磁场与成分参数检测

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、特性磁敏二极管一、磁敏二极管1、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、工作原理磁场H=0：少量电子和空穴在I区、r区复合正向磁场H+

：电子和空穴偏向r区，电流因复合增大而减小反向磁场H-：电子和空穴偏向I区，电流因复合减少而增大3、主要技术特性及参数（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、特点（1）灵敏度高：测量弱磁场（2）具有正反磁灵敏度（3）线性范围较窄13579根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。（4）伏安特性例：漏磁探伤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、磁化无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号5、应用磁敏三极管

1、结构2、工作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场作用：

e-I-b：基极电流输运基区：集电极电流正向磁场作用：载流子偏向发射极一侧，集电极电流减小反向磁场作用：载流子偏向集电极一侧，集电极电流偏大§7.3气体成分检测热导式气体分析仪热磁式气体分析仪红外线气体分析仪热导式气体分析仪通过介质微元等温面传导的热流量，不仅与等温面处温度梯度有关，而且与介质的导热系数成正比。导热系数标志着物质的导热能力。对于多组分气体，由于组分含量不同，混合气体导热能力将会发生变化。根据混合气体导热能力的差异，就可以实现气体组分的含量分析。根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量

导热系数对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。气体的导热系数通常与温度有关。当温度升高时，分子运动加剧，导热系数随之增大。导热系数与温度的关系可近似写成β——介质导热系数的温度系数。表7.3.1常见气体相对导热系数λ（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混合气体的导热系数由所含组分气体的导热系数共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分气体，其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按组成含量的加权平均值，即根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系，就可以实现多组分气体的含量分析。

严格地讲，热导式气体成分分析仪只能解决双组分气体的含量分析，此具体形式为：由于C1+C2=100%只要测出混合气体的导热系数，就可以根据两组分的导热系数求得待测组分的含量。对上式微分，可得仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比，即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高。（1）除待分析的组分外，其余组分的导热系数相等或接近，即接近的程度越高，仪器的测量精度越高。若个别气体的值与其它背景气体的值相差较远时，则被视为干扰成分，在分析之前要去掉。（2）待分析组分与其余组分的导热系数相差很大，以保证仪器有较高的灵敏度。对于烟气和大多数多组分混合气体，各组分之间满足：1.热导池的工作原理热导池结构示意图1-腔体；2-电阻丝；3-支承架；4-绝缘；5-引线；6-气体出口；

7-气体入口当电阻元件通过电流I时，电阻吸收的功率将全部转换成热量此热流量一方面使电阻元件本身温度升高，另一方面也向周围散失。电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热。当通过电阻元件的电流，气体成分以及热导池壁面温度一定时，电阻元件温度上升到某一数值后，便会出现电源供给的热量与气体的导热量相平衡的情况，以后电阻元件的温度以及热导池内的温场分布都将保持不变。热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。对于半径为r的等温面，单位时间气体的导热量为热平衡时各等温面的导热量相当，dQ值与r无关，则式变为对于热导池壁，当r=rc时，t=tc，代入上式可得积分常数C为式中，rc——热导池内壁半径。式中，λ0——混合气体在0℃时的导热系数；

β——混合气体导热系数的温度系数；假定电阻丝r=rw表面处的温度t=tw

式中，λm——混合气体的平均导热系数；

K——与热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。电阻丝的阻值是温度的函数热导式气体分析仪热导池的特性方程当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度tc固定时，电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关。测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析。新型热导式分析仪

硅传感器热导池原理图3.热导池的结构热导池的四种结构型式（2）电阻丝的结构及支撑方法测量电路被测气体浓度的变化，经过热导池检测器变成了电阻丝阻值的变化，阻值的变化可采用电桥来进行测量。实际常用的测量电路有两种：

(1)直流单桥测量线路

(2)交流双桥测量线路(1)直流单桥测量线路稳压器供电的直流单桥测量线路(2)交流双桥测量线路热磁式气体分析仪一、热磁式氧气分析仪二、氧化锆式氧量分析仪在固体电解质中，作为载流子传导电流的，主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100℃下，为正方晶系，2500℃下，为立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。当氧化锆管内侧流过待测气体时，在铂电极间产生电势E

为式中：R

——

氧的气体常数，为8.314J/mol·K

F

——

法拉第常数，为96.487×103C/mol

T

——

被测气体的绝对温度，单位K

n

——

参加反应的电子数，n=4

P1——

被测气体的氧分压，％

P2——

参比气体（空气）的氧分压，20.6的％红外线气体分析仪红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种。它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的。这类仪表的特点是测量范围宽、灵敏度高、能分析的气体体积分数可到10-6(ppm级)；反应速度快、选择性好。红外线气体分析器常用于连续分析混合气体中CO、CO2、CH4、NH3等气体的浓度。红外线气体分析器一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置等组成。从红外光源发出强度为I0的平行红外线，被测组分选择吸收其特征波长的辐射能，红外线强度将减弱为I，红外线通过吸收物质前后强度的变化与被测组分浓度的关系服从朗伯—贝尔定律：式中K为被测组分吸收系数；C为被测组分浓度；L为光线通过被测组分的吸收层厚度。§7.4气敏传感器半导体气敏传感器红外吸收式气敏传感器薄膜气敏传感器半导体气敏传感器1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。半导体传感器以其易于实现集成化，微型化、灵敏度高等诸多优点。所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。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℃氢气硫化氢表半导体气体传感器的分类一、基本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）旁热式SnO2气敏元件加热器电阻值一般为30Ω～40Ω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