电化学气体传感器的的选型
电化学气体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。
未来的气体检测系统必须能精确测量低得多的浓度，对目标气体更具选择性，依靠电池电源工作更长的时间，并在更长的时间内提供稳定一致的性能，同时始终保持安全可靠的运行。
电化学气体传感器的优缺点
电化学气体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。此外，一旦根据目标气体的已知浓度进行校准，其测量的重复性和精度也非常好。数十年来技术的发展，让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好的选择性。
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。
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。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。
技术挑战
设计先进气体检测系统需要克服的技术挑战可以分为三类，分别对应于系统生命周期的不同阶段。
首先是传感器制造挑战，例如制造可重复性以及传感器的表征和校准。制造过程本身虽然已高度自动化，但不可避免地会给每个传感器带来差异。由于这些差异，传感器必须在生产过程进行表征和校准。
其次，在系统的整个生命周期中都存在技术挑战。这包括系统架构优化，例如信号链设计或功耗考虑。另外，工业应用中特别注重电磁兼容性(EMC)和功能安全合规性，这会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用，并对保持所需性能和使用寿命提出了挑战。电化学传感器在其使用寿命期间会老化和漂移（这是这种技术的本性），导致需要频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行，性能的变化会进一步加速，如本文后面所述。在延长传感器使用寿命的同时保持其性能，是许多应用的关键要求之一，尤其是在系统拥有成本至关重要的情况下。
第三，即使采用了延长使用寿命的技术，所有电化学传感器最终都会达到其生命终点，此时性能不再满足要求，需要更换传感器。有效检测寿命结束条件是一个挑战，若能解决这个挑战，便可减少不必要的传感器更换，从而大幅降低成本。更进一步，若能准确预测传感器何时将失效，气体检测系统的运行成本将会降低更多。
在全部气体检测应用中，电化学气体传感器的利用率都在增加，这给此类系统的物流、调试和维护带来了挑战，导致总拥有成本增加。因此，人们采用具有诊断功能的专用模拟前端来减少技术缺点（主要是传感器寿命有限）带来的影响，确保气体检测系统长期可持续且可靠。
回顾多气体仪器的例子，信号链集成使其能够：
实现完全可配置的测量通道，同时降低信号链的复杂性，从而轻松重用单个信号链设计
减少信号链占用的PCB面积
降低功耗
提高测量精度
传感器劣化与诊断
尽管信号链集成是向前迈出的重要一步，但它本身并未解决电化学气体传感器的根本缺点，即其性能会随着使用时间推移而下降。不难理解，这是传感器的工作原理和结构所导致的。工作条件也会致使性能下降并加速传感器老化。传感器精度会降低，直到变得不可靠，不再适合完成其任务。在这种情况下，通常的做法是让仪器下线并手动检查传感器，这既耗时又昂贵。然后，根据其状况，可以重新校准传感器并再次使用，或者可能需要予以更换。这会招致相当大的维护成本。通过利用电化学诊断技术，可以分析传感器的健康状况并有效补偿性能变化。
湿度是对传感器寿命影响最大的因素。电化学气体传感器的理想工作条件是20°C和60%相对湿度。环境湿度低于60%会导致传感器内部的电解质变干，从而影响响应时间。另一方面，湿度高于60%会导致空气中的水被传感器吸收，从而稀释电解质并影响传感器的特性。吸收水分还会导致传感器泄漏，可能致使引脚腐蚀。
先前的传感器探查技术已在电化学领域使用了数十年。然而，这些测量所需的设备通常很昂贵且笨重。从实践和资金两方面看，使用这种设备根本无法测试现场部署的大量气体传感器。为了实现远程内置传感器健康状况分析，必须将诊断特性直接集成为信号链的一部分。
借助集成的诊断功能，可以在无需人工干预的情况下自动测试气体传感器。如果在生产中对气体传感器进行了表征，则从传感器获得的数据可以与这些特征数据集进行比较，从而深入了解传感器的当前状况，然后使用智能算法来补偿传感器灵敏度的损失。此外，传感器的历史记录可以支持预测其寿命何时结束，并在需要更换传感器时提醒用户。内置诊断功能最终会减少气体检测系统的维护需求，延长传感器的使用寿命。
工业应用的系统设计挑战
安全性和可靠性至关重要，特别是在工业环境中。在严苛的工业环境（例如化工厂）中运行时，有严格的规章来确保气体检测系统满足这些要求并保持可靠、完整的功能。
功能安全是另一个要认真考虑的方面，同时也是一项技术挑战。根据定义，功能安全是指检测到潜在的危险状况时，会激活保护或纠正机制以防止任何危险事件发生。这种安全功能提供的风险降低的相对程度被定义为安全完整性等级(SIL)。功能安全要求当然已包含在工业标准中。
在工业气体检测应用中，功能安全的重要性主要涉及安全操作环境，因为环境中可能存在爆炸性或易燃性气体。化工厂或采矿设施就是此类应用的很好例子。为了符合功能安全标准，系统必须通过功能安全认证，达到满意的安全完整性等级。
结论
得益于技术创新，我们现在拥有所有必要的知识和工具，可以有效应对电化学气体传感器的技术挑战，扫清我们进入普遍检测时代的障碍。从低成本的无线空气质量监测器到过程控制和工人安全应用，信号链集成和内置诊断特性将使这些传感器得到广泛使用，同时减少维护需求，提高精度，延长传感器寿命，并降低成本。
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