèi)置診斷特性（例如阻抗頻譜或偏置電壓脈沖與斜坡），可以檢查傳感器健康狀況，補償老化或溫度引起的精度漂移，估計傳感器的剩余壽命而無需用戶干預(yù)。這種功能允許各個邊緣節(jié)點更換智能、精確的傳感器。集成超低功耗微控制器直接偏置電化學(xué)氣體傳感器并運行板載診斷算法。

雙通道集成氣體檢測信號鏈

電化學(xué)氣體檢測的基本原理是目標(biāo)氣體在電極處發(fā)生氧化或還原，進而產(chǎn)生電流，測量此電流便可檢測到目標(biāo)氣體。 最常見的傳感器有兩個或三個電極。一些傳感器還有第四個電極。在3電極配置中，各電極分別被稱為工作電極（WE， 也稱為檢測電極(SE)）、參比電極(RE)和反電極(CE)。下圖為這種電化學(xué)單元的簡化示意圖。

電化學(xué)氣體傳感器簡化圖

目標(biāo)氣體通過多孔工作電極進入傳感器室并擴散到電解質(zhì) （最常見的是酸）中，在那里它被氧化或還原。此反應(yīng)產(chǎn) 生的電流隨即被外部恒電位儀電路檢測到，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 的電壓電平。常常需要在傳感器電極上施加連續(xù)或脈沖式 偏置電壓，以確保性能最優(yōu)。對于3電極傳感器，偏置電壓 施加于RE和WE之間。CE處發(fā)生與RE和WE之間等量但相反 的反應(yīng)。如果WE處發(fā)生還原反應(yīng)，則CE處發(fā)生氧化反應(yīng)。

多參數(shù)水質(zhì)與土壤監(jiān)測的電路方案設(shè)計

飲料生產(chǎn)、制藥廠、廢水處理廠等多個行業(yè)都依靠水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對重要水質(zhì)指標(biāo)進行測量和控制。定義水的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的參數(shù)可作為水質(zhì)指標(biāo)。例如：物理參數(shù)的溫度和濁度；化學(xué)參數(shù)的pH值、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率和溶解氧；生物學(xué)的藻類和細菌；等等。

進行化學(xué)測量參數(shù)可以實現(xiàn)對水質(zhì)這些指標(biāo)的監(jiān)測。電化學(xué)是化學(xué)的一個分支，通過測量電子從一種反應(yīng)物到另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)移來表征還原-氧化反應(yīng)的行為。電化學(xué)技術(shù)可以直接或間接用于檢測和測量上述水質(zhì)指標(biāo)。電化學(xué)測量系統(tǒng)主要由兩個模塊組成：一種用于測量水質(zhì)指標(biāo)并產(chǎn)生相應(yīng)電信號的傳感器；測量和處理電信號的測量和處理單元。通常整個加工廠中部署單獨的有線傳感器?，F(xiàn)場傳感器需要經(jīng)常清洗、校準(zhǔn)和更換。無線網(wǎng)絡(luò)可減少一些這樣的負擔(dān)，但通常被認(rèn)為不夠可靠，不能部署在這些應(yīng)用的惡劣環(huán)境中。

pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指標(biāo)，是常用的水質(zhì)監(jiān)測測量方法。pH探針是由玻璃電極和參考電極組成的電化學(xué)傳感器。將pH探針插入溶液中時，測量電極會產(chǎn)生一個電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然后該電壓與內(nèi)部參比電極的電位進行比較。將pH探針插入溶液中時，測量電極會產(chǎn)生一個電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然后該電壓與內(nèi)部參比電極的電位進行比較。溫度變化也可能改變測量電極的靈敏度，進而引起測量誤差。該誤差是可預(yù)測的，并且可通過全溫度范圍內(nèi)的探針校準(zhǔn)和后續(xù)測量期間的溫度校正來解決。溫度傳感器通常集成到pH探針中。溫度傳感器可以是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻或RTD，如PT100或PT1000。

液體PH值測試電路設(shè)計

解決電化學(xué)傳感器檢測挑戰(zhàn)的高集成度平臺方案

環(huán)境監(jiān)測中無論是氣體監(jiān)測還是水質(zhì)監(jiān)測，我們常用到的是電化學(xué)傳感器方案，例如在水質(zhì)檢測應(yīng)用中，用于測量PH、電導(dǎo)率、ORP等指標(biāo)的傳感器都屬于電化學(xué)傳感器。過去的傳感器探查技術(shù)已在電化學(xué)領(lǐng)域使用了數(shù)十年，但這些測量所需的設(shè)備通常很昂貴且笨重，使用這種設(shè)備根本無法測試現(xiàn)場部署的大量氣體或液體傳感器。為了實現(xiàn)遠程內(nèi)置傳感器健康狀況分析，必須將診斷特性直接集成為信號鏈的一部分。借助集成的診斷功能，可以在無需人工干預(yù)的情況下自動測試傳感器。

為解決上述挑戰(zhàn)，并讓客戶設(shè)計出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統(tǒng)，ADI公司推出了一種針對氣體檢測和水分析應(yīng)用的單芯片電化學(xué)測量系統(tǒng)，即其超低功耗混合信號微控制器`ADuCM355。

ADuCM355集成了兩個電化學(xué)測量通道，一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個用于運行用戶應(yīng)用程序和傳感器診斷補償算法的超低功耗混合信號微控制器。作為一個高度集成的片內(nèi)測量系統(tǒng)，其中包括：

?一個16位400 kSPS ADC

?兩個雙輸出DAC，用于產(chǎn)生電化學(xué)電池的偏置電壓

?兩個帶TIA放大器的超低功耗、低噪聲恒電位儀

?一個具有高速TIA的高速12位DAC

?支持診斷測量的模擬硬件加速器（波形發(fā)生器、數(shù)字傅立葉變換模塊和數(shù)字濾波器）

?內(nèi)部溫度傳感器

?26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

ADuCM355的簡化功能框圖

ADuCM355提供了克服電化學(xué)氣體檢測技術(shù)挑戰(zhàn)的手段。兩個測量通道不僅支持最常見的3電極氣體傳感器，還支持4電極傳感器配置。第四個電極既可用于診斷目的，也可以在雙重氣體傳感器中用作第二目標(biāo)氣體的工作電極。任一恒電位儀也可以配置為休眠模式以降低功耗，同時保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運行之前可能需要的穩(wěn)定時間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，例如電化學(xué)阻抗譜和計時安培分析法。集成的微控制器可用于運行補償算法、存儲校準(zhǔn)參數(shù)以及運行用戶應(yīng)用程序。