王洪濤 劉智敏 李秀茹 楊丹 徐曉龍

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

0 引言

氫氣不僅是無污染清潔能源，也是十分重要的工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于電子、石油、化工、冶金、油脂、醫(yī)療、航空、輕工業(yè)等領(lǐng)域。但氫氣相對(duì)分子質(zhì)量較小，生產(chǎn)、傳輸和使用過程中易發(fā)生泄漏，當(dāng)空氣中氫氣含量在4%～75%時(shí)，遇火源極易發(fā)生爆炸[1]，因此，氫氣的準(zhǔn)確測(cè)量成為了亟需解決的問題，高精度氫氣傳感器的研究也引起了人們的重視。目前檢測(cè)氫氣的有半導(dǎo)體[2]、催化燃燒[3]、電化學(xué)[4]、熱導(dǎo)[5-7]等原理的傳感器，其中，熱導(dǎo)傳感器是一種擴(kuò)散進(jìn)氣型的傳感器。由于每種氣體的導(dǎo)熱率不同，隨著被測(cè)氣體濃度的變化，熱導(dǎo)芯體上熱敏電阻對(duì)被測(cè)氣體的導(dǎo)熱率也不同，熱導(dǎo)芯體上敏感電阻溫度也隨之發(fā)生變化，最后導(dǎo)致熱導(dǎo)芯體上敏感電阻阻值變化，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，更不會(huì)產(chǎn)生材料的改變，因此，其輸出很穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用漂移量很小。本文基于熱導(dǎo)原理，結(jié)合某航天器實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種熱導(dǎo)式氫氣傳感器，采用溫度參數(shù)和濕度參數(shù)對(duì)氫氣的測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償，提升傳感器的測(cè)試準(zhǔn)確性。

1 工作原理

傳感器所用的敏感元件是基于熱導(dǎo)原理的熱導(dǎo)式氫敏芯體，型號(hào)為TCS208F。敏感元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖1、芯體腔室結(jié)構(gòu)圖見圖2、電阻分布圖見圖3。

由圖1～圖3可知，氫敏元件由沉積在硅片上的4個(gè)薄膜電阻和一層具有電、熱隔離特性的薄膜材料組成。4個(gè)薄膜電阻中，有2個(gè)電阻用于氣體濃度的測(cè)量，為敏感電阻（Rm1、Rm2）；另2個(gè)電阻用于溫度等環(huán)境條件的補(bǔ)償，為補(bǔ)償電阻（Rt1、Rt2）。每個(gè)電阻都有一個(gè)比較恒定的阻值，其中，Rt1/(Rm1+Rm2)和Rt2/(Rm1+Rm2)約為1.2。氣體是通過擴(kuò)散到達(dá)位于硅片腔室的敏感電阻部位的。

對(duì)于彼此之間無化學(xué)作用的多種組分混合氣體的熱導(dǎo)率，可近似表達(dá)為各組分熱導(dǎo)率的加權(quán)平均值，如式（1）：

式中，λ——混合氣體的熱導(dǎo)率；

λi——混合氣體第i組分的熱導(dǎo)率；

φi——混合氣體第i組分的體積分?jǐn)?shù)。

在給定測(cè)試環(huán)境下的氣氛基本是穩(wěn)定的，因而混合氣體的熱導(dǎo)率也相對(duì)不變。因?yàn)闅錃獾臒釋?dǎo)率明顯大于空氣、氧氣、氮?dú)獾瘸Ｒ?guī)氣體，所以混合氣氛中如果含有一定量的氫氣，則會(huì)導(dǎo)致其熱導(dǎo)率明顯增大。

在其他氣體組分變化較小時(shí)，設(shè)定氫氣的熱導(dǎo)率為λ1，其他氣體的熱導(dǎo)率為λ2，則混合氣體熱導(dǎo)率公式為：

式中，λ1和λ2為常數(shù)，由此可以看出，混合氣體的熱導(dǎo)率與待測(cè)氣體組分（即氫氣氣體）的體積分?jǐn)?shù)φi之間存在線性關(guān)系，因此，可采用熱導(dǎo)檢測(cè)原理對(duì)混合氣氛中的氫氣含量進(jìn)行檢測(cè)。

氫敏元件的電橋電路如圖4所示。其中，Rm1+Rm2為氫敏元件工作電阻，Rt1+Rt2為溫度補(bǔ)償電阻，R3、R4為零點(diǎn)輸出調(diào)試電阻，R5、R6、R7為二次溫度補(bǔ)償調(diào)試電阻。

氫敏元件的熱擴(kuò)散工作模式如圖5所示。敏感電阻是一種阻值R隨溫度T變化而變化的電阻，它是通過一定電壓加熱的。該電壓使電阻生成熱量Q，導(dǎo)致電阻部位的溫度高于周圍環(huán)境氣體的溫度，熱量會(huì)從電阻向周圍環(huán)境氣體擴(kuò)散。當(dāng)敏感電阻始終處在導(dǎo)熱系數(shù)為λ的環(huán)境氣體中，電阻對(duì)環(huán)境氣體的導(dǎo)熱率δ是固定的，電阻本身剩余的熱量Q阻也是一定的，電阻的溫度T是一定的，即電阻的阻值R是一定的。

當(dāng)環(huán)境氣體的某些組分改變時(shí)，環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λ增大（減?。r(shí)，電阻對(duì)環(huán)境氣體的導(dǎo)熱率δ增大（減?。娮璞旧硎Ｓ嗟臒崃縌阻減小（增大），電阻的溫度T減?。ㄔ龃螅?，即電阻的阻值R減?。ㄔ龃螅?。通過電阻值的變化，電橋輸出發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)通過輸出值的變化反應(yīng)環(huán)境氣氛的變化。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將傳感器氫敏芯體焊接在芯體連接板上，芯體連接板通過螺釘安裝在管道上，并采用O型圈密封結(jié)構(gòu)。因鈦合金具有耐蝕性、耐熱性、高強(qiáng)度、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，管路外部采用鈦合金材料加工而成，從而保證了傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐腐蝕性。傳感器管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

2.2 電路設(shè)計(jì)

傳感器采用±12 V雙電源供電，且供電輸入端分別設(shè)計(jì)了由2個(gè)并聯(lián)電阻構(gòu)成的過流保護(hù)電路。電路中采用5 V穩(wěn)壓模塊LM117為氫敏芯體供電，提供給氫氣敏感芯體穩(wěn)定的電壓信號(hào)，芯體自身設(shè)計(jì)有氫敏電阻Rm1+Rm2和溫度補(bǔ)償電阻Rt1+Rt2，與調(diào)理電路中電阻組成惠斯通電橋激勵(lì)氫敏芯體，并設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電阻用于二階溫度補(bǔ)償。兩橋臂的輸出電壓差與氫氣濃度存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于電橋的滿量程輸出只有幾毫伏，因此，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)理，采用LM158及外圍電阻組成儀表放大電路對(duì)電橋輸出進(jìn)行一級(jí)放大，儀表放大電路的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行大倍數(shù)放大時(shí)，信號(hào)不失真。在二級(jí)放大電路中實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整和差分放大功能，電路總放大倍數(shù)約800倍。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量系統(tǒng)由壓縮空氣、質(zhì)量流量計(jì)、加濕裝置、恒溫管、高低溫箱、溫濕度表等組成。測(cè)量系統(tǒng)如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)過程及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

在常壓下，將3只傳感器置于高低溫箱中，工作電壓為±12 VDC，按圖8所示與測(cè)試裝置連接。在氫氣測(cè)量范圍內(nèi)選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，氫氣濃度分別為（0±0.30）%、（0.5±0.30）%、（1±0.30）%、（1.5±0.30）%、（2.0±0.30）%，載氣為氧氣。在濕度全量程范圍內(nèi)選取分布比較均勻的4個(gè)濕度點(diǎn)，通過設(shè)置流量計(jì)1、流量計(jì)2的流量來控制濕度點(diǎn)的濕度。每個(gè)濕度點(diǎn)下均進(jìn)行一次氫濃度測(cè)試。依次調(diào)整溫箱溫度為（10±1）℃、（25±1）℃和（40±1）℃，按上述方法分別測(cè)試每個(gè)溫度點(diǎn)、每個(gè)濕度點(diǎn)下的氫氣信號(hào)、溫度信號(hào)和濕度信號(hào)的輸出，擬合求氫氣濃度對(duì)電壓、溫度、濕度的公式中常數(shù)項(xiàng)系數(shù)a11、a12、a13、a21、a22、a23、b11、b12、b13、b21、b22、b23。濃度對(duì)電壓、溫度、濕度的公式如下[8]：

式中，C——?dú)錃鉂舛龋?；

t——溫度值，℃；

h——絕對(duì)濕度計(jì)算值，g/m3；

V——?dú)鋫鞲衅鬏敵?，V。

將各溫度值、各絕對(duì)濕度值、各電壓值分別代入公式（3），求取傳感器氫氣的理論濃度值CL，分別與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度值Co進(jìn)行比較，按公式（4）求取傳感器的精度λ（%FS）：

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)選取一組溫度值、濕度值和電壓值測(cè)試數(shù)據(jù)帶入公式（3），得到3只傳感器的氫氣理論計(jì)算濃度，與氫氣實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)濃度比較做差，得到3只傳感器的精度，結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的氫氣傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)管路內(nèi)氫氣濃度的測(cè)量，引入了溫度參數(shù)和濕度參數(shù)進(jìn)行氫氣濃度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了3只氫氣傳感器精度均在±2% FS的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)氫氣濃度的傳感器，采用熱導(dǎo)原理設(shè)計(jì)，同時(shí)氫氣濃度計(jì)算引入了溫度參數(shù)和濕度參數(shù)補(bǔ)償，并采用調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了傳感器的測(cè)量。在傳感器測(cè)試中表明，3只氫氣傳感器精度均在±2% FS的范圍內(nèi)，該傳感器可以用來檢測(cè)氫氣濃度。氫氣濃度計(jì)算過程中引入了溫度參數(shù)和濕度參數(shù)，提升了氫氣檢測(cè)精度，該傳感器可廣泛用于航天、動(dòng)力、化工等領(lǐng)域。