磁場(chǎng)與成分參數(shù)檢測(cè)

本章內(nèi)容磁敏傳感器7.1磁場(chǎng)檢測(cè)7.2氣體成分檢測(cè)7.3氣敏傳感器7.4濕度和含水量的檢測(cè)7.5液體濃度的檢測(cè)7.6§7.1磁敏傳感器磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。早在1856年和1879年就發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)，實(shí)用的磁敏傳感器產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料發(fā)現(xiàn)之后。60年代初，西門子公司研制出第一個(gè)實(shí)用的磁敏元件；1966年出現(xiàn)了鐵磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能優(yōu)良、靈敏度高的磁敏二極管；1974年美國韋岡德發(fā)明了雙穩(wěn)態(tài)磁性元件。目前上述磁敏元件已得到廣泛的應(yīng)用。磁敏傳感器主要有磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏晶體管和霍爾式磁敏傳感器。磁敏電阻一、磁阻效應(yīng)將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱磁阻效應(yīng)。磁敏電阻器就是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為當(dāng)溫度恒定時(shí)，在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率——零磁場(chǎng)下的電阻率——電子遷移率——磁感應(yīng)強(qiáng)度式中電阻率變化電阻率相對(duì)變化磁敏電阻：InSb、InAs1、原理二、磁敏電阻科爾比諾圓盤——形狀效應(yīng)系數(shù)——電阻長度——電阻寬度01234567891020

151051l/b=3l/b=1l/b=1/32、結(jié)構(gòu)-5-3-10135700

600500400300200100020406080150100503、特性磁敏二極管一、磁敏二極管1、結(jié)構(gòu)I區(qū)：高阻本征區(qū)P、N：重?fù)诫s區(qū)P-I-N結(jié)I區(qū)兩側(cè)處理：光滑：I面打毛：復(fù)合面（r面）2、工作原理磁場(chǎng)H=0：少量電子和空穴在I區(qū)、r區(qū)復(fù)合正向磁場(chǎng)H+

：電子和空穴偏向r區(qū)，電流因復(fù)合增大而減小反向磁場(chǎng)H-：電子和空穴偏向I區(qū)，電流因復(fù)合減少而增大3、主要技術(shù)特性及參數(shù)（1）靈敏度外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.1T時(shí)，輸出端電壓增量與電流增量的比值。（2）電壓輸出特性-0.10.10.20.30.42.01.51.00.50-0.5-1.0（3）溫度特性-40-2002040601.51.00.54、特點(diǎn)（1）靈敏度高：測(cè)量弱磁場(chǎng)（2）具有正反磁靈敏度（3）線性范圍較窄13579根據(jù)某一電壓下的電流值可確定磁場(chǎng)的大小和方向。（4）伏安特性例：漏磁探傷儀顯示儀表激勵(lì)線圈放大器鐵芯鋼棒磁敏二極管探頭顯示儀表激勵(lì)線圈放大器鐵芯鋼棒裂紋磁敏二極管探頭鋼棒：轉(zhuǎn)動(dòng)、磁化無損傷部分：閉合磁路、無泄漏磁通，無輸出信號(hào)裂紋：泄漏磁通、磁敏二極管探頭輸出信號(hào)5、應(yīng)用磁敏三極管

1、結(jié)構(gòu)2、工作原理復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)無磁場(chǎng)作用：

e-I-b：基極電流輸運(yùn)基區(qū)：集電極電流正向磁場(chǎng)作用：載流子偏向發(fā)射極一側(cè)，集電極電流減小反向磁場(chǎng)作用：載流子偏向集電極一側(cè)，集電極電流偏大§7.3氣體成分檢測(cè)熱導(dǎo)式氣體分析儀熱磁式氣體分析儀紅外線氣體分析儀熱導(dǎo)式氣體分析儀通過介質(zhì)微元等溫面?zhèn)鲗?dǎo)的熱流量，不僅與等溫面處溫度梯度有關(guān)，而且與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)成正比。導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)志著物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。對(duì)于多組分氣體，由于組分含量不同，混合氣體導(dǎo)熱能力將會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱能力的差異，就可以實(shí)現(xiàn)氣體組分的含量分析。根據(jù)傳熱學(xué)理論，在溫場(chǎng)中的介質(zhì)傳導(dǎo)的熱流量

導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于不同的介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)的大小是不同的。固體和液體的導(dǎo)熱系數(shù)較大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較小。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)通常與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似寫成β——介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)。表7.3.1常見氣體相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)λ（0℃）氣體名稱空氣N2O2COCO2λ×10-2W/m?K2.4402.4322.4662.3571.465相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)1.000.9961.0130.960.605氣體名稱H2SO2NH3CH4Cl2λ×10-2W/m?K17.4171.0042.1773.0190.788相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)7.150.350.891.250.323混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)由所含組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)共同決定的。對(duì)于彼此之間無相互作用的多組分氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)可近似地認(rèn)為是各組分導(dǎo)熱系數(shù)按組成含量的加權(quán)平均值，即根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)與各組分導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體的含量分析。

嚴(yán)格地講，熱導(dǎo)式氣體成分分析儀只能解決雙組分氣體的含量分析，此具體形式為：由于C1+C2=100%只要測(cè)出混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，就可以根據(jù)兩組分的導(dǎo)熱系數(shù)求得待測(cè)組分的含量。對(duì)上式微分，可得儀器的靈敏度與兩個(gè)組分導(dǎo)熱系數(shù)之差成正比，即兩組分導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，儀器的靈敏度就越高。（1）除待分析的組分外，其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相等或接近，即接近的程度越高，儀器的測(cè)量精度越高。若個(gè)別氣體的值與其它背景氣體的值相差較遠(yuǎn)時(shí)，則被視為干擾成分，在分析之前要去掉。（2）待分析組分與其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，以保證儀器有較高的靈敏度。對(duì)于煙氣和大多數(shù)多組分混合氣體，各組分之間滿足：1.熱導(dǎo)池的工作原理熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖1-腔體；2-電阻絲；3-支承架；4-絕緣；5-引線；6-氣體出口；

7-氣體入口當(dāng)電阻元件通過電流I時(shí)，電阻吸收的功率將全部轉(zhuǎn)換成熱量此熱流量一方面使電阻元件本身溫度升高，另一方面也向周圍散失。電阻元件向外散失的熱量主要是靠熱導(dǎo)池內(nèi)氣體的導(dǎo)熱。當(dāng)通過電阻元件的電流，氣體成分以及熱導(dǎo)池壁面溫度一定時(shí)，電阻元件溫度上升到某一數(shù)值后，便會(huì)出現(xiàn)電源供給的熱量與氣體的導(dǎo)熱量相平衡的情況，以后電阻元件的溫度以及熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場(chǎng)分布都將保持不變。熱平衡時(shí)熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場(chǎng)為一系列同軸圓柱等溫面。對(duì)于半徑為r的等溫面，單位時(shí)間氣體的導(dǎo)熱量為熱平衡時(shí)各等溫面的導(dǎo)熱量相當(dāng)，dQ值與r無關(guān)，則式變?yōu)閷?duì)于熱導(dǎo)池壁，當(dāng)r=rc時(shí)，t=tc，代入上式可得積分常數(shù)C為式中，rc——熱導(dǎo)池內(nèi)壁半徑。式中，λ0——混合氣體在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；

β——混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)；假定電阻絲r=rw表面處的溫度t=tw

式中，λm——混合氣體的平均導(dǎo)熱系數(shù)；

K——與熱導(dǎo)池尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為熱導(dǎo)池常數(shù)。電阻絲的阻值是溫度的函數(shù)熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)池的特性方程當(dāng)電阻絲通過的電流I和熱導(dǎo)池的壁面溫度tc固定時(shí)，電阻絲的阻值只與分析氣體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。測(cè)量電阻絲阻值，便可對(duì)多組分氣體待測(cè)組分的含量分析。新型熱導(dǎo)式分析儀

硅傳感器熱導(dǎo)池原理圖3.熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)池的四種結(jié)構(gòu)型式（2）電阻絲的結(jié)構(gòu)及支撐方法測(cè)量電路被測(cè)氣體濃度的變化，經(jīng)過熱導(dǎo)池檢測(cè)器變成了電阻絲阻值的變化，阻值的變化可采用電橋來進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際常用的測(cè)量電路有兩種：

(1)直流單橋測(cè)量線路

(2)交流雙橋測(cè)量線路(1)直流單橋測(cè)量線路穩(wěn)壓器供電的直流單橋測(cè)量線路(2)交流雙橋測(cè)量線路熱磁式氣體分析儀一、熱磁式氧氣分析儀二、氧化鋯式氧量分析儀在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100℃下，為正方晶系，2500℃下，為立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。當(dāng)氧化鋯管內(nèi)側(cè)流過待測(cè)氣體時(shí)，在鉑電極間產(chǎn)生電勢(shì)E

為式中：R

——

氧的氣體常數(shù)，為8.314J/mol·K

F

——

法拉第常數(shù)，為96.487×103C/mol

T

——

被測(cè)氣體的絕對(duì)溫度，單位K

n

——

參加反應(yīng)的電子數(shù)，n=4

P1——

被測(cè)氣體的氧分壓，％

P2——

參比氣體（空氣）的氧分壓，20.6的％紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析器屬于光學(xué)分析儀表中的一種。它是利用不同氣體對(duì)不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性來進(jìn)行分析的。這類儀表的特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬、靈敏度高、能分析的氣體體積分?jǐn)?shù)可到10-6(ppm級(jí))；反應(yīng)速度快、選擇性好。紅外線氣體分析器常用于連續(xù)分析混合氣體中CO、CO2、CH4、NH3等氣體的濃度。紅外線氣體分析器一般由紅外輻射源、測(cè)量氣樣室、紅外探測(cè)裝置等組成。從紅外光源發(fā)出強(qiáng)度為I0的平行紅外線，被測(cè)組分選擇吸收其特征波長的輻射能，紅外線強(qiáng)度將減弱為I，紅外線通過吸收物質(zhì)前后強(qiáng)度的變化與被測(cè)組分濃度的關(guān)系服從朗伯—貝爾定律：式中K為被測(cè)組分吸收系數(shù)；C為被測(cè)組分濃度；L為光線通過被測(cè)組分的吸收層厚度?！?.4氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器紅外吸收式氣敏傳感器薄膜氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器1970年，荷蘭科學(xué)家Bergveld研制出了對(duì)氫離子響應(yīng)的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管，標(biāo)志著離子敏半導(dǎo)體傳感器的誕生。半導(dǎo)體傳感器以其易于實(shí)現(xiàn)集成化，微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。所謂半導(dǎo)體氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測(cè)特定氣體的成分或者測(cè)量其濃度的傳感器的總稱。主要物理特性傳感器舉例工作溫度典型被測(cè)氣體電阻式表面控制型氧化銀氧化鋅室溫~450℃可燃性氣體體控制型氧化鈦氧化鈷氧化鎂氧化錫700℃以上酒精氧氣可燃性氣體非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鉑/硫化鎘鉑/氧化鈦室溫~200℃氫氣一氧化碳酒精晶體管特性鉑柵MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管150℃氫氣硫化氫表半導(dǎo)體氣體傳感器的分類一、基本結(jié)構(gòu)內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào)（2）旁熱式SnO2氣敏元件加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)7100目不銹鋼網(wǎng)?18.4?123123456745°45°氣敏元件外形和引出線