【文章內(nèi)容簡介】 液體流管 4 光纖 5 張力載荷 33 （ 2） 光纖多普勒流速計 下圖 為 利用光纖多普勒計來測量流體流速的原理 。當待測流體為氣體時 ， 散射光將非常微弱 ， 此時可采用大功率的 Ar激光器 （ 出射光功率為 2W， λ =）以提高信噪比 。 特點：非接觸測量 ， 不影響待測物體的流動狀態(tài) 。 光纖多譜勒流量計結(jié)構(gòu) 探測器 頻譜 分析儀 HeNe激光器 1 2 3 4 5 6 7 8 3—— 分束器； 2 ——反射鏡； 4—— 透鏡； 5 ——流體管道； 6 ——窗口； 8 ——光纖 34 第二節(jié) 氣敏傳感器 ?接觸燃燒式氣敏元件 ?金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件 ?氧化鋯氣敏元件 工作原理、主要類型及應(yīng)用 35 一 、 接觸燃燒式氣體傳感器 檢測原理 可燃性氣體 (H CO、 CH4等 )與空氣中的氧接觸 ，發(fā)生氧化反應(yīng) ， 產(chǎn)生反應(yīng)熱 (無焰接觸燃燒熱 )， 使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高 ， 電阻值相應(yīng)增大 。 一般情況下 ， 空氣中可燃性氣體的濃度都不太高 (低于 10％ )，可燃性氣體可以完全燃燒 ， 其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān) 。 空氣中可燃性氣體濃度愈大 ， 氧化反應(yīng) (燃燒 )產(chǎn)生的反應(yīng)熱量 (燃燒熱 )愈多 ， 鉑絲的溫度變化 (增高 )愈大 ， 其電阻值增加的就越多 。 因此 ， 只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值 (Δ R)， 就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度 。 但是 ， 使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件 ， 其壽命較短 ， 所以 ， 實際應(yīng)用的檢測元件 ， 都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒 。 這樣既可以延長其使用壽命 ， 又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性 。 36 接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖 。 圖中 F1是檢測元件； F2是補償元件 ， 其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度 、 電源電壓變化等因素所引起的偏差 。 工作時 ， 要求在 F1和 F2上保持 100mA～ 200mA的電流通過 ， 以供可燃性氣體在檢測元件 F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒 )所需要的熱量 。 當檢測元件 F1與可燃性氣體接觸時 ， 由于劇烈的氧化作用 (燃燒 )， 釋放出熱量 ， 使得檢測元件的溫度上升 ， 電阻值相應(yīng)增大 ， 橋式電路不再平衡 ， 在 A、 B間產(chǎn)生電位差 E。 A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 ? ?? ? ????????????????????????2110211RRRRRRRREEFFFFF? ?? ? FFFFFRRRRRRR REE ?????????????????????12212110因為 Δ RF很小，且 RF1?R1=RF2?R2 37 這樣 ， 在檢測元件 F1和補償元件 F2的電阻比 RF2/RF1接近于1的范圍內(nèi) ， A， B兩點間的電位差 E， 近似地與 ΔRF成比例 。 在此 ， ΔRF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化 (燃燒熱 )引起的 ， 是與接觸燃燒熱 (可燃性氣體氧化反應(yīng)熱 )成比例的 。 即 ΔRF可用下式表示 ? ? ? ?212110 FF RRRRREk ????FFF RRRkE ??????????12CQmCHTRF ????????? ????如果令 則有 ρ — 檢測元件的電阻溫度系數(shù)； Δ T— 由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加值； Δ H— 可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量； C— 檢測元件的熱容量； Q— 可燃性氣體的燃燒熱； m— 可燃性氣體的濃度 [％ (Vol)]； α— 由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。 38 ρ ， C和 α的數(shù)值與檢測元件的材料 、 形狀 、 結(jié)構(gòu) 、 表面處理方法等因素有關(guān) 。 Q是由可燃性氣體的種類決定 。因而 ， 在一定條件下 ， 都是確定的常數(shù) 。 則 ?????? ?? CQb ??A、 B間的電位差 E， 并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度 。 若與相應(yīng)的電路配合 ，就能在空氣中當可燃性氣體達到一定濃度時 ， 自動發(fā)出報警信號 ， 其感應(yīng)特性曲線如圖 。 接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性 0 50 100 150 輸 出 電 壓 / mV 丙烷 乙醇 異丁烷 丙酮 環(huán)己烷 氣體濃度 (XLEL) E=k?m?b 即 A、 B兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度 m成比例。如果在 A、 B兩點間連接電流計或電壓計，就可以 測得 39 接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 用高純的鉑絲 ,繞制成線圈 ,為了使線圈具有適當?shù)淖柚?(1Ω～ 2Ω),一般應(yīng)繞 10圈以上 。 在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀 涂 覆層 ,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體 。 將燒結(jié)后的小球 ,放在貴金屬鉑 、 鈀等的鹽溶液中 ,充分浸漬后取出烘干 。 然后經(jīng)過高溫熱處理 ,使在氧化鋁 (氧化鋁一氧化硅 )載體上形成貴金屬觸媒層 ,最后組裝成氣體敏感元件 。 除此之外 ,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁 、 氧化硅等載體充分混合后配成膏狀 ,涂覆在鉑絲繞成的線圈上 ,直接燒成后備用 。 另外 ， 作為補償元件的鉑線圈 ,其尺寸 、 阻值均應(yīng)與檢測元件相同 。 并且 ,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層 ,只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體 ,形成觸媒層而已 。 40 觸媒 Al2O3載體 Pt絲 元件 ()mm (b)敏感元件外形圖 接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖 (a)元件的內(nèi)部示意圖 41 二 、 半導(dǎo)體氣體傳感器 氣體敏感元件 ， 大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料 。當被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后 ， 引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率 )發(fā)生變化 。 目前流行的定性模型是： 原子價控制模型 、 表面電荷層模型 、 晶粒間界勢壘模型 。 半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （ 1） 氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值 ， 稱為氣敏元件 (電阻型 )的固有電阻值 ， 表示為 Ｒ ａ 。 一般其固有電阻值在 (103～ 105)Ω 范圍 。 測定固有電阻值 Ｒ ａ 時 , 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行 。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異 ， 各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大 ， 即使對于同一氣敏元件 ， 在溫度相同的條件下 ， 在不同地區(qū)進行測定 ， 其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別 。 因此 ， 必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量 。 42 （ 2） 氣敏元件的靈敏度 是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種 （ a） 電阻比靈敏度 K （ b）氣體分離度 RC1—氣敏元件在濃度為 Cc的被測氣體中的阻值： RＣ 2—氣敏元件在濃度為 C2的被測氣體中的阻值 。 通常 ， C1＞ C2。 （ c） 輸出電壓比靈敏度 KV Va:氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出； Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出 gaVVVK ?21CCRR??Ra— 氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值； Rg— 氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值 gaRRK ?43 （ 4）氣敏元件的響應(yīng)時間 表示在工作溫度下 ， 氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度 。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時 ，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的 63％ 時為止 ， 所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間 ， 通常用符號 tr表示 。 agiaggigVVVVVVS?????? （ 3）氣敏元件的分辨率 表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率 S表示為 Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；Vg—氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓 Vgi—氣敏元件在 i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓 44 （ 5） 氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 氣敏元件一般工作在 200℃ 以上高溫 。 為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻 (指加熱器的電阻值 )稱為加熱電阻 ， 用 RH表示 。 直熱式的加熱電阻值一般小于 5Ω ；旁熱式的加熱電阻大于 20Ω 。 氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率 ， 稱為加熱功率 ， 用 Ｐ Ｈ 表示 。一般在 (～ )W范圍 。 （ 6）氣敏元件的恢復(fù)時間 表示在工作溫度下 ,被測氣體由該元件上解吸的速度 ,一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時 ,直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的 63％時所需時間。 45 （ 7） 初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件 ,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體 ,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后 ,隨著元件溫度的升高 ,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此 ,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài) ,需要一定的時間 ,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。一般電阻型氣敏元件 ,在剛通電的瞬間 ,其電阻值將下降 ,然后再上升 ,最后達到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達穩(wěn)定所需時間 ,稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長 ,其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下 ,氣敏元件存放兩周以后 ,其初期穩(wěn)定時間即可達最大值。 46 燒結(jié)型 SnO2氣敏元件 SnO2系列氣敏元件有 燒結(jié)型 、 薄膜型 和 厚膜型 三種 。 燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性 。 其敏感體用粒徑很小 (平均粒徑 ≤ １ μ m)的 SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測 可燃的還原性 氣體，其工作溫度約300℃ 。根據(jù)加熱方式，分為 直接加熱式 和 旁熱式 兩種 。 （ 1）直接加熱式 SnO2氣敏元件 (直熱式氣敏元件 ) 內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號 1 2 3 4 SnO2燒結(jié)體 加熱極兼電極 (a)結(jié)構(gòu) 4 3 2 1 (b)符號 由芯片 (敏感體和加熱器 )，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相 互干擾，加熱器與 SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。 47 （ 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 SnO2燒結(jié)體 1 2 3 4 5 6 （ a）結(jié)構(gòu) （ b）符號 7 100目不銹鋼網(wǎng) 216。1 23 1 2 3 4 5 6 7 45176。 45176。 氣敏元件外形和引出線分布 48 三 、 氧化鋯氧氣傳感器 固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì) 。 一般認為 ， 固體物質(zhì) (金屬或半導(dǎo)體 )中 ， 作為載流子傳導(dǎo)電流的是正 、 負離子 。 可是 ， 在固體電解質(zhì)中 ， 作為載流子傳導(dǎo)電流的 ， 卻主要是離子 。 二氧化鋯 （ ZrO2） 在高溫下 (但尚遠未達到熔融的溫度 )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 。 49 在二氧化鋯中添加氧化鈣 、 三氧化二釔等添加物后 ,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變 。 尤其是在氧化鈣添加量為 15％ mol左右時 ,離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值 。 但是 ，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低 ， 要在高溫下 ，氣敏元件才有足夠的靈敏度 。添加三氧化二釔的 ZrO2－ Y2O3固溶體 ， 離子活性較高 ， 在較低的溫度下 ， 其離子電導(dǎo)都較大 ，如圖 。 因此 ， 通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧