第15讲磁场与成分参数检测.ppt
第7章磁场与成分参数检测,本章内容,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。,7.1.1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,电阻率变化,电阻率相对变化,磁敏电阻：InSb、InAs,1、原理,二、磁敏电阻,2、结构,3、特性,7.1.2磁敏二极管,一、磁敏二极管1、结构,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,4、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,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,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,7.1.3磁敏三极管,2、工作原理,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,7.3.1热导式气体分析仪7.3.2热磁式气体分析仪7.3.3红外线气体分析仪,7.3.1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,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（0）,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，0混合气体在0时的导热系数；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，m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,7.3.2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8.314 J/molKF 法拉第常数，为96.487103 C/molT 被测气体的绝对温度，单位 Kn 参加反应的电子数，n=4P1 被测气体的氧分压，P2 参比气体（空气）的氧分压，20.6的,7.3.3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,7.4.1半导体气敏传感器7.4.2红外吸收式气敏传感器7.4.3薄膜气敏传感器,7.4.1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。,表7.4.1半导体气体传感器的分类,一、基本结构,（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一般为3040,7.5湿度和含水量的检测,精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。,一、湿度表示法 空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。1、质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为,vV100,这两种方法统称为水蒸气百分含量法。,mM100,在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为,2、相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为,m待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。,如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可得出：,P：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；T：空气的绝对温度。,湿度传感器依据使用材料分类：电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。,高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,
