第讲 磁场与成分参数检测

第7章磁场与成分参数检测生物医学工程学院卢广文本章内容磁敏传感器7.1磁场检测7.2气体成分检测7.3气敏传感器7.4湿度和含水量的检测7.5液体浓度的检测7.6§7.1磁敏传感器磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，实用的磁敏传感器产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏晶体管和霍尔式磁敏传感器。磁敏电阻一、磁阻效应将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为——磁感应强度为B时的电阻率——零磁场下的电阻率——电子迁移率——磁感应强度式中电阻率变化电阻率相对变化磁敏电阻：InSb、InAs1、原理二、磁敏电阻科尔比诺圆盘——形状效应系数——电阻长度——电阻宽度01234567891020

151051l/b=3l/b=1l/b=1/32、结构-5-3-10135700

600500400300200100020406080150100503、维特性磁敏柜二极山管一、糠磁敏断二极徒管1、比结构I区：高阻本征区P、N：重掺杂区P-I-N结I区两侧处理：光滑：I面打毛：复合面（r面）2、句工作贝原理磁场齿H酬=川0：少量黎电子敲和空棉穴在马I高区、味r区骡复合正向省磁场臣H+：电子桶和空郑穴偏广向刘r我区，电流林因复绣合增歉大而蒸减小反向珍磁场双H刚-租：电子沈和空数穴偏婶向恰I盟区，电流跑因复动合减跑少而选增大3、毒主要及技术绘特性素及参调数（1）灵敏度外加磁感应强度B为0.1T时，输出端电压增量与电流增量的比值。（2）电压输出特性-0.10.10.20.30.42.01.51.00.50-0.5-1.0（3）温度特性-40-2002040601.51.00.54、卸特点（1丸）灵漫敏度驴高：芒测量俘弱磁哄场（2岩）具舟有正龙反磁岗灵敏饰度（3择）线毯性范汉围较袋窄13579根据步某一愚电压讯下的赶电流蹈值可逐确定估磁场胆的大留小和傻方向荐。（4任）伏伪安特目性例：哨漏磁餐探伤如仪显示仪表激励线圈放大器铁芯钢棒磁敏二极管探头显示仪表激励线圈放大器铁芯钢棒裂纹磁敏二极管探头钢棒：转动、磁化无损暂伤部锦分：宜闭合酬磁路快、无胳泄漏充磁通鹊，无障输出肾信号裂纹建：泄赏漏磁妖通、申磁敏傅二极户管探苦头输摇出信叙号5、冰应用磁敏弊三极畅管1、结构2、延工作雁原理复合基区输运基区复合基区输运基区复合基区输运基区复合基区输运基区无磁赌场作乞用：e诵-中I啦-骑b：穿基极丙电流输运旬基区夺：集批电极例电流正向炸磁场则作用芽：载流假子偏纽奉向发的射极满一侧复，集电编极电歼流减罚小反向雄磁场旷作用铁：载流黎子偏遇向集哥电极凡一侧垃，集电摊极电钢流偏李大§7卷.3男气陵体成夫分检竟测热导惊式气峰体分脱析仪热磁吓式气工体分爷析仪红外询线气悔体分震析仪热导单式气芹体分谋析仪通过农介质相微元暴等温奥面传涉导的贴热流蓄量，赵不仅子与等销温面盼处温至度梯侄度有申关，匙而且亩与介持质的他导热音系数暑成正收比。腾导热肃系数断标志羊着物扔质的从导热故能力徒。对于牙多组代分气西体，佛由于备组分恶含量扭不同利，混治合气舌体导郊热能悔力将病会发禾生变狡化。浸根据滩混合即气体丝式导热轰能力间的差叨异，萄就可恢以实践现气注体组蝇分的摊含量存分析颜。根屯据传轿热学蓬理论甲，在聪温场挤中的被介质栋传导倚的热继流量导热浆系数对于绳不同轻的介猪质，鄙导热拒系数毛的大眼小是登不同菠的。固体愤和液姜体的幻玉导热钢系数熟较大扑，气刊体的倒导热哥系数微较小泻。气体柳的导禁热系嫌数通碑常与拌温度狸有关痒。当铅温度舟升高佩时，扩分子幅运动秧加剧辽，导币热系喝数随温之增筋大。洗导热培系数霞与温般度的览关系摆可近蛮似写小成β——花介质油导热任系数厌的温缓度系炕数。表7利.3勉.1寺常见亮气体煌相对饲导热怒系数λ（瓜0℃）气体名称空气N2O2COCO2λ×10-2W/m•K2.4402.4322.4662.3571.465相对导热系数1.000.9961.0130.960.605气体名称H2SO2NH3CH4Cl2λ×10-2W/m•K17.4171.0042.1773.0190.788相对导热系数7.150.350.891.250.323混合慈气体仆的导秘热系横数由所柏含组丘分气锹体的恶导热顷系数泛共同丘决定费的。器对于板彼此急之间尿无相筐互作询用的岩多组誉分气及体，晌其导山热系乓数可亦近似磨地认悬为是氧各组雾分导润热系百数按锈组成挤含量惹的加俱权平鹊均值娘，即根据期混合嫩气体流导热羽系数制与各稼组分缎导热退系数按之间屿的关俱系，货就可墨以实束现多凳组分饶气体涂的含验量分蓬析。严格括地讲勾，热醋导式弃气体察成分字分析浴仪只受能解虽决双它组分拆气体按的含贴量分骡析，耗此具谋体形采式为毕：由于谁C1+C2=1肝00供%只要冒测出软混合姨气体宣的导罗热系嗓数，锐就可雨以根限据两旱组分顾的导陶热系仅数求得累待测链组分招的含虽量。对上楼式微允分，多可得仪器旨的灵势敏度颤与两波个组怨分导披热系球数之公差成世正比婆，即两塌组分长导热琴系数喉相差旺越大贫，仪究器的运灵敏慢度就奥越高若。（1浇）除汽待分允析的走组分蛇外，亮其余暖组分轻的导竟热系馒数相司等或岛接近临，即催接近敌的程崇度越夏高，扛仪器考的测她量精池度越极高。捡若个也别气评体的阁值与笑其它课背景军气体嫁的值志相差螺较远异时，迁则被遇视为源干扰醉成分腾，在降分析夹之前唇要去迅掉。（2步）待辰分析念组分榴与其耀余组庆分的率导热扶系数毫相差肌很大税，以萍保证兴仪器但有较丝式高的端灵敏钩度。对于汗烟气范和大凶多数湾多组亡分混博合气铜体，池各组钱分之合间满元足：1.哄热导台池的潜工作岩原理热导誉池结梦构示坑意图1-共腔体烫；2-逐电阻旗丝；3-谋支承萌架；4-脱绝缘现；5-生引线阶；6-镜气体非出口踢；7-纯气体粗入口当电机阻元竹件通定过电拒流I佩时，侦电阻酱吸收贼的功订率将冶全部楼转换封成热侮量此热织流量卡一方聋面使鼠电阻塑元件喷本身恒温度告升高要，另得一方陷面也阀向周节围散虾失。电阻银元件寄向外鬼散失会的热验量主凭要是辱靠热鹅导池田内气夸体的亲导热天。当通长过电捷阻元例件的卸电流下，气度体成趣分以蚀及热暮导池著壁面水温度迫一定惯时，电阻悟元件颜温度磨上升互到某谊一数似值后柿，便引会出始现电萄源供养给的么热量海与气略体的作导热交量相毅平衡肤的情巷况，姿以后栽电阻叹元件顷的温毁度以鸭及热刮导池钢内的呀温场遇分布滑都将派保持近不变碧。热平乔衡时蔑热导之池内短的温抚场为睡一系盗列同丽轴圆摊柱等增温面衬。对于纺半径亿为r下的等失温面浸，单钳位时间间气志体的艰导热漏量为热平僻衡时吸各等兔温面骄的导蜓热量写相当逐，d校Q值望与r坦无关碗，则仰式变换为对于敞热导栗池壁富，当富r=席rc时，傲t=渔tc，代贪入上录式可墙得积丛分常喇数C斥为式中月，畅rc——滔热导构池内纽奉壁半铅径。式中定，λ0——甚混合追气体鸭在0寄℃时甜的导槐热系题数；β——降混合置气体纠导热驴系数缸的温藏度系辅数；假定敌电阻梳丝r夺=rw表面耀处的风温度脸t=棕tw式中限，λm——叔混合舍气体挺的平云均导誉热系着数；K—弊—与铸热导产池尺呀寸有赢关的扮常数不，称棕为热归导池乞常数皂。电阻胸丝的仿阻值弦是温姓度的哲函数热导贿式气军体分徐析仪呢热导宫池的坦特性境方程当电拖阻丝抗通过翼的电去流I知和热它导池孩的壁恢面温罩度tc固定泊时，电阻纠丝的叮阻值江只与渣分析沃气体毙的导质热系级数有翁关。测量攀电阻朱丝阻雪值，家便可直对多鹊组分发气体赚待测功组分山的含嘴量分扰析。新型饮热导乳式分勾析仪硅传侄感器饥热导阅池原斩理图3.佣热导朗池的否结构热导粥池的触四种根结构艇型式（2和）电概阻丝应的结脆构及虹支撑即方法测量摧电路被测遣气体驳浓度佳的变顿化，可经过拒热导做池检颤测器态变成牧了电辫阻丝域阻值党的变包化，竿阻值齐的变坡化可甩采用谜电桥慨来进诱行测克量。实际魂常用袜的测烟量电招路有黑两种量：(1车)报直流养单桥悬测量凉线路(2瓦)姜交流阁双桥煤测量准线路(1血)筒直流屠单桥冶测量谦线路稳压毁器供暗电的订直流塌单桥售测量夹线路(2莲)案交流器双桥捐测量朽线路热磁卖式气卵体分挪析仪一、纱热磁批式氧甲气分忘析仪二、连氧化包锆式松氧量蚁分析有仪在固巨体电理解质挺中，林作为絮载流变子传从导电牺流的背，主步要是狮离子卫。二氧臣化锆怨（Z盆rO2）在高兄温下警(但挑尚远谋未达那到熔造融的毫温度衫)具轻有氧离亡子传仙导性。纯净径的二尿氧化误锆在袖常温恶下属刊于单塌斜晶和系，尺随着顷温度盼的升拨高，危发生忙相转攻变。螺在1织10袜0℃吉下，肺为正锡方晶荡系，前25撑00削℃下彼，为侧立方启晶系违，2演70滔0℃泽下熔协融，维在熔尸融二载氧化树锆中轰添加胞氧化广钙、使三氧咬化二叠钇、烈氧化闻镁等倦杂质暴后，站成为羡稳定洒的正狸方晶尸型，截具有汗莹石柴结构算，称援为稳眠定化阳二氧红化锆职。并络且由于级杂质且的加惕入，棍在二僵氧化孤锆晶暗格中身产生库氧空娱位，绳其浓切度随营杂质搁的种额类和堂添加踩量而培改变，其械离子街电导锋性也今随杂类质的碑种类蚂和数角量而受变化遥。当氧可化锆粱管内趴侧流蜂过待臭测气剧体时遥，在车铂电漫极间扑产生贝电势E为式中技：R——苹氧薯的气约体常爪数，择为8抚.3沉14摇J丸/m络ol·KF——蜡法宅拉第气常数团，为荒96受.4贡87×103C/鄙mo惜lT——铃被美测气骂体的卵绝对童温度串，单危位忘Kn——尘参御加反摸应的重电子裹数，宽n=笛4P1街——须被友测气砖体的意氧分匪压，猛％P2备——腾参紧比气铸体（裁空气均）的愿氧分拉压，粗20胞.6土的％红外纪线气议体分伤析仪红外暑线气愿体分含析器苍属于谣光学虏分析宰仪表缎中的钉一种塌。它腥是利泼用不袜同气摘体对遮不同仪波长技的红着外线款具有喇选择种性吸抄收的你特性副来进及行分侦析的高。这类伐仪表尖的特讲点是携测量穷范围缎宽、捎灵敏前度高势、能株分析货的气秀体体两积分鸡数可考到1选0-巡寿6(首pp权m级怀)；粥反应贡速度翁快、众选择您性好兰。红外碗线气洞体分涝析器煌常用聋于连桌续分果析混垒合气托体中哑C私O、融CO尝2、刮CH淡4、烫NH朽3等凡气体尖的浓打度。红外泛线气朋体分丸析器翻一般亚由红任外辐眯射源借、测鞭量气任样室敌、红测外探才测装惯置等浆组成界。从红蔬外光摔源发拴出强粥度为巷I0的平稻行红鸡外线失，被备测组唐分选梢择吸绍收其更特征洋波长选的辐候射能供，红丹外线潮强度克将减渡弱为史I，晨红外唱线通爽过吸逆收物靠质前闭后强夏度的泄变化内与被算测组熟分浓避度的还关系类服从蹈朗伯香—贝砌尔定朋律：式中怪K为屿被测霜组分原吸收弟系数柱；C博为被楚测组挖分浓抵度；胀L为迹光线直通过扑被测晕组分霜的吸辜收层咽厚度蕉。§7艘.4意气额敏传谈感器半导衡体气鸟敏传瘦感器红外停吸收门式气森敏传罗感器薄膜北气敏框传感沟器半导稀体气殃敏传田感器19渣70早年，辩荷兰紫科学抓家B鸟er渗gv未el栗d研去制出驴了对特氢离织子响仰应的花离子暗敏感坦场效志应晶涛体管喇，标著志着燥离子殖敏半纪导体洽传感恭器的涨诞生构。半首导体缠传感凝器以吹其易均于实袋现集膜成化悔，微恳型化晕、灵拨敏度阀高等未诸多炒优点秋。所谓半导吗体气肾敏传浊感器，是且利用汤半导近体气扫敏元垦件同遗气体眯接触娱，造摸成半肺导体墙性质果变化曲，借你此来驳检测凭特定巡寿气体月的成由分或居者测堆量其嫂浓度气的传粥感器伪的总岩称。主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式表面控制型氧化银氧化锌室温~450℃可燃性气体体控制型氧化钛氧化钴氧化镁氧化锡700℃以上酒精氧气可燃性气体非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉铂/氧化钛室温~200℃氢气一氧化碳酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管150℃氢气硫化氢表钓半导蓝体气战体传肉感器奏的分扒类一、伐基本亏结构内热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号（2最）旁辛热式写Sn卫O2气敏最元件加热仆器电恋阻值切一般为30分Ω～40涨Ω电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网Ø18.4Ø123123456745°45°气敏元件外形和引出线分布§7嚷.5统湿护度和处含水脏量的往检测精密稠仪器象、半杯导体楚集成见电路毙与元婚器件吨制造满场所拌，气汉象预近报、勤医疗塘卫生听、食摧品加倚工等蝴行业反都有胀广泛到的应缝用。一、沾湿度喂表示默法空气渠中含怪有水不蒸气贪的量贩称为你湿度舌，含来有水掌蒸气是的空区气是幼一种锦混合江气体棒。主姨要有绝质量再百分赤比和桥体积尝百分夹比、驶相对窗湿度址和绝雨对湿评度、芳露点宪（霜杂点）热等表名示法茧。1、纳质量薯百分臂比和丈体积首百分硬比质量来为M的混固合气献体中文，若赞含水裳蒸气创的质温量为m，则梯质量与百分遵比为v／V驻×1填00虏％这两榨种方羽法统暗称为秤水蒸荣气百追分含征量法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