第15讲磁场与成分参数检测.ppt
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1、第7章 磁场与成分参数检测,生物医学工程学院 卢广文 ,本章内容,7.1 磁敏传感器,磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应,实用的磁敏传感器产生于半导体材料发现之后。60年代初,西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件;1966年出现了铁磁性薄膜磁阻元件;1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管;1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。 磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏晶体管和霍尔式磁敏传感器。,7.1.1 磁敏电阻,一、磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效
2、应外,其电阻也会随磁场而变化,这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。 当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况,理论推出磁阻效应的表达式为,当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况,理论推出磁阻效应的表达式为,电阻率变化,电阻率相对变化,磁敏电阻:InSb、InAs,1、原理,二、磁敏电阻,2、结构,3、特性,7.1.2 磁敏二极管,一、磁敏二极管 1、结构,2、工作原理,磁场H = 0: 少量电子和空穴 在 I 区、r区复合,正向磁场
3、H+ : 电子和空穴偏向 r 区, 电流因复合增大而减小,反向磁场 H- : 电子和空穴偏向 I 区, 电流因复合减少而增大,3、主要技术特性及参数,4、特点,(1)灵敏度高:测量弱磁场 (2)具有正反磁灵敏度 (3)线性范围较窄,根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。,(4)伏安特性,例:漏磁探伤仪,无损伤部分:闭合磁路、无泄漏磁通,无输出信号 裂纹:泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号,5、应用,7.1.3 磁敏三极管,2、工作原理,无磁场作用: e - I - b:基极电流 输运基区:集电极电流,正向磁场作用: 载流子偏向发射极一侧, 集电极电流减小,反向磁场作用: 载流子偏向集电极
4、一侧, 集电极电流偏大,7.3 气体成分检测,7.3.1 热导式气体分析仪 7.3.2 热磁式气体分析仪 7.3.3 红外线气体分析仪,7.3.1 热导式气体分析仪,通过介质微元等温面传导的热流量,不仅与等温面处温度梯度有关,而且与介质的导热系数成正比。导热系数标志着物质的导热能力。,对于多组分气体,由于组分含量不同,混合气体导热能力将会发生变化。根据混合气体导热能力的差异,就可以实现气体组分的含量分析。根据传热学理论,在温场中的介质传导的热流量,导热系数 对于不同的介质,导热系数的大小是不同的。 固体和液体的导热系数较大,气体的导热系数较小。 气体的导热系数通常与温度有关。当温度升高时,分子
5、运动加剧,导热系数随之增大。导热系数与温度的关系可近似写成,介质导热系数的温度系数。,表7.3.1 常见气体相对导热系数(0),混合气体的导热系数 由所含组分气体的导热系数共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分气体,其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按组成含量的加权平均值,即,根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系,就可以实现多组分气体的含量分析。,严格地讲,热导式气体成分分析仪只能解决双组分气体的含量分析,此具体形式为:,由于C1+C2=100%,只要测出混合气体的导热系数,就可以根据两组分的导热系数 求得待测组分的含量。,对上式微分,可得,仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差
6、成正比, 即两组分导热系数相差越大,仪器的灵敏度就越高。,(1)除待分析的组分外,其余组分的导热系数相等或接近,即接近的程度越高,仪器的测量精度越高。若个别气体的值与其它背景气体的值相差较远时,则被视为干扰成分,在分析之前要去掉。 (2)待分析组分与其余组分的导热系数相差很大,以保证仪器有较高的灵敏度。,对于烟气和大多数多组分混合气体,各组分之间满足:,1. 热导池的工作原理,热导池结构示意图,1-腔体; 2-电阻丝; 3-支承架; 4-绝缘; 5-引线; 6-气体出口; 7-气体入口,当电阻元件通过电流I时,电阻吸收的功率将全部转换成热量,此热流量一方面使电阻元件本身温度升高,另一方面也向周
7、围散失。 电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热。 当通过电阻元件的电流,气体成分以及热导池壁面温度一定时, 电阻元件温度上升到某一数值后,便会出现电源供给的热量与气体的导热量相平衡的情况,以后电阻元件的温度以及热导池内的温场分布都将保持不变。 热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。 对于半径为r的等温面,单位时间气体的导热量为,热平衡时各等温面的导热量相当,dQ值与r无关,则式变为,对于热导池壁,当r=rc时,t=tc,代入上式可得积分常数C为,式中, rc热导池内壁半径。,式中,0混合气体在0时的导热系数; 混合气体导热系数的温度系数;,假定电阻丝r=rw表面处的温度t=
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- 15 磁场 成分 参数 检测
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