传感器课程设计

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课程名称：传感器原理及其应用 设计名称：接触燃烧式气体传感器设计 指导老师： 时间：

目录

一、设计要求

二、设计原理

三、设计步骤

四、设计心得

一、设计要求：

1、功能与用途：

接触燃烧式气体传感器是煤矿瓦斯检测的主要传感器，这种传感器的应用对减少和避免矿井瓦斯爆炸事故，保障煤矿安全生产发挥了重要的作用。 2、指标要求：

对于可燃性气体爆炸下限以下浓度的气体含量，其输出信号接近线性；

每个气体成分的相对灵敏度与相对分子质量或分子燃烧热成正比；

对不可燃气体没有反应，只对可燃性气体有反应； 不受水蒸气的影响。

二、设计原理：

当易燃气体（低于LEL——下限爆炸浓度）接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器，也可称为催化燃烧式传感器。传感器工作温度在高温区，目的是使氧化作用加强。气体燃烧时释放出热量，导致铂丝温度升高，使铂丝的电阻阻值发生变化。将铂丝电阻放在一个电桥电路中，测量电桥的输出电压即可反应出气体的浓度。

接触燃烧式传感器由加热器、催化剂和热量感受器三要素组成。它有两种形式：一种是用裸铂金丝作气体成分传感器件，催化剂涂在铂丝表面，铂丝线圈本身既是加热器，又是催化剂，同时又是热量感受器；另一种是载体作为气体成分传感器，催化剂涂于载体上，铂丝线圈不起催化作用，而仅起加热和热量感受器的作用。

三、设计步骤：

1、组成气敏元件：

采用由铂丝、载体和催化剂组成，如下图：

2、组成过程及注意事项：

铂丝螺旋线圈是用纯度99.999%的铂丝绕成的，线圈直径为0.007～0.25mm，20℃时的阻值约为5～8Ω。铂丝螺旋线圈的作用是通以工作电流后，将传感器的工作温度加热到瓦斯氧化的起始温度（450℃左右）。对温度敏感的铂丝，当瓦斯氧化反应放热使温度升高时，其阻值增大，以此检测瓦斯的浓度。载体是用氧化铝烧结而成的多孔晶状体，用来掩盖铂丝线圈，承载催化剂。载体本身没有活性，对检测输出信号没有影响，其作用是保护铂丝线圈，消除铂丝的升华，保证铂丝的热稳定性和机械稳定性。承载催化剂，使催化剂形成高度分散的表面，提高催化剂的效用。催化剂多采用铂、钯或其他过渡金属氧化物，其作用是促使接触元件表面的瓦斯气体发生氧化反应。

3、反应化学方程式：

在催化剂的作用下，瓦斯中的主要成分沼气与氧气在较低的温度下发生强烈的氧化反应（无焰燃烧），反应化学式为：

CH4+2O2=CO2+2H2O+Q

4、反应注意事项：

在实际应用中，往往将催化传感元件和物理结构完全相同的补偿元件放入隔爆罩内，如下图所示。隔爆罩由铜粉烧结而成，其作

用是隔爆，限制扩散气流，以削弱气体对流热效应。催化传感器工作时，在隔爆罩内的燃烧室与外界大气中的CH4、CO2、O2、H2O（水蒸气）等四种气体存在浓度差，因而产生扩散运动。外界大气中的沼气分子（CH4）和氧气分子（O2）一起经隔爆冶金罩扩散进入燃烧室，氧化反应的生成物CO2和H2O（水蒸气）经隔爆冶金罩扩散溢出燃烧室。热反应生成的高温气体CO2和H2O通过铜粉末冶金隔爆罩传递出较多的热量，使得扩散到大气中的气体温度低于引燃瓦丝的最低温度，确保传感器的安全检测。

如果气体温度低，而且是完全燃烧时，有这样一个关系式：

?R????T????HCa???m?Q?C式中：ΔR——气体传感器的阻值变化； α——气体传感器的电阻温度系数； ΔT——气体燃烧引起的温度上升值； ΔH——气体燃烧所产生的热量；

C——气体传感器的热容量； m——气体浓度； Q——气体的分子燃烧热；

a——常数。

气体传感器的材料、形状和结构被决定以后，若被测气体的种类固

定，则传感器的电阻变化与被测气体浓度成正比，即ΔR=α〃k〃m。 5、测量电路：

接触燃烧式气体传感器基本测量电路如下图所示，测量电路是个电桥电路。气体敏感元件被置于可通入被测气体的气室中，温度补偿元件的参数与催化敏感元件相同，并与催化敏感元件保持在同一温度上，但不接触被测气体，放置在与催化敏感元件相邻的桥臂上，以消除周围环境温度、电源电压等变化带来的影响。

6、设计的优缺点：

优点：接触燃烧式传感器可产生正比于易燃气体浓度的线性输出，测量范围高达100%LEL。在测量时，周围的氧浓度要大于10%，以支持易燃气体的敏感反应。这种传感器可以检测空气中的许多种气体或汽化物，包括甲烷、乙炔及氢气等，接触燃烧式传感器具有响应时间快、重复性好和精度高，并且不受周围温度和湿度变化的影响；

缺点：但是它只能测量一种易燃气体总体或混合气体的存在与否，而不能分辨其中单独的化学成分，接触燃烧式传感器具有响应时间快、重复性好和精度高，并且不受周围温度和湿度变化的影响等优点。接触燃烧式传感器不适宜高浓度（>LEL）易燃气体的检测，因为这类传感器在高浓度下会造成过热现象，使氧化作用效果变坏。另外，传感器元件容易被硅化物、硫化物和氯化物所腐蚀，在氧化铝表面造成不易消除的破坏。

四、设计心得：

首先非常感谢老师的指导和帮助，因为他们的细心检查和关注使我们的课程，设计效果非常好。我从这次传感器课程设计中收获很多，懂得了许多知识，弥补了自己许多的不足之处，知道了具有创新精神是多么的重要，有一个好的思路才能创作出好的成品。这期间我阅读了许多的文献，扩展了自己的知识面，并且学会了一些电脑软件，现在能够很好的使用它们了。

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