热电传感器热电式传感器的类型及工作原理

发布时间：2024-10-06 10:10:54

热电式传感器的类型及工作原理

　　热电式传感器的类型

　　1、接触式热电

　　1.1热电偶温度传感器

　　热电偶温度传感器的工作原理基于材料的热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度t和t0不同时，在该回路中就会产生电动势。如图1所示

　　热偶式传感器的影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关，两热电极相同时，总电动势为0，两接点温度相同时，总电动势为0。对于已选定的热电偶，当参考端温度t0恒定时，eab（t0）=c为常数，则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系，即：

　　热电偶式传感器的缺点：体积大，灵敏度低。

　　热电偶式传感器的优点：寿命长，抗干扰能力好，测温范围宽。

　　1.2热电阻温度传感器

　　热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。典型的热阻式传感器如图2所示。表2给出了铜热电阻的分度表。

　　热电阻式温度传感器的优点：电阻温度系数大，灵敏度高；电阻率高，热惯性小；结构简单。

　　热电阻式温度传感器的缺点：阻值与温度变化呈非线性；稳定性和互换性差。

　　2、非接触式电热传感器

　　非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围600—6000度。红外辐射温度传感器如图3所示。

　　热电式传感器工作原理

　　热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。

　　热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。

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常用的氢气传感器工作原理

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当前，最常见的氢气传感器包括催化型、电化学型、电学型（金属氧化物半导体、肖特基二极管等）和热导型传感器等，此外，因为具有无电火花、抗电磁干扰能力强等优势，光学型传感器越来越受到青睐[12]。接下来将逐一介绍上述五种类型氢气传感器的基本工作原理和主要优、缺点。

催化型氢气传感器利用气体在电加热催化元件表面上的氧化来探测可燃气体。这种氧化需要利用空气中的氧气，并将放热导致传感元件温度升高，升温程度取决于气体的浓度。最常见的催化型传感器类型是“变阻器型”，由两个嵌有铂丝的陶瓷珠组成，其中一个陶瓷珠涂有催化材料，遇氢气会发生氧化，导致珠粒上温度升高，从而改变铂丝的电阻。同时，该铂丝还充当加热器的功能，需要事先将陶瓷珠加热到规定温度。为了精确测量温度变化导致的电阻变化，需要采用惠斯通电桥。

图9-1

图9-2　“变阻器型”催化传感器的测量原理

另一类常用的催化型传感器为热电传感器，其同样利用了氢气被氧化放热的原理，但在热信号转化为电信号的步骤中应用了热电效应，而不是利用惠斯通电桥测量由升温引起的电阻变化。

催化型氢气传感器具有工艺成熟、结构紧凑、体积小、测试范围非常宽等优点，但同时也存在明显的缺点。第一，催化型氢气传感器对于其他任何可燃气体都很敏感，不能区分氢气与其他可燃气体；第二，氧化反应需要空气中的氧气，传感器本身的防爆性能较差；第三，催化剂可能会被痕量气体[例如硅酮（即聚硅氧烷）和硫化氢]毒化，需要定期校准和更换。

电化学型氢气传感器可分为电流型和电势型两类，其中电流型传感器通过测量电化学反应产生的电流来检测氢气浓度，电化学反应发生于涂有催化剂（例如铂）的传感器电极表面。一般而言，电化学型氢气传感器的金属阳极和阴极浸没在电解液（例如H2 SO4）中，以允许离子在两个电极之间传递电荷。因为电流大小与氢气浓度成正比，所以可以通过测量该电流大小来确定氢气浓度。先进的电化学型氢气传感器会采用固体聚合物电解质，这将消除使用液体电解质时可能发生泄漏的风险。

电势型传感器与电流型传感器之间的区别在于：电流型传感器是在恒定的电压下工作，传感器信号为电流；而电势型传感器在零电流（开路）下工作，传感器信号为测试电极与参比电极之间的电势差。

电化学型氢气传感器具有很高的灵敏度和准确性，结构紧凑，在操作过程中的功耗也非常小，已经初步具备了商业化的条件。当前，其主要需要解决的问题是寿命问题——电极催化剂在工程应用中很容易被其他气体毒化，从而导致电化学型氢气传感器的精度会随着时间的推移而降低。此外，工作温度较窄也是某些电化学型氢气传感器的劣势。

电学型氢气传感器可以分为电阻型和非电阻型两类，前者以金属氧化物半导体传感器为典型代表，后者主要利用肖特基二极管或MOSFET进行测量。其中，又以金属氧化物半导体传感器更为常见。该种传感器有两个电极，在两个电极之间的衬底材料上涂一层金属氧化物膜（例如氧化锡），该膜作为一种氢敏材料，与氢气相互作用后电导率会发生改变。因此，半导体导电率的变化可以作为氢气浓度的量度。

电学型氢气传感器具有成本低、寿命较长、运行功耗较低、可小型化等优点，具有大规模应用的潜力。但其对氢气选择性不强，容易受到水蒸气等常见气体的干扰，且存在运行温度较高、启动较慢、非线形、易被污染等问题。

热导型氢气传感器依靠氢气热导率大的性质来进行检测。热导率是每种气体的特有属性，在所有已知气体中，正常条件（273K、101325Pa附近）下氢气的热导率是最大的。因此使用空气作为参比气体，可以根据热导率的变化来确定氢气浓度。

图9-5展示了一种热导型氢气传感器的示意图。通过测量待测气体的热导率并将其与参比气体进行比较，可以确定二元混合物中氢气的浓度。两个完全相同的热敏电阻用于将热导率信号转化为电信号。一个电阻与待测气体接触，另一个与参比气体接触。热敏电阻的温度（电阻）取决于周围气体的热导率，而热导率与混合气体中的氢气浓度成正比。

图9-5

由于不存在化学反应，热导型氢气传感器相对而言非常稳定，使用寿命较长，且特别适合于检测高浓度氢气。但同时其存在灵敏性不好的问题，很难检测到非常低的氢气浓度，通常需要与其他类型的氢气传感器配合使用，或通过传感器小型化技术来改善上述缺点。

光学型氢气传感器有多种类型，其中以光纤氢气传感器最为常见。光纤氢气传感器又可以分为微透镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉格光栅型等多种类型，但究其基本原理都是将光纤与氢敏材料结合，氢敏材料与氢气接触后相互作用，引起光纤的物理性质发生变化，进而改变光纤中传输光的光学特性，最后通过检测输出光的某特征物理量的变化来确定氢气浓度。

光纤氢气传感器中最常用的氢敏元件为钯膜，不同类型的传感器利用了不同的物理量变化，例如干涉型光纤氢气传感器利用了钯膜与氢气相互作用后体积膨胀，拉伸光纤，增加光程进而改变相位的原理；光纤布拉格光栅氢气传感器同样利用了钯膜与氢气相互作用后体积膨胀的原理，但其是通过测量光栅栅距的变化来确定氢气浓度的；微透镜型光纤氢气传感器则利用了钯在吸附了氢变成氢化钯后反射率与折射率发生变化的原理。

光学型氢气传感器传输信号为光信号，不存在成为点火源的风险，因此特别适合在易燃易爆环境中使用。同时，其还存在监控面积较广、可在无氧环境运行、抗电磁干扰等优点。但是，光学型传感器也存在易受环境光干扰、对温度变化过于敏感等问题。

氢气传感器是氢能领域的关键零部件之一，可以对氢气泄漏进行量化和检测，是氢气报警装置的核心与基础，对提升氢安全有重大意义。当前，研究人员已成功开发多种基于不同工作原理的氢气传感器，还有许多具有潜力和吸引力的氢气传感器正处于实验室阶段。但是，目前几乎所有类型的氢气传感器都存在成本偏高、寿命较短、抗干扰性不够强的问题，离大规模批量生产、“走进千家万户”的要求还存在一定差距。一方面，需要继续优化当前已有的传感器类型；另一方面，还应该坚持创新，寻找新的可用于氢气传感器的科学原理，以尽快实现氢气传感器的突破。

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