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[或感應電極（Sens）]：

在工作電極WE上氧化或還原目標氣體，產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則還原一些化學物質(通常是氧)，或者如果工作電極WE正在還原目標氣體，對電極CE則發生氧化。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、當電源關閉時，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

控制運算放大器（圖1中的IC2）向對電極CE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的運算放大器。
當接通電路時，耗盡模式JFET（圖1中的Q1）進入高阻抗狀態，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中的輸入失調電壓引起的任何偏移都會導致導通時電位突然變化。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-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，那么在較高濃度下會出現極端的非線性。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-350 mV，因此IC2需要負電源。如果使用單端低壓電源，請特別注意運算放大器在所需電流下的可用輸出擺幅。
注意， 當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，傳感器可能會產生幾mA的浪涌電流，這可能導致IC1鉗位，具體取決于IC1的電流驅動能力; 在這種高電流瞬態期間，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，務必連接傳感器。
控制電路的電路穩定性和降噪性依賴于R1，R2，C1和C2; 某些運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。 推薦的運算放大器是OP90（單運放）和OP 296（雙運放）。
1.3 偏置電壓

通常，氣體傳感器在零偏壓模式下運行；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生一個mV，這會產生長達數小時的瞬態效應。
偏置傳感器的簡單方法如下圖2所示。 可以移除接地的10K負載電阻，以減小Vbias上的電流。
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圖2.向控制運算放大器施加偏置電壓。

儀器關閉時應保持偏置，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算放大器（IC1）;傳感器電流通過R4放大，產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），因此輸入偏移應保持較低。
產生的電流可以可正可負的：在工作電極WE（例如CO）處氧化的傳感器產生進入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負載電阻（Rload）

測量電路使用（負載電阻（Rload）加內部傳感器電阻）和（內部傳感器電容）的組合來建立RC電路; Rload的選擇應綜合考慮最快響應時間（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時間：響應時間隨著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，則會喪失快速響應時間。 同樣，需要快速響應時間，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進行平均以消除抖動。 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。 這增加了傳感器穩定時間，將需要短時間來重新穩定，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。
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）。這確保了當電路關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”狀態確保當您重新接通電路時，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定下來。
如果您通過IC2提供偏置電壓，那么當您關閉電路時，傳感器將處于零偏置狀態，因此當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行模擬：
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TINA仿真

??? 參考
??? 1、電化學傳感器電路設計
參考

總結

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