气体传感器的设计与研制

长春理工大学学报（自然科学版）JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology（NaturalScienceEdition）Vol.42No.4Aug.2019第42卷第4期2019年8月

NDIR乙烷气体传感器中滤光膜的研制

王平贵，付秀华，张静，刘冬梅

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

摘要：为满足NDIR乙烷气体传感器的使用要求，对气体探测系统中的滤光膜进行研制。根据甲烷与乙烷气体分子的红外吸收光谱，红外探测器的响应度以及系统的灵敏度确定了滤光膜的技术参数。选用Ge和Nb2O5分别作为高低折射率薄膜

材料，根据拆分技术原理并借助膜系设计软件完成了滤光膜的双面设计，解决了滤光膜截止区域宽，且单面设计膜层应力过大的问题。采用直流脉冲磁控溅射真空镀膜的方法，制备的滤光膜在中心波长6.7μm处的透过率为72.09%，半峰值带宽为301nm，2.5~6.3μm和7.1~10μm的平均透过率为0.13%和0.01%，减小了其余干扰气体的影响，提高了探测系统的信噪比。薄膜样品经过了附着力测试，满足系统使用要求。关键词：NDIR；光学薄膜；滤光膜；乙烷；气体传感器中图分类号：O484文献标识码：A文章编号：1672-9870（2019）04-0042-04

StudyandFabricationofFilterinNDIREthaneGasSensor

WANGPinggui，FUXiuhua，ZHANGJing，LIUDongmei

（SchoolofOptoelectronicEngineering，ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022）

Abstract：TheopticalfilterinthegasdetectionsystemwasstudiedandpreparedtomeettherequirementsforNDIRethanegassensor.Accordingtotheinfraredabsorptionspectrumofmethaneandethane，theresponsivenessoftheIRdetectorandthesensitivityofthesystem，thetechnicalparameterofthefilterwasobtained.GeandNb2O5werecho-senasthehighandlowrefractiveindexmaterialsrespectively.Basedontheprincipleofsplittingtechnology，thedou-ble-sidedfilterdesignwascompletedbyusingmembranedesignsoftwarewhichsolvestheproblemthatthecut-offre-gionwaswide；andthestressofthesingle-sidedfilterdesignwastoolarge.ThefilterwhichwaspreparedbyDCpulsedmagnetronsputteringsystemshowedthatthetransmittancewas72.09%at6.7μm，theFWHMwas301nmandtheaveragetransmittanceof2.5~6.3μmand7.1~10μmwas0.13%and0.01%，whichreducedtheimpactofthere-maininginterferencegasesandimprovedtheSNRofthedetectionsystem.Thedepositedcoatingwastestedforadhe-siontometthesystemrequirements.Keywords：NDIR；opticalthinfilm；filter；ethane；gassensor

仪器仪表与检测技术　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕ　ｒｍｅｎｔ　《自动化技术与应用》２０１　３年第３２卷第０１期　气的浓度为零，气室内残留的气体为空气，口Ｊ以把它当　做稀释气体看待。根据充气前后氢气缓冲气室的压强　由Ｐ，？　，可以确定实际通入的氢气量为：　一　－　Ｘ　（２）　同理，氮气罐中压强由ＪＤ　？　’，实际注入的氮气为：　一　’　Ｘ　（３）　混合气体在混合罐中混合后压强Ｐ』？尸，，实际注入　的混合气为：　Ｖ蹙奇气＝ｆＰ３一Ｐｉ）×Ｖ２　最后，将混合气注入测量气罐中后，测量气罐中压　强Ｐ，？　，最后的混合气为：　Ｖ　＝（Ｐ４一　）Ｘ　Ｖ　＝（　一　）×（　＋　）　（５）　实际上中间两步可以省略，只需要考虑实际注入　了多少氢气与最后的混合气的比值即为最中的标准气　体浓度：　＝　一　一（Ｐ２一Ｐ１）ｘｖ，　（　一Ｐ１）×　（６）　（Ｐ：一Ｐ　）×３０　（Ｐ　一Ｐ　）Ｘ４０００　３　配气系统精度评估　３．１不确定度分析　根据式（１）双组分标准气体的合成标准不确定度可　由下式表示ｔ　】　Ｑ　２　Ｈ２　２　ｊ２＋　『＋［　『＋ｆ　『十［　］２（７）　选择了符合精度设计要求的温度计和压力表，其　中温度计量程：一１Ｏ０　１９９．９℃，精度为０．２％ＦＳ；压力表　量程０　１ＭＰａ，精度为０．２％ＦＳ，另设气室制作精度设　为Ｉ％ＦＳ。　当组分为气体，置信概率为９５％，包含因子为２时，　按式（７）计算扩展不确定度为：　Ｕ：２×　Ｋ　Ｑ　＝２×　：２ｘ　２．９４％　经公式（７）计算得到系统配气误差为２．９４％ＦＳ，符合　４％ＦＳ的设计要求。　３．２配气系统标定　为确定配气的准确性，对系统进行标定。利用分辨　力１　Ｏｐｐｍ的电传感器作校准传感器，进行了几组配气实　验，并记录数据如下：　表１　配气系统实验数据　Ｐ　（ＫＰａ）　１５　８　１５　８　１５　８　１５　８　１５　８　Ｐ（ＫＰａ）　９９　８　９９　６　９９　４　９９　１　９９　７　６（％ＦＳ）　０　７９　ｌ　３２　０　７９　ｉ　８４　ｌ　３２　上表中，第一列代表氢气气室在抽完真空充气前的　压强尸　，第－－ｊ￣ｊ代表氢气气室在充气后的压强尸，，第三　列代表混合后整体的压强Ｐ。实际总气体体积　要考　虑管道中残余气体，用注水法测得实际　，和　比值为　０．００６２８６。将数值代入公式（６），可计算出配置的气体浓　度为第四列。　电传感器的测量氢气浓度的范围是０　４％，当氢气浓　度为０％时，输出电流值为４ｍＡ，当氢气浓度为４％时，　输出电流为２０ｍＡ，中间呈线性增长。即氢气浓度每增　加１％，输出电流就增大４ｍＡ。则根据上面的分析，可通　过电传感器得到测试环境的氢气浓度为以下公式，数据　见五列。　，　一４　。　（８）　配气系统的误差６为　＝　一　０１　（９）　４—０。２　本文中光纤氢气传感器用于检测密闭气罐内微　量氢气含量变化，根据设计要求，待测氢气浓度为　０．２％一４％时，测量精度需优于４％ＦＳ，则测量系统配　

第３５卷第６期　２００６年１１月　石油化工设备　ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＩ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．６　ＮＯＶ．２００６　

文章编号：１０００—７４６６（２００６）０６—００２４—０３　

气体膨胀型自力式温度调节阀传感器设计　

贺连娟，李树勋，把桥环，杜兆年　

（兰州理工大学，甘肃兰州　７３００５０）　

摘要：以波纹管压力平衡型自力式温度调节阀为例，介绍了气体膨胀型自力式温度调节阀的原理，　分析了阀芯受力状况，推导出了温度传感器内充气体的摩尔数与相关参数和温度变化的关系，探讨　

了内充气体的选择以及初装压力的确定。其结果可为该类阀门传感器的设计提供参考。　

关键词：温度调节阀；气体；传感器；设计　

中图分类号：ＴＨ　１３４　文献标志码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｅｎｏｒ　Ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｇａｓ－Ｅｘｐａｎｄｅｄ　Ｄｉｒｅｃｔ－Ａｃｔｉｎｇ　

Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ　

ＨＥ　Ｌｉａｎ—ｊ　ｕａｎ，ＬＩ　Ｓｈｕ—ｘｕｎ，ＢＡ　Ｑｉａｏ—ｈｕａｎ，ＤＵ　Ｚｈａｏ－ｎｉａｎ　

（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｇａｓ—ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｄｉｒｅｃｔ—ａｃｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ　ｓｅｎｏｒ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂａｌａｎｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｂｅｌｌｏｗｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｖｅ　ｐｌｕｇ　ｆｏｒｃｅ　ｗａｓ　

ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｇａｓ—ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ　

ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　

气体传感器的特性、分类与应用

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分

从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。接下来了解一下气体传感器的主要特性：

气体传感器的特性

1、稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。

2、灵敏度 灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性。

3、选择性

选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

4、抗腐蚀

性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。