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如何科学地延长电化学传感器的使用寿命 传感器操作规程

时间:2020-06-22    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
【导读】电化学气体传感器大都是以水溶液作为电解质, 电解质的蒸发或污染, 常会导致传感器的信号下降, 使用寿命短; 由于在空气中有被测物质存在, 传感器 中的有效成分被消耗, 因此传感器一旦被启封, 就视

电化学气体传感器大都是以水溶液作为电解质,
电解质的蒸发或污染, 常会导致传感器的信号下降,
使用寿命短; 由于在空气中有被测物质存在, 传感器
中的有效成分被消耗, 因此传感器一旦被启封, 就视
为参加了使用, 即使没用于测量, 它的生命也在缩
短; 电化学型气体传感器的寿命期望值为2 年, 使用
不当它的寿命可能更短, 而传感器更换的费用较高。
因此如何保证其使用寿命, 传感器的正确维护对烟气
分析仪的使用尤为重要。
传感器长时间暴露在烟气中会极大影响使用寿
命, 只有短时间与被测对象接触, 长期处于新鲜的空
气中即可维护其正常使用寿命。因此, 仪器开机时,
一定要在清洁的空气中。测量完毕后, 不要立即关
机, 仪器必须在清洁空气保持运行时间5~10min ,
待仪器气体显示值降至10 单位以下, 保持仪器内部
处于新鲜空气的环境, 方可关机或停泵, 否则, 传感器容易“中毒”并加速传感器的损耗。
对于装有粉尘过滤装置的仪器, 要及时更换过滤
芯, 避免粉尘进入传感器内, 污染传感器。对于便携
式仪器, 不论仪器是否经常使用, 至少每隔2~3 周
充电一次, 且采样时电池电量不应低于30 %。
有些厂商安装了两个泵: 抽气泵和内置的清洗
泵, 在仪器连续监测一段时间后, 抽气泵会关闭, 在
仪器内部的清洗泵会自动开启, 抽取仪器周围的清洁
空气, 使仪器的传感器得到充分的清洗, 这样也延长
了传感器的使用寿命。

 

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电路设计是传感器性能能否的关键要素,由于温湿度传感器输出端是微小的信号,假如由于噪声招致有用的信号被吞没,所以增强传感器电路的抗干扰性突出。我们需理解传感器电路噪声的来源,以便找出好的办法来降低噪声。传感器电路噪声一般有如下七种:

1、低频噪声,

低频噪声是由内部的导电微粒不连续运动形成的。是碳膜电阻,其碳质资料内部存在许多微小颗粒,颗粒之间是不连续的,在电流流过时,会使电阻的导电率发作变化惹起电流的变化,产生相似接触不良的闪爆电弧。晶体管也产生过类似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产活力理与电阻中微粒的不连续性相近,也与晶体管的掺杂水平有关。

2、半导体器件产生的散粒噪声

由于半导体PN结两端势垒区电压的变化,导致累积在此区域的电荷数量改动,从而出现电容效应。当外加正向电压升高时,N区的电子和P区会向耗尽区运动,相当于对电容充电。当正向电压小时,它使电子和空穴远离耗尽区,相当于电容放电。外加反向电压时,耗尽区变化相反。当电流流经势垒区,这种变化会惹起流过势垒区的电流产生微小动摇,而产生电流噪声。产生的噪声大小与温度、频带宽度△f成正比。

3、高频热噪声

高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高,电子运动就越剧烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部构成很多微小的电流动摇,因其是无序运动,故它的均匀总电流为零,但当它作为一个元件(或作为电路的一局部)被接入放大电路后,其内部的电流就会被放大成为噪声源,对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。

通常在工频内,电路的热噪声与通频带成正比,通频带越宽,电路热噪声的影响就越大。以一个1kΩ的电阻为例,假如电路的通频带为1MHz,则呈如今电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。看起来噪声的电动势并不大,但假定将其接入一个增益为106倍的放大电路时,其输出噪声可达4V,这时对电路的干扰就很大了。

4、晶体管的噪声

晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。

热噪声是由于载流子不规则的热运动经过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中温湿度变送器所产生的噪声是主要的。

通常所说的BJT中的电流,只是一个均匀值。实践上经过发射结注入到基区的载流子数目,在各个瞬时不相同,因此发射电流或集电流都有无规则的动摇,会产生散粒噪声。

由于半导体资料及制造工艺程度使得晶体管外表清洁处置不好而惹起的噪宣称为闪烁噪声。它与半导体外表少数载流子的复合有关,表现为发射电流的起伏,其电流噪声谱密度与频率近似成反比,又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。

5、电阻器的噪声

电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻自身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻,可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。寄生电容为0.1~0.5pF,寄生电感为5~8nH。在频率高于1MHz时,这些寄生电感电容就不可无视了。

电阻都产生热噪声,一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时,在频带B内所产生的热噪声电压式中:k为玻尔兹曼常数;T是温度(单位:K)。热噪声电压自身是一个非周期变化的时间函数,它的频率范围是很宽广。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。

电阻产生接触噪声,接触噪声电压式中:I为流过电阻的电流均方值;f为频率;k是与资料几何外形有关的常数。因为Vc在低频段起着重要的作用,所以它是低频传感器的主要噪声源。

霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,当电流垂直于外磁场通过导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

由于霍尔元件产生的电势差很小,故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上,称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路

目前的霍尔器件都可承受一定的振动,可在零下40℃到零上150℃范围内工作,全部密封不受水油污染,完够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压,如:直流、交流、脉冲波形等,甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的,它一般只适用于测量50Hz正弦波

原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离,隔离电压可达9600Vrms;

精度高:在工作温度区内精度优于1%,该精度适合于任何波形的测量;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。

宽带宽:高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs;但是,电压传感器带宽较窄,一般在15kHz以内,6400Vrms的高压电压传感器上升时间约500uS,带宽约700Hz。

测量范围广泛:电流测量可达50KA,电压测量可达6400V。

结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

 

上图即是一种典型的霍尔传感器实现定位应用---一个轮上的两个磁铁经过霍尔效应传感器。图示中的轮子,带有两个等距的磁铁,传感器上的电压在一个周期内将两次达到峰值。

通常被用于计量车轮和轴的速度,例如在内燃机点火定时(正时)或转速表上。其在无刷直流电动机的使用,用来检测永磁铁的位置。

霍尔传感器广泛应用在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、通信 电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流的设施中以及新兴的太阳能、风能和地铁轨道信号、汽车电子等领域。

前面介绍过了霍尔传感器是一种根据霍尔效应制作的磁场传感器,它的主要特性参数有以下几类。

 

(1)输入电阻R

霍尔传感器元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到儿百欧,视不同型号的元件而定。

温度升高,输入电阻变小,从而使输入电流变大,终引起霍尔传感器电势变化。为了减少这种影响,采用恒流源作为激励源。

 

(2)输出电阻R

两个霍尔传感器电势输出端之间的电阻称为输出电阻,它的数位与输入电阻同一数量级。它也随温度改变顺改变。选择适当的负载电阻易与之匹配,可以使由温度引起的程水电势的漂移减至小。

 

(3)大激励电流I---霍尔传感器参数

由于霍尔传感器电势随激励电流的增大而增大,故在应用中总希望选用较大的激励电流1M但激励电流增大,程尔元件的功耗增大,元件的温皮升高,从而引起霍尔传感器屯势的温漂增大,因此每种型号的几件均规定了相应的大激励电流,它的数值从几毫安至几百毫安。

 

(4)灵敏度K

灵敏度KH=EH/IB,它的数值约为10MV(MA.T)左右。

 

(5)大磁感应强度BM---霍尔传感器参数

磁感应强度超过BM时,霍尔传感器电势的非线性误差将明显增大,特斯捡(T)成几千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

 

(6)个等位电势

在额定激励电流F,当外加磁场为零时它是由于4个屯极的几何尺寸不对称引起的误差。

 

(7)霍尔传感器屯势温度系数

6M的数值一般为零点刀霍尔传感器输出端之间的开路电压称为不等位电势,使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起日在一定磁感应强度和激励电流的作用下,温度每变化1摄氏度时,霍尔传感器电势变化的百分数弱为霍尔传感器电势温度系数,它与霍尔传感器元件的材料有关。

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

1)线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。

 

2)开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成,它输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量。

例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。

由于通电螺线管内部存在磁场,其大小与导线中的电流成正比,故可以利用霍尔传感器测量出磁场,从而确定导线中电流的大小。

利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感。

 

 

如有疑问请点击:霍尔传感器的原理特点和应用

 

 

 




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