第15讲磁场与成分参数检测.ppt

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1、传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程2传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程本章内容本章内容磁敏传感器磁敏传感器7.1磁场检测磁场检测7.2气体成分检测气体成分检测7.3气敏传感器气敏传感器7.4湿度和含水量的检测湿度和含水量的检测7.5液体浓度的检测液体浓度的检测7.63传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.1磁敏传感器磁敏传感器n磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。n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

2、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。n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。4传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.1.1磁敏电阻磁敏电阻n一、磁阻效应l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。l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5传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程220(1

3、0.273)BB当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导的平方成正比。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电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为为B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率时的电阻率0 零磁场下的电阻率零磁场下的电阻率 电子迁移率电子迁移率 磁感应强度磁感应强度B式中式中6传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程0B电阻率变化电阻率变化22200.273()BkB电阻率相对变化电阻率相对变化磁敏电阻：磁敏电阻：InSb、InAs7传感器与检测技术教程传感器与检测技术

4、教程IIIIIIBBB二、磁敏电阻二、磁敏电阻8传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程blfBk1)(20blflb0)10(1TBl/b=3l/b=1l/b=1/32、结构、结构9传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程10传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程磁阻)1.0(TB）电阻（）温度（CVOUTU3、特性、特性11传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.1.2磁敏二极管磁敏二极管n一、磁敏二极管l 1、结构PNI区rPNI区r12传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程PNI面rHPNI面rHPNI面r13传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程OUTV)(TB）（VVOU

5、T）（CTVV14传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程IkGs2kGs5.1kGs10kGs5.0kGs5.0kGs2kGs5.1kGs1kGs5.1）电压（V15传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程显示显示仪表仪表激励线圈放大器铁芯钢棒磁敏二极管探头显示显示仪表仪表激励线圈放大器铁芯钢棒裂纹磁敏二极管探头5、应用、应用16传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.1.3磁敏三极管磁敏三极管 bcePNNIrbcePNNrbcexy复合基区输运基区I17传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程PNNrbcexy复合基区输运基区HPNNrbcexy复合基区输运基区HPNNrbcexy复

6、合基区输运基区I18传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.3气体成分检测气体成分检测n7.3.1热导式气体分析仪n7.3.2热磁式气体分析仪n7.3.3红外线气体分析仪19传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.3.1热导式气体分析仪热导式气体分析仪dSdndtdQ通过介质微元等温面传导的热流量，不仅与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。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，混合对于多组分气体，由于组分含量不同，混合气体导热能力

7、将会发生变化。根据混合气体导热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。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根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量 20传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n导热系数n对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。l 固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。n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)1(0t介质导热系数的温度系数。介质导热系数的温度系数。21传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程表

8、表7.3.1 常见气体相对导热系数常见气体相对导热系数（0）气体名称空气N2O2COCO210-2W/mK2.4402.4322.4662.3571.465相对导热系数1.000.9961.0130.960.605气体名称H2SO2NH3CH4Cl210-2W/mK17.4171.0042.1773.0190.788相对导热系数7.150.350.891.250.32322传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n混合气体的导热系数n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1niiiC根据混合气体导

9、热系数与各组分导热系数之间的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。关系，就可以实现多组分气体的含量分析。23传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程严格地讲，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：1122CC由于由于C1+C2=100%1121(1)CC2112C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。求得待测组分的含量。对上式微分，可得对上式微分，可得 121ddC仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比，仪器的灵敏度与两个组分导热系数之

10、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。即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高。24传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程（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，各组分之间对于烟气和大多数多组分混合气体，各组分之间满足：满足：25传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程1.热导池的工作原理热导池结构示意图热导池结构示意图1-腔体；腔体；2

11、-电阻丝；电阻丝；3-支承架；支承架；4-绝缘；绝缘；5-引线；引线；6-气体出口；气体出口；7-气体入口气体入口 26传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程当电阻元件通过电流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时，电阻吸收的功率将全部转换成热量 RIdQ2此热流量一方面使电阻元件本身温度升高，另一方面也向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。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。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

12、时，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。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。热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。对于半径为对于半径为r的等温面，单位时间气体的导热量为的等温面，单位时间气体的导热量为SdrdtdQ27传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程热平衡时各等温面的导热量相当，热平衡时各等温面的导热量相当，dQ值与值与r无关，则式变

13、为无关，则式变为 rdrldQdt2CrldQttln2)1(0对于热导池壁，当对于热导池壁，当r=rc时，时，t=tc，代入上式可得积分常数，代入上式可得积分常数C为为cccrldQttCln2)1(0式中，式中，rc热导池内壁半径。热导池内壁半径。式中，式中，0混合气体在混合气体在0时的导热系数；时的导热系数；混合气体导热系数的温度系数；混合气体导热系数的温度系数；28传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程假定电阻丝假定电阻丝r=rw表面处的温度表面处的温度t=tw)(cwmttKdQ式中，式中，m混合气体的平均导热系数；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。

14、与热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。)(10cwwcmttttwcrrlKln2电阻丝的阻值是温度的函数电阻丝的阻值是温度的函数)1(0wtRRmcKRItRR0201)1(热导式气体分析仪热导池的特性方程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当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度和热导池的壁面温度tc固定时，固定时，电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关。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。测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析。29传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程新型热导式分析仪新型热导式分析仪

15、硅传感器热导池原理图硅传感器热导池原理图30传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程3.热导池的结构热导池的四种结构型式热导池的四种结构型式31传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程（2）电阻丝的结构及支撑方法）电阻丝的结构及支撑方法 32传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程测量电路测量电路n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。n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33传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程(1)直流单桥测量线路直流单桥测量线路稳压器供电的直流单桥测量线路稳压器供电的直流单桥测量线

16、路34传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程(2)交流双桥测量线路交流双桥测量线路35传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程36传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.3.2热磁式气体分析仪热磁式气体分析仪n一、热磁式氧气分析仪37传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程n二、氧化锆式氧量分析仪l 在固体电解质中，作为载流子传导电流的，主要是离子。在固体电解质中，作为载流子传导电流的，主要是离子。二氧化二氧化锆（锆（ZrO2）在高温下在高温下(但尚远未达到熔融的温度但尚远未达到熔融的温度)具有具有氧离子传导氧离子传导性性。l 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。在相转变。在1100下，为正方晶系，下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，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。并且化二氧化锆。