磁场与成分参数检测最新课件

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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第第7章磁场与成分参数检测章磁场与成分参数检测磁场与成分参数检测最新课件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

2、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。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

3、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电的平方成正比。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 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率时的电阻率 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电阻率变化电阻率变化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

4、检测技术教程1 1、原理、原理、原理、原理二、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科尔比诺圆盘科尔比诺圆盘科尔比诺圆盘科尔比诺圆盘 形状效应系数形状效应系数形状效应系数形状效应系数 电阻长度电阻长度电阻长度电阻长度 电阻宽度电阻宽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 1l/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-5 -3 -1 0 1 3 5 -5 -3 -1

5、 0 1 3 5 700700 600600 500500 400400 300300 200200 100100 0 20 40 60 800 20 40 60 80 150 150 100 100 50 503、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l1、结构I I 区：高阻本征区区：高阻本征区区：高阻本征区区：高阻本征区P P、N N：重掺杂区：重掺杂区：重掺杂区：重掺杂区P-I-NP-I-N结结结结I I 区两侧处理：区两侧处理：区两侧处理：区两侧处理：光滑：光滑：光滑：光滑：I I 面面面面打毛：复合面（打毛：复合面（打毛

6、：复合面（打毛：复合面（r r 面）面）面）面）12传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程2 2、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理磁场磁场磁场磁场H=0H=0：少量电子和空穴少量电子和空穴少量电子和空穴少量电子和空穴 在在在在 I I 区、区、区、区、r r区复合区复合区复合区复合正向磁场正向磁场正向磁场正向磁场 H H+：电子和空穴偏向电子和空穴偏向电子和空穴偏向电子和空穴偏向 r r 区，区，区，区，电流因复合增大而减小电流因复合增大而减小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反向磁场反向磁场 H-H-：电子和空穴偏向电子和空穴偏向电子和空穴偏向电子和空穴偏向 I

7、 I 区，区，区，区，电流因复合减少而增大电流因复合减少而增大电流因复合减少而增大电流因复合减少而增大13传感器与检测技术教程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、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）灵敏度）灵敏度外加磁感应强度外加磁感应强度外加磁感应强度外加磁感应强度 B B 为为为为 0.1T 0.1T 时，输出端电压增量时，输出端电压增量时，输出端电压增量时，输出端电压增量与电流增量的比值。与电流增量的比值。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）电压输出特性）电压输出特性-0.1 0.1 0.2

8、 0.3 0.4-0.1 0.1 0.2 0.3 0.42.02.01.5 1.5 1.01.00.50.5 0 0-0.50.5-1.01.0（3 3）温度特性）温度特性）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 0.514传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程4 4、特点、特点、特点、特点（1 1）灵敏度高：测量弱磁场）灵敏度高：测量弱磁场）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）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

9、窄）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。的大小和方向。的大小和方向。（4 4）伏安特性）伏安特性）伏安特性）伏安特性15传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程例：漏磁探伤仪例：漏磁探伤仪例：漏磁探伤仪例：漏磁探伤仪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钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化无损伤部分：闭合磁路、无泄

10、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、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 1 1、结构、结构、结构、结构2 2、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理复合基区输运基区17传感器与检测技术教程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：

11、无磁场作用：无磁场作用：e-I-b e-I-b：基极电流：基极电流：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：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，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：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，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集电极电流偏大集电极电流偏大18传感器与检测技术教程传感器与

12、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

13、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N2

14、O2COCO210-2W/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，即根据混合气体导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

15、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：由于由于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 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

16、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热导导池池结结构构示示意意图图1-腔体；腔体；2-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

17、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 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

18、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27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，则式变为无关，则式变为 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为为式中，式中，rc热导池内壁半径。热导池内

19、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 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。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

20、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 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

21、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

22、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

23、莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且化二氧化锆。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，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。质的种类和数量而变化。38传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程39传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程当氧化锆管内侧流过待测气体时，在铂电极当氧化锆管内侧流过待测气体时，在铂电极间产生电势间产生电势 E 为为式中：式中：R 氧的气体常数，为氧的气体常数，为8.314 J/molKF 法拉第常数，为法拉第常数，为96.48710

24、3 C/molT 被测气体的绝对温度，单位被测气体的绝对温度，单位 Kn 参加反应的电子数，参加反应的电子数，n=4P1 被测气体的氧分压，被测气体的氧分压，P2 参比气体（空气）的氧分压，参比气体（空气）的氧分压，20.6的的40传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.3.3红外线气体分析仪红外线气体分析仪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10-6(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、

25、NH3等气体的浓度。41传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程42传感器与检测技术教程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。43传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程7.4气敏传感器气敏传感器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44传感器与检测技术

26、教程传感器与检测技术教程7.4.1半导体气敏传感器半导体气敏传感器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、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。45传感器与检测技术教程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以上酒精氧气可燃性气体非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极

27、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氢气硫化氢表表7.4.1半导体气体传感器的分类半导体气体传感器的分类46传感器与检测技术教程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1234SnO2烧结体加热极兼电极(a)结构4321(b)符号47传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程（2）旁热式）旁热式SnO2气敏元件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123456（a）结构（b）符号7100目不锈钢网18.412312345674545气敏元件外形和引出线分布48传感器与检

28、测技术教程传感器与检测技术教程7.5湿度和含水量的检测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。49传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程一、湿度表示法一、湿度表示法 空空气气中中含含有有水水蒸蒸气气的的量量称称为为湿湿度度，含含有有水水蒸蒸气气的的空空气气是是一一种种混混合合气气体体。主主要要有有质质量量百百分分比比和和体体积积百百分分比比、相相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。1 1、质量百分比和体积百分比、质量百分比和体积百分比 质质量量为为M的的混混合合气气体体中中，若

29、若含含水水蒸蒸气气的的质质量量为为m，则则质量百分比为质量百分比为vV100这两种方法统称为水蒸气百分含量法。这两种方法统称为水蒸气百分含量法。mM100在体积为在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则，则体积百分比为体积百分比为50传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程 2 2、相对湿度和绝对湿度、相对湿度和绝对湿度 水水蒸蒸气气压压是是指指在在一一定定的的温温度度条条件件下下，混混合合气气体体中中存存在在的的水水蒸蒸气气分分压压(p)。而而饱饱和和蒸蒸气气压压是是指指在在同同一一温温度度下下，混混合合气气体体中中所所含含水水蒸蒸气气压压的的最最大大

30、值值(ps)。温温度度越越高高，饱饱和和水水蒸蒸气气压压越越大大。在在某某一一温温度度下下，其其水水蒸蒸气气压压同同饱饱和和蒸蒸气压的百分比，称为相对湿度气压的百分比，称为相对湿度绝绝对对湿湿度度表表示示单单位位体体积积内内，空空气气里里所所含含水水蒸蒸气气的的质质量量，其定义为其定义为m待测空气中水蒸气质量；待测空气中水蒸气质量；V待测空气的总体积；待测空气的总体积；v待测空气的绝对湿度。待测空气的绝对湿度。如如果果把把待待测测空空气气看看作作是是由由水水蒸蒸气气和和干干燥燥空空气气组组成成的的二二元元理理想想混混合合气气体体，根根据据道道尔尔顿顿分分压压定定律律和和理理想想气气体体状状态态

31、方方程，可得出：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。51传感器与检测技术教程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。52传感器与检测技术教程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。