电化学传感器测量电路疑问

只看该作者 · 2019-10-28 12:53

本帖最后由 972140 于 2019-10-28 12:57 编辑

下图为常见三极电化学传感器测量电路：

在学习该电路时有以为疑问，望大家帮忙解答，先谢谢您们了！
1：图中圈中的 R1 R2 C4（有的电路还会有C3），它们在此电路中分别起什么作用？

2：此电路中要保持RE 和 WE 间的恒电位，电路的具体工作过程是怎样的？
   我目前理解是：
   当传感器工作时，若WE电位升高，RE也相应升高，RE为U2-A反相输入，故U2-A输出电位降低，即CE端电位降低
                           若WE电位降低  ，RE也相应降低  ，RE为U2-A反相输入，故U2-A输出电位升高，即CE端电位升高。

3：传感器在检到气体时，所产生的检测电流，在此电路中的流通路径（传感器外部电流路径）是怎样的？

  @zyj9490 @maychang  特意请二位元老帮忙，麻烦您们了！

1万 · 2019-10-28 13:29

本帖最后由 zyj9490 于 2019-10-28 13:32 编辑

针对第一点，是为了反馈回路稳定（不自激）设定的，提供零点相位校正。
针对第二点，是为了提供共模电压，此糸统是单电源糸统，因此WE静态电位设定在VREF,RE也设定在VREF,通过运放的虚短原理，能推出来，RE电位的恒定通过U2-A负反馈实现的，同理，WE的电位恒定是通过U2-B实现的，不考量检测电流引发的R4电压变化。
针对第三点，电流的方向，是传感器的性质决定的，就是WE产生的化学反应，氧化反应，得电子，电流进去，还原反应，失电子，电流流出。要看具体的传感器原理。此传感器的零偏压就能输出电流的，传感器，跟WE的材质有关，催化机理有关，

只看该作者 · 2019-10-28 14:46

zyj9490 发表于 2019-10-28 13:29
针对第一点，是为了反馈回路稳定（不自激）设定的，提供零点相位校正。
针对第二点，是为了提供共模电压， ...

谢谢您的回复和帮助；
看了还是不太明白，个人基础太差，再详问一些，麻烦有空帮忙解答。

针对第一点，是为了反馈回路稳定（不自激）设定的，提供零点相位校正。
再问：图中电路中，运放U2-A为什么有可能会产生自激？我目前不能明显看出产生自激的条件

针对第二点，是为了提供共模电压，此糸统是单电源糸统，因此WE静态电位设定在VREF,RE也设定在VREF,通
过运放的虚短原理，能推出来，RE电位的恒定通过U2-A负反馈实现的，同理，WE的电位恒定是通过U2-B实
现的，不考量检测电流引发的R4电压变化。
再问：依您上面所言，上电路中，在传感器工作时，RE 和 WE两极之间的电位其实有轻微的压差，对吗？

针对第三点，电流的方向，是传感器的性质决定的，就是WE产生的化学反应，氧化反应，得电子，电流进去，还原反应，失电子，电流流出。要看具体的传感器原理。此传感器的零偏压就能输出电流的，传感器，
跟WE的材质有关，催化机理有关，
再问：上图取自ADI电化学传感器手册，图中是个一氧化碳检测传感器，检到一氧化碳时，WE工作极是发生氧化反应，是失电子吗？这些电子通过外电路的哪些路径迁移到CE极？

1万 · 2019-10-28 15:10

本帖最后由 zyj9490 于 2019-10-28 15:17 编辑

972140 发表于 2019-10-28 14:46
谢谢您的回复和帮助；
看了还是不太明白，个人基础太差，再详问一些，麻烦有空帮忙解答。

第一点，传感器本身是个容性负载，易自激。因此反馈回路上加超前电容进行校正，环路增益函数来求证。
第二点，认同你的观点，工作点是不需要偏压的。从电路上看。原创设计者的意图。
第三点，CO是还原性气体，CO分子失去电子（氧化反应），WE得到电子，通过外部环路流到CE。CE进行的还原反应，因此电流（非电子）从外部进入WE，从CE流出电流。相当于一个负电流，流进SINK电流。（从电池学原理是一样的）

只看该作者 · 2019-10-28 15:44

zyj9490 发表于 2019-10-28 15:10
第一点，传感器本身是个容性负载，易自激。因此反馈回路上加超前电容进行校正，环路增益函数来求证。
第 ...

非常感谢您！通过您的耐心解答，又加强了对电化学调理电路的认识！

只看该作者 · 2019-10-29 15:53

受教了

只看该作者 · 2019-10-29 16:32

本帖最后由 972140 于 2019-10-29 16:37 编辑

zyj9490 发表于 2019-10-28 15:10
第一点，传感器本身是个容性负载，易自激。因此反馈回路上加超前电容进行校正，环路增益函数来求证。
第 ...

@zyj9490，@xukun977
前辈，您好！
昨天和今天一直在消化您回复和相关电化学资料，目前还有一些疑问要请教：
1：此电路是三极CO传感器测量CO电路，按您回复第三点和应用手册，测量电路检测到CO工作时，WE端流
   入电流，CE端流出电流，这点是无疑的。
   那么在传感器检测到CO工作时，从电荷转移角度理解，传感器内部WE极是不是聚集负电荷，对应的内
   部CE极聚集正电荷，故CE端电位上升，WE端电位下降，在CE电位高，WE端电位低，形成压差，从而产
   了从CE极流经外电路到WE极的电流。（和电池工作原理类似）    我这个理解决是否正确？如哪里不对请帮忙指点。

2：假如我第1点理解正确，那么我对ADI应用手册中的这点就感觉矛盾，手册说，CO传感器在检测到CO时工
   作时，CE极电位要比WE极电位低，但第一点中我的理解决是，WE极电位比CE低。

   对于手册中这一说法如何理解？

3：对于CO传感器在工作时，传感器RE和WE之间电压如何动态保持恒定电位还是不理解透彻，您能否从WE极电位变化，WE电位的变化如何通过RE极反馈到运放输入，这几个角度帮忙分析吗？
   我现在只能理解到，CO传感器检到CO时，WE得电子时电位降低，但不知道WE电位降低时，RE电位怎么变化，CE电位怎么变化。

   期望前辈能帮忙指点，不胜感激！！！

1万 · 2019-10-29 16:52

972140 发表于 2019-10-29 16:32
@zyj9490，@xukun977
前辈，您好！
昨天和今天一直在消化您回复和相关电化学资料，目前还有一些疑问要请 ...

你见过化学电池吗？如5#电池，炭极是作为正电极，铝极作为负电极，铝电极是失去电子的，从电池内部来看，电流就是从负极流向正极，从而放出从化学能转换为电能的过程。这就是原电池的特质。不要从被动电路来分析原电池。

只看该作者 · 2019-10-29 16:56

本帖最后由 972140 于 2019-10-29 16:59 编辑

zyj9490 发表于 2019-10-29 16:52
你见过化学电池吗？如5#电池，炭极是作为正电极，铝极作为负电极，铝电极是失去电子的，从电池内部来看， ...

嗯，多谢回复，电池工作时，电流在外电路是从正极到负极，内部电流是负到正极，这个理解；前辈说的电化学传感器在外电路作用下，工作时和电池不一样吧？但差在哪里弄不明白
但上面三点，比电池复杂了，就难搞明白，前辈能否一条一条帮忙指点吗？

1万 · 2019-10-29 16:59

972140 发表于 2019-10-29 16:32
@zyj9490，@xukun977
前辈，您好！
昨天和今天一直在消化您回复和相关电化学资料，目前还有一些疑问要请 ...

电何遇到电压源，什么也被吸收，

只看该作者 · 2019-10-29 17:05

zyj9490 发表于 2019-10-29 16:59
电何遇到电压源，什么也被吸收，

在传感器的哪个极会吸收？您的意思，在此电路中，CO传感器，不存在我所想的“CE极聚集正电荷，WE聚集负电荷，从而形成CE电位高，WE电位低的压差”

1万 · 2019-10-29 17:07

972140 发表于 2019-10-29 16:32
@zyj9490，@xukun977
前辈，您好！
昨天和今天一直在消化您回复和相关电化学资料，目前还有一些疑问要请 ...

第一种想法是对的，也不对，对的意思，电何堆积，势必造成不能原电池反应，看成一个势能而已，必须要有一个放电回路，不能让其累积，如外部加一个负电压源，来中和这部电何，因此，外部特性的电位状态，是通过外部电路实现的，没有回路的电化学（电流输出型的）必须要有回路。

1万 · 2019-10-29 17:09

972140 发表于 2019-10-29 17:05
在传感器的哪个极会吸收？您的意思，在此电路中，CO传感器，不存在我所想的“CE极聚集正电荷，WE聚集负电 ...

不存在。此非电压型传感器。

只看该作者 · 2019-10-29 17:14

zyj9490 发表于 2019-10-29 17:09
不存在。此非电压型传感器。

嗯，多谢！真的很感谢您！！！
那第一二点我先暂时放一放，稍后消化；
再麻烦您解答第三点，WE端电位变化时，RE端，CE端电位是怎么变化的？比如WE端电位降低时，RE是怎么变化的？

1万 · 2019-10-29 17:16

本帖最后由 zyj9490 于 2019-10-29 17:42 编辑

972140 发表于 2019-10-29 16:56
嗯，多谢回复，电池工作时，电流在外电路是从正极到负极，内部电流是负到正极，这个理解；前辈说的电化学 ...

你理解光电池的效应吗？光生电流就是K极流到A极的，在空载下，应有一个A+，K-的状态，此时达到平黎后，净电迁移是没有了。但可以通过外部电路放电荷，因此二者零电压也能有光生电流，反向电压也有光生电流，道理是一样的。在外部电路强烈干预下，传感器的外部电压与电流没有必然的关糸，电流（光生电流或原电池电流）跟外部因素有关糸（光强度，或浓度）。

只看该作者 · 2019-10-29 17:30

zyj9490 发表于 2019-10-29 17:16
你理解光电池的效应吗？光生电流就是K极流到A极的，在空载下，应有一个A+，K-的状态，此时达到平黎后，净 ...

目前不了解光电池，我会稍后去了解光电池，消化您所讲的；
再麻烦您解答第三点，WE端电位变化时，RE端，CE端电位是怎么变化的？比如WE端电位降低时，RE是怎么变化的？

1万 · 2019-10-29 17:37

972140 发表于 2019-10-29 17:30
目前不了解光电池，我会稍后去了解光电池，消化您所讲的；
再麻烦您解答第三点，WE端电位变化时，RE端，C ...

WE电位下降，也会影响RE下降，导致CE电位上升，导致RE上升，这是动态平行的过程。WE的电位更多是被后续电路控制。

只看该作者 · 2019-10-29 17:51

zyj9490 发表于 2019-10-29 17:37
WE电位下降，也会影响RE下降，导致CE电位上升，导致RE上升，这是动态平行的过程。WE的电位更多是被后续 ...

多谢您及时回复：
1： WE电位下降，为什么RE的电位也会跟着下降？
2：在无CO情况下，传感器内部平衡后WE的电位由运放电路控制等于Vref, 在检测到CO后，WE电位会有轻微变化，对吗？

1万 · 2019-10-29 17:53

972140 发表于 2019-10-29 17:51
多谢您及时回复：
1： WE电位下降，为什么RE的电位也会跟着下降？
2：在无CO情况下，传感器内部平衡后WE ...

这就要看传感器的内部了，一般二者之间有阻性传导吧。太专业的问题交给搞传感器的人吧。

1万 · 2019-10-29 17:56

本帖最后由 zyj9490 于 2019-10-30 14:21 编辑

972140 发表于 2019-10-29 17:51
多谢您及时回复：
1： WE电位下降，为什么RE的电位也会跟着下降？
2：在无CO情况下，传感器内部平衡后WE ...

有啊，前面不是有个小电阻吗，产生的信号电流肯定此电阻产生电压，负极电位已固定了，（虚短原理）。那只能变化WE端了，其实这个电阻不要也可以的，本身是个IV电路级。

电化学传感器测量电路疑问

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