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如何科學(xué)地延長電化學(xué)傳感器的使用壽命 傳感器操作規(guī)程

時(shí)間:2020-06-22    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
【導(dǎo)讀】電化學(xué)氣體傳感器大都是以水溶液作為電解質(zhì), 電解質(zhì)的蒸發(fā)或污染, 常會(huì)導(dǎo)致傳感器的信號(hào)下降, 使用壽命短; 由于在空氣中有被測(cè)物質(zhì)存在, 傳感器 中的有效成分被消耗, 因此傳感器一旦被啟封, 就視

電化學(xué)氣體傳感器大都是以水溶液作為電解質(zhì),
電解質(zhì)的蒸發(fā)或污染, 常會(huì)導(dǎo)致傳感器的信號(hào)下降,
使用壽命短; 由于在空氣中有被測(cè)物質(zhì)存在, 傳感器
中的有效成分被消耗, 因此傳感器一旦被啟封, 就視
為參加了使用, 即使沒用于測(cè)量, 它的生命也在縮
短; 電化學(xué)型氣體傳感器的壽命期望值為2 年, 使用
不當(dāng)它的壽命可能更短, 而傳感器更換的費(fèi)用較高。
因此如何保證其使用壽命, 傳感器的正確維護(hù)對(duì)煙氣
分析儀的使用尤為重要。
傳感器長時(shí)間暴露在煙氣中會(huì)極大影響使用壽
命, 只有短時(shí)間與被測(cè)對(duì)象接觸, 長期處于新鮮的空
氣中即可維護(hù)其正常使用壽命。因此, 儀器開機(jī)時(shí),
一定要在清潔的空氣中。測(cè)量完畢后, 不要立即關(guān)
機(jī), 儀器必須在清潔空氣保持運(yùn)行時(shí)間5~10min ,
待儀器氣體顯示值降至10 單位以下, 保持儀器內(nèi)部
處于新鮮空氣的環(huán)境, 方可關(guān)機(jī)或停泵, 否則, 傳感器容易“中毒”并加速傳感器的損耗。
對(duì)于裝有粉塵過濾裝置的儀器, 要及時(shí)更換過濾
芯, 避免粉塵進(jìn)入傳感器內(nèi), 污染傳感器。對(duì)于便攜
式儀器, 不論儀器是否經(jīng)常使用, 至少每隔2~3 周
充電一次, 且采樣時(shí)電池電量不應(yīng)低于30 %。
有些廠商安裝了兩個(gè)泵: 抽氣泵和內(nèi)置的清洗
泵, 在儀器連續(xù)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間后, 抽氣泵會(huì)關(guān)閉, 在
儀器內(nèi)部的清洗泵會(huì)自動(dòng)開啟, 抽取儀器周圍的清潔
空氣, 使儀器的傳感器得到充分的清洗, 這樣也延長
了傳感器的使用壽命。

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電路設(shè)計(jì)是傳感器性能能否的關(guān)鍵要素,由于溫濕度傳感器輸出端是微小的信號(hào),假如由于噪聲招致有用的信號(hào)被吞沒,所以增強(qiáng)傳感器電路的抗干擾性突出。我們需理解傳感器電路噪聲的來源,以便找出好的辦法來降低噪聲。傳感器電路噪聲一般有如下七種:

1、低頻噪聲,

低頻噪聲是由內(nèi)部的導(dǎo)電微粒不連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成的。是碳膜電阻,其碳質(zhì)資料內(nèi)部存在許多微小顆粒,顆粒之間是不連續(xù)的,在電流流過時(shí),會(huì)使電阻的導(dǎo)電率發(fā)作變化惹起電流的變化,產(chǎn)生相似接觸不良的閃爆電弧。晶體管也產(chǎn)生過類似的爆裂噪聲和閃爍噪聲,其產(chǎn)活力理與電阻中微粒的不連續(xù)性相近,也與晶體管的摻雜水平有關(guān)。

2、半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲

由于半導(dǎo)體PN結(jié)兩端勢(shì)壘區(qū)電壓的變化,導(dǎo)致累積在此區(qū)域的電荷數(shù)量改動(dòng),從而出現(xiàn)電容效應(yīng)。當(dāng)外加正向電壓升高時(shí),N區(qū)的電子和P區(qū)會(huì)向耗盡區(qū)運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于對(duì)電容充電。當(dāng)正向電壓小時(shí),它使電子和空穴遠(yuǎn)離耗盡區(qū),相當(dāng)于電容放電。外加反向電壓時(shí),耗盡區(qū)變化相反。當(dāng)電流流經(jīng)勢(shì)壘區(qū),這種變化會(huì)惹起流過勢(shì)壘區(qū)的電流產(chǎn)生微小動(dòng)搖,而產(chǎn)生電流噪聲。產(chǎn)生的噪聲大小與溫度、頻帶寬度△f成正比。

3、高頻熱噪聲

高頻熱噪聲是由于導(dǎo)電體內(nèi)部電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。溫度越高,電子運(yùn)動(dòng)就越劇烈。導(dǎo)體內(nèi)部電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)在其內(nèi)部構(gòu)成很多微小的電流動(dòng)搖,因其是無序運(yùn)動(dòng),故它的均勻總電流為零,但當(dāng)它作為一個(gè)元件(或作為電路的一局部)被接入放大電路后,其內(nèi)部的電流就會(huì)被放大成為噪聲源,對(duì)工作在高頻頻段內(nèi)的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

通常在工頻內(nèi),電路的熱噪聲與通頻帶成正比,通頻帶越寬,電路熱噪聲的影響就越大。以一個(gè)1kΩ的電阻為例,假如電路的通頻帶為1MHz,則呈如今電阻兩端的開路電壓噪聲有效值為4μV(設(shè)溫度為室溫T=290K)??雌饋碓肼暤碾妱?dòng)勢(shì)并不大,但假定將其接入一個(gè)增益為106倍的放大電路時(shí),其輸出噪聲可達(dá)4V,這時(shí)對(duì)電路的干擾就很大了。

4、晶體管的噪聲

晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲。

熱噪聲是由于載流子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)經(jīng)過BJT內(nèi)3個(gè)區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線電阻時(shí)而產(chǎn)生。其中溫濕度變送器所產(chǎn)生的噪聲是主要的。

通常所說的BJT中的電流,只是一個(gè)均勻值。實(shí)踐上經(jīng)過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目,在各個(gè)瞬時(shí)不相同,因此發(fā)射電流或集電流都有無規(guī)則的動(dòng)搖,會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲。

由于半導(dǎo)體資料及制造工藝程度使得晶體管外表清潔處置不好而惹起的噪宣稱為閃爍噪聲。它與半導(dǎo)體外表少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān),表現(xiàn)為發(fā)射電流的起伏,其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比,又稱1/f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)范圍起主要作用。

5、電阻器的噪聲

電阻的干擾來自于電阻中的電感、電容效應(yīng)和電阻自身的熱噪聲。例如一個(gè)阻值為R的實(shí)芯電阻,可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯(lián)。寄生電容為0.1~0.5pF,寄生電感為5~8nH。在頻率高于1MHz時(shí),這些寄生電感電容就不可無視了。

電阻都產(chǎn)生熱噪聲,一個(gè)阻值為R的電阻(或BJT的體電阻、FET的溝道電阻)未接入電路時(shí),在頻帶B內(nèi)所產(chǎn)生的熱噪聲電壓式中:k為玻爾茲曼常數(shù);T是溫度(單位:K)。熱噪聲電壓自身是一個(gè)非周期變化的時(shí)間函數(shù),它的頻率范圍是很寬廣。所以寬頻帶放大電路受噪聲的影響比窄頻帶大。

電阻產(chǎn)生接觸噪聲,接觸噪聲電壓式中:I為流過電阻的電流均方值;f為頻率;k是與資料幾何外形有關(guān)的常數(shù)。因?yàn)閂c在低頻段起著重要的作用,所以它是低頻傳感器的主要噪聲源。

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種,這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng),而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多,當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí),載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn),垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng),從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差,這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng),這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差?;魻栃?yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。

通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小,故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上,稱之為霍爾傳感器。霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路

目前的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng),可在零下40℃到零上150℃范圍內(nèi)工作,全部密封不受水油污染,完夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。

霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓,如:直流、交流、脈沖波形等,甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的,它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波

原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離,隔離電壓可達(dá)9600Vrms;

精度高:在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%,該精度適合于任何波形的測(cè)量;霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級(jí))。

寬帶寬:高帶寬的電流傳感器上升時(shí)間可小于1μs;但是,電壓傳感器帶寬較窄,一般在15kHz以內(nèi),6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時(shí)間約500uS,帶寬約700Hz。

測(cè)量范圍廣泛:電流測(cè)量可達(dá)50KA,電壓測(cè)量可達(dá)6400V。

結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功耗小,頻率高(可達(dá)1MHZ),耐震動(dòng),不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

 

上圖即是一種典型的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)定位應(yīng)用---一個(gè)輪上的兩個(gè)磁鐵經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器。圖示中的輪子,帶有兩個(gè)等距的磁鐵,傳感器上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)將兩次達(dá)到峰值。

通常被用于計(jì)量車輪和軸的速度,例如在內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火定時(shí)(正時(shí))或轉(zhuǎn)速表上。其在無刷直流電動(dòng)機(jī)的使用,用來檢測(cè)永磁鐵的位置。

霍爾傳感器廣泛應(yīng)用在變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、通信 電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)等需要隔離檢測(cè)電流的設(shè)施中以及新興的太陽能、風(fēng)能和地鐵軌道信號(hào)、汽車電子等領(lǐng)域。

前面介紹過了霍爾傳感器是一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的磁場(chǎng)傳感器,它的主要特性參數(shù)有以下幾類。

 

(1)輸入電阻R

霍爾傳感器元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到兒百歐,視不同型號(hào)的元件而定。

溫度升高,輸入電阻變小,從而使輸入電流變大,終引起霍爾傳感器電勢(shì)變化。為了減少這種影響,采用恒流源作為激勵(lì)源。

 

(2)輸出電阻R

兩個(gè)霍爾傳感器電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻,它的數(shù)位與輸入電阻同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變順改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻易與之匹配,可以使由溫度引起的程水電勢(shì)的漂移減至小。

 

(3)大激勵(lì)電流I---霍爾傳感器參數(shù)

由于霍爾傳感器電勢(shì)隨激勵(lì)電流的增大而增大,故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流1M但激勵(lì)電流增大,程爾元件的功耗增大,元件的溫皮升高,從而引起霍爾傳感器屯勢(shì)的溫漂增大,因此每種型號(hào)的幾件均規(guī)定了相應(yīng)的大激勵(lì)電流,它的數(shù)值從幾毫安至幾百毫安。

 

(4)靈敏度K

靈敏度KH=EH/IB,它的數(shù)值約為10MV(MA.T)左右。

 

(5)大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM---霍爾傳感器參數(shù)

磁感應(yīng)強(qiáng)度超過BM時(shí),霍爾傳感器電勢(shì)的非線性誤差將明顯增大,特斯撿(T)成幾千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

 

(6)個(gè)等位電勢(shì)

在額定激勵(lì)電流F,當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)它是由于4個(gè)屯極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的誤差。

 

(7)霍爾傳感器屯勢(shì)溫度系數(shù)

6M的數(shù)值一般為零點(diǎn)刀霍爾傳感器輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢(shì),使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢(shì)引起日在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下,溫度每變化1攝氏度時(shí),霍爾傳感器電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)弱為霍爾傳感器電勢(shì)溫度系數(shù),它與霍爾傳感器元件的材料有關(guān)。

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

1)線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,它輸出模擬量。

 

2)開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成,它輸出數(shù)字量。

按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)。

按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng),用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量。

例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等,轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。

由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng),從而確定導(dǎo)線中電流的大小。

利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被測(cè)電源的功率,特別適合于大電流傳感。

 

 

如有疑問請(qǐng)點(diǎn)擊:霍爾傳感器的原理特點(diǎn)和應(yīng)用

 

 

 




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