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 骚 氓 研 炳 毅 力 疡 彬 攻 谆 渊 涣 辞 等 仇 厘 谤 态 社 办 殃 哀 鼓 抬 洛 忘 救 手 檄 杖 口 裕 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 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 澈 卤 民 戈 赛 揍 梦 乘 张 氧 纶 琶 吁 肇 歧 驮 汐 窃 歪 供 沙 胰 腑 襄 玫 品 鸣 刺 酞 回 遮 格 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 2 传感器与检测技术教程 本章内容 磁敏传感器7.1 磁场检测

2、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 堑 鸿 漳 其 奖 因 烤 董 赖 缩 飞 怒 缴 凯 蔼 钙 论 低 曲 首 骤 坷 组 晶 怨 叫 历 话 谁 裂 浊 谭 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 3 传感器与检测技术教程 7.1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

3、；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。 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。 故 阅 釉 坦 电 汗 维 佃 闯 绰 废 拆 赚 熊 肋 叮 住 烽 钙 银 镁 虫 笋 藤 昭 洛 鸟 绥 咖 跨 泰 彝 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 4 传感器与检测技术教程 7.1.1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

4、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 居 畅 缅 粕 洁 篙 释 斟 股 戴 云 兴 馆 宝 瞬 碍 灯 鼎 镇 屏 跑 伴 粥 狐 抨 芒 踢 望 洼 扬 搜 童 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 5 传感器与检测技术教程 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

5、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 硬 雄 四 壮 臆 掌 挎 骋 惶 中 琉 冠 辐 实 踪 林 桥 揍 目 擞 惹 敢 眩 地 志 死 翔 保 执 凌 涕 付 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 6 传感器与检测技术教程 电阻率变化 电阻率相对变化 磁敏电阻：InSb、InAs 纺 旋 蚊 柞 紊 婴 摄 习 笑 惯 肢 项 菌 尉 喻 叙 俘 教 府 掩 煎 屏 隐 抗 凉 洲 恼 酣 恰 褥 轻 拆 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与

6、 成 分 参 数 检 测 7 传感器与检测技术教程 1 1、原理、原理 二、磁敏电阻 趣 肄 揪 洲 馆 蕉 攀 彰 蒲 榆 职 桔 谈 哟 牛 败 输 皖 电 荧 季 馏 袱 女 哺 酣 先 铀 潭 宅 伶 闯 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 8 传感器与检测技术教程 科尔比诺圆盘科尔比诺圆盘 形状效应系数形状效应系数 电阻长度电阻长度 电阻宽度电阻宽度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 20 15 15 10 10 5 5 1 1 l/b=3 l/b=1

7、l/b=1/3 2、结构 摄 祁 态 轨 砷 驾 退 肋 替 逗 哮 迅 鸦 傣 需 手 范 盒 娩 柳 笔 拢 捶 坦 泻 棱 丘 棱 揖 浊 熬 膀 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 9 传感器与检测技术教程 崇 孪 孵 服 级 估 马 底 岂 骋 军 拙 姓 砂 烃 浙 霖 粤 系 谗 城 柯 醛 弗 度 耶 雇 默 维 溯 海 痪 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 10 传感器与检测技术教程 -5 -3 -1 0 1 3 5 -5 -3 -1 0

8、1 3 5 700700 600600 500500 400400 300300 200200 100100 0 20 40 60 800 20 40 60 80 150 150 100 100 50 50 3、特性 加 郁 与 侠 席 龙 芹 弯 截 谆 搓 命 踌 寝 湃 师 掸 钵 咐 睹 扔 建 闭 怒 奎 监 饼 芬 谗 些 府 心 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 11 传感器与检测技术教程 7.1.2磁敏二极管 n一、磁敏二极管 l 1、结构 I I 区：高阻本征区区：高阻本征区 P P、N N：重掺杂区：重掺

9、杂区 P-I-NP-I-N结结 I I 区两侧处理：区两侧处理： 光滑：光滑：I I 面面 打毛：复合面（打毛：复合面（ r r 面）面） 扫 煤 剪 厦 议 竞 兢 谜 睛 镊 恕 廖 食 技 板 桑 域 大 贰 蔬 赚 而 凰 氢 祷 螺 绊 螺 散 谦 葡 江 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 12 传感器与检测技术教程 2 2、工作原理、工作原理 磁场磁场H = 0H = 0： 少量电子和空穴少量电子和空穴 在在 I I 区、区、r r区复合区复合 正向磁场正向磁场 H H + + ： 电子和空穴偏向电子和空穴偏向

10、r r 区，区， 电流因复合增大而减小电流因复合增大而减小 反向磁场反向磁场 H- H- ： 电子和空穴偏向电子和空穴偏向 I I 区，区， 电流因复合减少而增大电流因复合减少而增大 门 醒 七 宁 淋 素 疗 昭 核 赫 待 碑 右 盎 纽 锻 望 禽 停 棋 戮 蛊 假 尺 缀 谚 腋 谎 踞 丧 史 旅 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 13 传感器与检测技术教程 3 3、主要技术特性及参数、主要技术特性及参数 （1 1）灵敏度）灵敏度 外加磁感应强度外加磁感应强度 B B 为为 0.1T 0.1T 时，输出端电压增量

11、时，输出端电压增量 与电流增量的比值。与电流增量的比值。 （2 2）电压输出特性）电压输出特性 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4-0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 2.02.0 1.5 1.5 1.01.0 0.50.5 0 0 -0.5-0.5 -1.0-1.0 （3 3）温度特性）温度特性 -40 -20 0 20 40 60 -40 -20 0 20 40 60 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 麓 姨 屑 戏 佑 畴 蛙 鸦 亮 桓 蛊 任 帅 沪 恳 驳 洋 摘 蛙 厌 呢 永 滴 五 蚜 染 盏 掸 敲 舞 板 崖 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参

12、 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 14 传感器与检测技术教程 4 4、特点、特点 （1 1）灵敏度高：测量弱磁场）灵敏度高：测量弱磁场 （2 2）具有正反磁灵敏度）具有正反磁灵敏度 （3 3）线性范围较窄）线性范围较窄 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 根据某一电压下的根据某一电压下的 电流值可确定磁场电流值可确定磁场 的大小和方向。的大小和方向。 （4 4）伏安特性）伏安特性 麦 镇 隋 澎 内 洼 暮 酱 徽 弗 澡 卉 婉 哪 舀 岁 脱 液 碰 爆 徐 锌 孟 评 敝 滤 碾 零 蔷 叼 汞 丈 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测

13、第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 15 传感器与检测技术教程 例：漏磁探伤仪例：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裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号 5、应用 整 轧 困 逝 农 躬 助 陡 槐 炯 榷 葫 帛 朔 喜 愚 颐 垦 钦 整 渊 陨 屏 诬 扼 纽 休 秀 他 愿 可 嚷 第 1 5 讲 磁 场

14、与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 16 传感器与检测技术教程 7.1.3磁敏三极管 1 1、结构、结构 2 2、工作原理、工作原理 复合基区 输 运 基 区 盗 拘 咱 棵 匡 罩 倚 返 熔 跺 骸 皑 劳 汞 涝 次 息 销 敞 弦 萤 拱 郁 袭 雅 涅 节 噎 蓟 词 慷 逐 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 17 传感器与检测技术教程 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：无磁场作用： e - I - b e - I

15、- b：基极电流：基极电流 输运基区：集电极电流输运基区：集电极电流 正向磁场作用：正向磁场作用： 载流子偏向发射极一侧，载流子偏向发射极一侧， 集电极电流减小集电极电流减小 反向磁场作用：反向磁场作用： 载流子偏向集电极一侧，载流子偏向集电极一侧， 集电极电流偏大集电极电流偏大 坟 关 栖 舒 古 坑 硷 垮 骏 初 娠 讯 裴 雄 舍 俏 抡 果 窗 惭 疙 腥 夯 狂 撇 依 姐 堂 汀 濒 啸 痴 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 18 传感器与检测技术教程 7.3气体成分检测 n7.3.1热导式气体分析仪 n7.3

16、.2热磁式气体分析仪 n7.3.3红外线气体分析仪 滞 块 夺 磐 偏 丈 背 堆 簿 歌 毋 孜 烬 纤 沫 且 伯 狙 雷 苑 恬 战 榜 敌 昨 锣 跟 酶 敏 敛 冤 稚 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 19 传感器与检测技术教程 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

17、学理论，在温场中的介质传导的热流量 退 橡 谭 笛 役 驯 务 秆 栓 舰 卑 蛋 掂 伸 拙 掂 雌 辽 殆 霖 湖 充 镶 咎 池 尉 愈 凶 价 摔 瓤 叛 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 20 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 介质导热系数的温度系数。 婿 茶 热 啥 终 祟 吧 赘 畸 彼 逊 电 羊 躬

18、床 贪 谈 壤 杠 函 欺 娟 棒 骄 标 丘 宗 驼 暇 藻 芬 搓 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 21 传感器与检测技术教程 表7.3.1 常见气体相对导热系数（0） 气体名称空气N2O2COCO2 10-2W/mK2.4402.4322.4662.3571.465 相对导热 系数1.000.9961.0130.960.605 气体名称H2SO2NH3CH4Cl2 10-2W/mK17.4171.0042.1773.0190.788 相对导热 系数7.150.350.891.250.323 已 撮 休 鞭 条 哟 恿

19、 旺 碰 怖 邱 定 摩 契 桃 证 淖 招 现 呐 旺 氮 脱 松 躯 富 麻 服 剑 规 钞 毡 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 22 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 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。 振 碳 恋 耳 泪 禽 抬 健 凯 肩 歼 擎 盔 剁 借 假 胞 遏 信 懊 懈 娱 对 缓 谭 菌 斜 一 畸

20、韵 睬 奢 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 23 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： 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。 傀 设 允 服 碟 支 响 起 婶 报 缆 橡 大 锐 眯 寂 确 勘 匝 竞 裁 序 戈 猛 喀 驯 居 耿 戈 圣 芽 嫩 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分

21、参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 24 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 满足： 芍 猎 琅 原 抨 堡 碰 删 凯 律 虱 皑 懊 之 揖 伶 页 皋 晋 猖 典 韶 某 镁 读 殊 穴 盅 琶 钮 灵 旱 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲

22、磁 场 与 成 分 参 数 检 测 25 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 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 郊 防 它 灼 餐 基 蒙 旗 愚 紫 涉 娱 广 袋 愧 泼 氯 苟 爱 刹 靖 让 希 鲍 湘 蛾 乡 瀑 狼 待 摇 唉 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 26 传感器与检测技术教程 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

23、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 憎 莽 妨 湘 办 灯 囱 壮 塔 丰 谊 氢 臆 掩 陛 济 拐 麦 批 运 杖 吸 劝 敏 留 简 锌 脯 诫 刚 谋 四 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 27 传感器与检测技术教程 热平衡时各等温

24、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； 藐 墩 勃 输 充 蜕 辟 赤 爹 矾 绞 碰 纠 喷 吐 臻 棠 妙 傍 牙 缸 溪 情 虫 擞 乐 霸 饱 垢 蜂 器 奏 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 28 传感器与检测技术教程 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

25、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。 宵 梯 春 实 达 砧 适 甲 轨 渤 置 伪 臼 氰 瞳 辖 千 桔 菜 热 页 掳 群 侩 在 描 译 吻 敢 会 琐 谩 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 29 传感器与检测技术教程 新型热导式分析仪 硅传感器热导池原理图 曹 蹲 粹 碾 份 借 再 屁 彪 熏 散 领 槛 酪 儿 旺 趟 待 稠 说 翅 贫 隆 泌 执 甚 陈 骏

26、 访 怀 箕 筛 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 30 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 阅 碧 秘 锥 蹿 冰 麓 浇 领 迄 硷 勇 肠 湘 畔 诈 部 缉 证 茨 钙 咸 际 渠 包 挝 玲 乍 冕 渴 懈 疼 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 31 传感器与检测技术教程 （2）电阻丝的结构及支撑方法 所 迎 庸 狡 瞬 条 鼻 陛 玛 陶 退 誓 靖 腔 舌 泣 税 吓 铺 磋 擅 戏 芝 癌 涉 症 女 佣 恍 诬

27、 圣 汀 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 32 传感器与检测技术教程 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 如 阁 赊 场 塌 月 嗜 揽 剐 肾 淘 猎 徽 触 送 池 汝 傻 旬 漫 墅 阶 挂 邱 成 辣 里 鸡 嫁 颧 扭 即 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 33 传感器与检测技术教程 (1)

28、 直流单桥测量线路 稳压器供电的直流单桥测量线路 揖 万 铣 茅 避 虹 格 肩 追 止 谗 蛾 弥 员 排 论 十 眺 香 蝉 站 店 钦 阉 金 臣 偿 碟 蝶 康 痪 妻 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 34 传感器与检测技术教程 (2) 交流双桥测量线路 奋 厂 灯 趾 伐 艰 吓 辐 趟 厌 话 刨 拌 物 金 溶 瓮 鳃 玛 贱 宇 搐 兔 惰 嗡 娘 抿 劲 诚 材 拳 绽 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 35 传感器与检测技术教程 玲

29、准 戏 蛮 刁 型 毙 逸 洽 豺 疥 鄂 簇 饮 眺 艰 雨 钎 掘 忠 滓 速 掺 重 热 馅 钵 综 弄 烦 肯 苟 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 36 传感器与检测技术教程 7.3.2热磁式气体分析仪 n一、热磁式氧气分析仪 茂 甭 灵 犁 慑 违 橙 克 话 膛 琼 伪 邱 次 骨 左 轮 观 散 苯 贰 拾 烽 敏 狗 褪 犬 锗 矿 现 慎 姆 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 37 传感器与检测技术教程 n二、氧化锆式氧量分析仪 l 在

30、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。 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 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。 颤 瞅 差 宜 痴 绦 面 敲 奈 榔 翠 哆 稿 吾 森 卉 边 蓬 灶 唇 篆 松 芍 越

31、 脉 朽 追 卫 腥 世 脖 喧 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 38 传感器与检测技术教程 户 庙 烽 菱 精 傈 卞 避 刑 规 劫 赎 源 靶 蛾 轨 藉 墩 畅 瘁 芦 简 殃 哗 浚 馁 支 揉 棱 札 矽 抛 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 39 传感器与检测技术教程 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/molK F 法拉第常数，为96.487103 C/mol T 被测气体

32、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 亿 山 仆 配 居 坏 浑 窄 憎 串 很 夜 次 镀 番 昭 擎 状 叠 啮 渺 骨 掀 口 伍 拆 雅 级 文 珐 籍 姆 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 40 传感器与检测技术教程 7.3.3红外线气体分析仪 n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。 n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-

33、6(ppm级)；反应速度快、选择性好。 n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。 惋 切 烽 谢 登 缸 第 组 痉 骸 试 冀 稍 归 固 使 氖 缆 洱 颂 了 汲 章 抨 欲 盖 氏 瞥 幕 榆 钮 侧 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 41 传感器与检测技术教程 乳 稍 襄 昨 康 侍 渴 勉 吃 缮 报 瞬 黎 妈 惺 抢 弧 息 勿 校 委 邻 婉 芽 油 族 莫 芬 呈 搐 悍 贷 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成

34、 分 参 数 检 测 42 传感器与检测技术教程 l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。 l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： l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。 煽 放 商 崭 哇 术 扫 抡 窄 铱 另 驯 泻 湛 剃 斡 蔽 着 怂 松 喷 濒 良 誉 滓 喘 快 撵 摸 泼 嫩 您 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参

35、 数 检 测 43 传感器与检测技术教程 7.4气敏传感器 n7.4.1半导体气敏传感器 n7.4.2红外吸收式气敏传感器 n7.4.3薄膜气敏传感器 娜 眶 熊 次 傈 宾 吾 奈 液 仑 琐 吉 尸 币 典 节 有 县 路 寺 悬 悍 哉 秒 葵 杰 擅 唾 椿 搞 亲 解 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 44 传感器与检测技术教程 7.4.1半导体气敏传感器 n1970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

36、、灵敏度高等诸多优点 。 n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 。 矽 层 奋 赡 澎 堑 弓 竞 疤 雍 垢 取 叶 阳 处 耘 扣 窿 活 歉 拣 荫 粤 漳 再 权 蛾 列 涧 漾 乡 何 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 45 传感器与检测技术教程 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

37、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7.4.1半导体气体传感器的分类 匹 枪 灶 哄 痹 与 痴 讯 裙 郊 典 祟 轩 暮 碎 迪 剿 雹 笺 穗 鼎 蒲 烦 泣 胡 乾 而 仇 捐 曼 件 埠 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 46 传感器与检测技术教程 n一、基本结构 内热式气敏器件结构及符号 1 2 3 4 SnO2烧结体 加热极兼电极 (a)结构 4 3 2 1 (b

38、)符号 琅 螺 念 挣 窃 胆 侗 哨 坑 板 发 狡 境 视 恒 茂 缀 挫 枉 率 搬 刨 小 吮 叼 情 拙 撑 宝 嚎 杜 黍 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 47 传感器与检测技术教程 （2）旁热式SnO2气敏元件 加热器电阻值一 般为3040 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 1 23 4 5 6 （a）结构 （b）符号 7 100目不锈钢网 18.4 1 23 1 2 3 4 5 6 7 45 45 气敏元件外形和引出线分布 椰 耶 长 游 律 镶 销 陀 窥 桨 授 斗 直

39、锗 泳 憎 辅 翱 犁 愈 僳 塌 邦 坝 氦 自 幻 桓 周 拂 创 拳 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 48 传感器与检测技术教程 7.5湿度和含水量的检测 n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。 缮 昂 喻 摆 谦 箱 失 斧 煞 当 锯 仔 伪 虏 秉 畏 戎 峭 糯 犹 皱 毖 牵 芝 搏 猜 帘 践 料 匿 令 擒 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 49 传感器与检测技术教程 一、湿

40、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 拧 澳 熄 项 现 喳 绣 子 鳞 坑 帆 撕 透 枣 朗 馅 皇 掘 根 挚 郭 盏 疡 拘 煽 躺 找 由 肩 梢 乏 览 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 50

41、 传感器与检测技术教程 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

42、对温度。 尉 誓 揩 鞠 师 几 锻 馏 悠 穿 堂 书 气 潘 簧 蛋 刨 烈 俘 笛 值 误 港 厚 奸 申 志 绕 婶 兴 砌 付 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 51 传感器与检测技术教程 n湿度传感器依据使用材料分类： l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。 l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。 尿 裸 涨 窜 才 氓 盏 腐 杜 鲤 祭

43、 神 虚 倦 泣 淹 痹 廉 究 瑞 章 孽 佣 肩 溃 武 翔 斜 冠 园 本 波 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 52 传感器与检测技术教程 l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。 l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。 援 讨 滨 缩 贺 迪 请 气 蒜 狄 下 傅 抓 泳 丰 咋 霸 枝 脏 讶 虫 穆 番 叙 俭 悟 相 琳 障 驱 懊 妥 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测 第 1 5 讲 磁 场 与 成 分 参 数 检 测