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1、第第7章章 磁场与成分参数检测磁场与成分参数检测n磁敏传感器磁敏传感器n磁场检测磁场检测n气体成分检测气体成分检测n气敏传感器气敏传感器n湿度和含水量的检测湿度和含水量的检测n液体浓度的检测液体浓度的检测第第7章章 磁场与成分参数检测磁场与成分参数检测 本章主要介绍磁敏传感器、磁场的检测方本章主要介绍磁敏传感器、磁场的检测方法、法、半导体气敏元件及工业上常用的气体半导体气敏元件及工业上常用的气体成分、湿度、含水量、液体浓度的检测原理成分、湿度、含水量、液体浓度的检测原理及方法。及方法。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制成的。主要器件有磁敏传感器是基于磁电转换原理制成
2、的。主要器件有磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管。磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管。n7.1.1 7.1.1 磁敏电阻磁敏电阻一、磁阻效应一、磁阻效应 在磁场作用下，半导体晶片电阻率增大的现象称在磁场作用下，半导体晶片电阻率增大的现象称为物理磁阻效应。在相同磁场作用下，因晶片几何形为物理磁阻效应。在相同磁场作用下，因晶片几何形态不同使电阻值变更不同的现象称为几何磁阻效应。态不同使电阻值变更不同的现象称为几何磁阻效应。理论推导磁阻效应的表达式为：理论推导磁阻效应的表达式为：7.1 磁敏传感器磁敏传感器n二、磁敏电阻二、磁敏电阻 磁敏电阻的结构形式有磁敏电阻的结构形式有两端型两端型和和三端型三端型两
3、种。其技术性能参见两种。其技术性能参见表表所示。所示。n 磁敏二极管磁敏二极管n一、基本结构与原理一、基本结构与原理 磁敏二极管有锗和磁敏二极管有锗和 硅磁敏二极管两种。硅磁敏二极管两种。磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构 7.1 磁敏传感器磁敏传感器n二、磁敏二极管特性二、磁敏二极管特性 1.磁灵敏度磁灵敏度 2.输出电压特性输出电压特性 3.温度特温度特 4.频率特频率特性性n 磁敏三极管磁敏三极管一、基本一、基本结结构与原理构与原理 长长基区是磁敏三极管的主要特征，基区是磁敏三极管的主要特征，图图是是锗锗管的管的结结构示意构示意图图。n二、磁敏三极管的特性二、磁敏三极管的特性 1.磁灵敏度
4、磁灵敏度 2.温度特性温度特性 3.频率特性频率特性 7.2 磁场检测磁场检测n本节主要介绍电磁感应法测磁场、磁通门磁强计测本节主要介绍电磁感应法测磁场、磁通门磁强计测磁场、霍尔效应和核磁共振法测磁场。磁场、霍尔效应和核磁共振法测磁场。n7.2.1 7.2.1 电磁感应法测磁场电磁感应法测磁场 电磁感应法测磁场的理论基础为电磁感应定。电磁感应法测磁场的理论基础为电磁感应定。图中，若被测磁场按图中，若被测磁场按n 正弦规律变更，穿过测量正弦规律变更，穿过测量n 线圈的磁通也按正弦规律线圈的磁通也按正弦规律n 变更，即：变更，即：7.2 磁场检测磁场检测n线圈产生的感应电势：线圈产生的感应电势：n
5、有：有：n测出感应电势测出感应电势e，即可算出穿过线圈的磁通幅即可算出穿过线圈的磁通幅 值值m。被测磁场的。被测磁场的Bm和和Hm等于：等于：7.2 磁场检测磁场检测n一、冲击法一、冲击法1.测量原理测量原理:用冲击法测量直流磁通如图示。用冲击法测量直流磁通如图示。2.磁磁通冲击常数通冲击常数 的测量方法的测量方法:测量测量 的电路如图示。的电路如图示。7.2 磁场检测磁场检测n二、磁通表二、磁通表 磁通表测量直流磁通的接线示意图如图所示。磁通表测量直流磁通的接线示意图如图所示。n7.2.2 磁通门磁强计测量磁场磁通门磁强计测量磁场 7.2 磁场检测磁场检测n7.2.3 霍尔效应测量磁场霍尔效
6、应测量磁场 测出霍尔电势测出霍尔电势UH的大小，即可得出磁感应强度。的大小，即可得出磁感应强度。国产国产CT-3型特斯拉计就是用霍尔效应测量磁感应强度型特斯拉计就是用霍尔效应测量磁感应强度的仪器。可测量交直流磁场的磁感应强度，其结构如的仪器。可测量交直流磁场的磁感应强度，其结构如图示。图示。7.2 磁场检测磁场检测n7.2.4 核磁共振法测量磁场核磁共振法测量磁场 核磁共振是指在外磁场的作用下原子核产核磁共振是指在外磁场的作用下原子核产生的能级分裂效应。生的能级分裂效应。7.3 气体成分检测气体成分检测n成分检测的方法主要有化学式、物理式和物理成分检测的方法主要有化学式、物理式和物理 化化学式
7、等。学式等。n7.3.1 7.3.1 热导式气体分析仪热导式气体分析仪 热导式气体分析仪是通过检测混合气体导热系热导式气体分析仪是通过检测混合气体导热系数变更得知待测组分含量的。常用的热导式气体分数变更得知待测组分含量的。常用的热导式气体分析仪由热导室、测量电桥和显示仪组成。析仪由热导室、测量电桥和显示仪组成。7.3 气体成分检测气体成分检测n图分别为为热导室电桥。图分别为为热导室电桥。7.3 气体成分检测气体成分检测n7.3.2 热磁式气体分析仪热磁式气体分析仪 热磁式气体分析仪是利用气体热磁效应检测待测热磁式气体分析仪是利用气体热磁效应检测待测气体组分含量的仪表。气体组分含量的仪表。一、热
8、磁式氧气分析仪一、热磁式氧气分析仪 热磁式氧气分析仪利用氧的磁化率比其它组分的热磁式氧气分析仪利用氧的磁化率比其它组分的大得多；温度的上升磁化率快速下降的磁特性工作的。大得多；温度的上升磁化率快速下降的磁特性工作的。7.3 气体成分检测气体成分检测n热磁式氧气分析仪的原理如图示热磁式氧气分析仪的原理如图示 7.3 气体成分检测气体成分检测n二、氧化锆式氧量分析仪二、氧化锆式氧量分析仪 氧化锆式氧量分析仪是由氧化锆固体电解氧化锆式氧量分析仪是由氧化锆固体电解质管、铂电极和引线构成，如图示。质管、铂电极和引线构成，如图示。7.3 气体成分检测气体成分检测n7.3.3 红外线气体分析仪红外线气体分析
9、仪 红外线气体分析仪是应用气体对红外线的吸红外线气体分析仪是应用气体对红外线的吸取原理制成的，具有灵敏度高、分析范围广、取原理制成的，具有灵敏度高、分析范围广、选择性好等特点。选择性好等特点。一、红外线及其特征一、红外线及其特征 红外线是一种波长介于可见光和无线电波之红外线是一种波长介于可见光和无线电波之间的电磁波。红外气体分析仪主要用间的电磁波。红外气体分析仪主要用125m的波段。的波段。红外线具有以下两个特征：红外线具有以下两个特征：1.可被物质选择性可被物质选择性吸取。吸取。2.吸取时能量守恒。吸取时能量守恒。7.3 气体成分检测气体成分检测n二、光的吸取定律二、光的吸取定律 光的吸取定
10、律又称作朗伯光的吸取定律又称作朗伯-贝贝尔定律，表达式为：尔定律，表达式为：n三、红外线气体分析仪的检测三、红外线气体分析仪的检测n 原理及结构原理及结构 红外线气体分析仪的结构原红外线气体分析仪的结构原n理如图示。主要由红外线辐射光理如图示。主要由红外线辐射光n源、气室、红外探测器以及电源、气室、红外探测器以及电n器电路等部分组成。器电路等部分组成。7.4 气敏传感器气敏传感器 n本节仅对应用较广的半导体气敏传感器的结构、原理本节仅对应用较广的半导体气敏传感器的结构、原理及应用做简要介绍。及应用做简要介绍。n7.4.1 7.4.1 半导体气敏传感器半导体气敏传感器 某些半导体元件同气体接触时
11、其性质会发生变更，某些半导体元件同气体接触时其性质会发生变更，这些元件被称为半导体气敏传感器。这些元件被称为半导体气敏传感器。n一、基本结构一、基本结构 n 图示为直热式图示为直热式 7.4 气敏传感器气敏传感器n二、工作原理二、工作原理 烧结型烧结型SnO2SnO2气敏元件是表面电阻限制型气气敏元件是表面电阻限制型气敏元件，结构模型如图所示。敏元件，结构模型如图所示。7.4 气敏传感器气敏传感器n三、气敏传感器的应用三、气敏传感器的应用 1.1.气体报警器气体报警器 n 图示为一种简洁的家用报警器电路，气敏元件图示为一种简洁的家用报警器电路，气敏元件接受直热式的接受直热式的TGS109TGS
12、109。7.4 气敏传感器气敏传感器 2.气体检漏仪气体检漏仪 将气敏元件作为气电转换元件并配以相应的电路将气敏元件作为气电转换元件并配以相应的电路而组成。图是用而组成。图是用QM-N5型气敏元件组成的简易袖珍型气敏元件组成的简易袖珍式气体检漏仪原理图。式气体检漏仪原理图。7.4 气敏传感器气敏传感器n7.4.2 红外吸取式气敏传感器红外吸取式气敏传感器n7.4.3 薄膜气敏传感器薄膜气敏传感器 一、一、SnO2敏感膜敏感膜 二、气敏性能与工作温度的关系二、气敏性能与工作温度的关系 三、气敏性能与掺杂的关系三、气敏性能与掺杂的关系 四、气敏性能与薄膜厚度的关系四、气敏性能与薄膜厚度的关系7.5
13、 湿度和含水量的检测湿度和含水量的检测n气体中的水分含量称为湿度，固体中的水气体中的水分含量称为湿度，固体中的水分含分含 量称为含水量。量称为含水量。n7.5.1 7.5.1 湿度的检测湿度的检测 湿度可分为确定湿度和相对湿度。湿湿度可分为确定湿度和相对湿度。湿度的检测方法有多种，常见的有确定测湿度的检测方法有多种，常见的有确定测湿法、相对测湿法和毛发湿度度计法。法、相对测湿法和毛发湿度度计法。n7.5.2 7.5.2 含水量的检测含水量的检测 含水量的检测主要有电导法、称重法、含水量的检测主要有电导法、称重法、电容法、红外吸取法、微波吸取法等检测电容法、红外吸取法、微波吸取法等检测方法。方法
14、。湿度传感器及模块湿度传感器及模块 7.5 湿度和含水量的检测湿度和含水量的检测n一、电导法一、电导法7.5 湿度和含水量的检测湿度和含水量的检测n二、称重法二、称重法 称重法是接受红外线灯为加热源，照射被称重法是接受红外线灯为加热源，照射被测物质使其水分完全蒸发即烘干。再用电子称测物质使其水分完全蒸发即烘干。再用电子称称出烘干前后的重量称出烘干前后的重量W1W1和和W2W2，即可求出其含水，即可求出其含水量量M M，即：，即：n三、红外吸取法三、红外吸取法 依据水分对依据水分对1.94m1.94m波长的红外线吸取较波长的红外线吸取较强，对强，对1.84m1.84m波长的红外线几乎不吸取的特波
15、长的红外线几乎不吸取的特性进行测量的方法。性进行测量的方法。7.6 液体浓度的检测液体浓度的检测n工业电导仪是通过测量溶液的电导，间接地得工业电导仪是通过测量溶液的电导，间接地得 到溶液浓度的。到溶液浓度的。n 溶液的电导率与浓度的关系溶液的电导率与浓度的关系 电解质溶液是电的良导体，其电导率不仅电解质溶液是电的良导体，其电导率不仅与溶液性质有关，还与浓度有关，只要测出溶与溶液性质有关，还与浓度有关，只要测出溶液的电导，就可知道浓度。液的电导，就可知道浓度。n7.6.2 电导检测电导检测器及器及测测量量电电路路 电导检测器是测量溶液电导的装置。电导检测器是测量溶液电导的装置。7.6 液体浓度的检测液体浓度的检测n图为平衡电桥测量图为平衡电桥测量法原理线路图，电法原理线路图，电桥平衡时有：桥平衡时有：