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半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器,是最常见的气体传感器,广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置,适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。 分类 对于半导体气体传感器,按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部,可分为表面控制型和体控制型两种;按照半导体变化的物理性质,又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度;而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应,使半导体的某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。
家用燃气报警器,燃气就是可燃气体,常见的燃气包括液化石油气、 人工煤气、天然气。燃气泄漏探测器就是探测燃气浓度的探测器,[b]其核心原部件为可燃气体传感器[/b],安装在可能发生燃气泄漏的场所,当燃气在空气中的浓度超过设定值探测器就会被触发报警,并对外发出声光报警信号,如果连接报警主机和接警中心则可联网报警,同时可以自动启动排风设备、关闭燃气管道阀门等,保障生命和财产的安全。在民用安全防范工程中,多用于家庭燃气泄漏报警,也被广泛应用于各类炼油厂、油库、化工厂、液化气站等易发生可燃气体泄漏的场所。然而可燃气传感器也是种类繁多,有半导体原理、催化燃烧原理、红外原理等等。一般民用的燃气报警器探测仪,不需要特别精准的测量,红外光谱这些高精度的传感器价格高昂,一般家庭负担不起,所以也就不用考虑了。催化燃烧原理的有其优势也有劣势,一般用于大型工业泄露上。最适合家用燃气泄露探测的传感器是半导体原理的传感器。那又如何挑选合适的半导体传感器呢?首先我们在意的肯定是质量、可靠性等。其次呢,半导体传感器技术起源于日本,经过多年的技术沉淀,他们的半导体传感器还是非常可靠的,各方面性能也是出类拔萃的。另外说到国产品牌有个先天不足就是经验不足,技术方面还存在一定差距,咱们国产品牌发展非常快,但确实还需要时间来追赶。还有就是选择传感器的时候要选专业一点的,什么原理都涉及的话那就要注意一点了,可能是博而不精。市面上的半导体传感器也比较多,无法一一讲解。就主要给大家说说费加罗可燃气体传感器TGS2611吧。半导体传感器技术就是源于费加罗,历史悠久,技术积累深厚。可以说是半导体传感器的金字塔塔尖了,他们认第二估计没人敢认第一。也不是嘴上说说的,要看传感器实际性能。首先我们从响应时间上来看,毕竟传感器精准度再高,响应时间长了也是不行的,不然等你报警的时候可能都要爆炸了。新国标的标准是30秒内达到T90,而TGS2611的响应时间(T90)是15秒以内的,远低于新国标的要求。不过新国标是针对整个产品的,而不是单传感器,但是只要结构设计上保持空气流通,那肯定是满足新国标的。[url=http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/16421462835434.png][img=16421462835434,424,188]http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/16421462835434.png[/img][/url]再者,我们说说抗干扰的问题。由于半导体传感器的特性,半导体传感器几乎是对所有的可燃气体都是有响应的。而厨房环境中,很多时候烹饪美食的时候是需要用到料酒的,那酒精就会挥发出来,就会干扰传感器,导致误报警。TGS2611是带有过滤层的,可以过滤掉酒精等大分子气体。也就解决了干扰的问题。可以参考TGS2611对各种气体的灵敏度曲线图,可以看出,TGS2611对酒精几乎是没有灵敏度的。[url=http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/4414119207.png][img=4414119207,413,285]http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/4414119207.png[/img][/url]接下来我们再聊聊传感器的长期稳定性,毕竟性能不稳定波动太大的话会导致传感器误报延报的,会严重危及人民的生命财产安全。而费加罗的研发生产的TGS2611上市时间足够长,经受住了市场的考验。长期稳定性可以参考下图。[url=http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/16421464407403.png][img=16421464407403,477,295]http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/16421464407403.png[/img][/url]新国标在还有一项硅蒸汽测试,TGS2611带有过滤层的,完全能够满足新国标的要求,新国标的测试标准是传感器要能在10ppm的HMDS气体中工作四十分钟,放回空气中误差要在允许范围内。而TGS2611坚持一周以上都是没问题的。[url=http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/1642146464915.png][img=1642146464915,451,263]http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2022/03/1642146464915.png[/img][/url]不仅仅这些性能优秀,TGS2611能够满足新国标的所有要求,而且在一致性、稳定性等方面都是要比竞争对手要优秀得多的。单单是从寿命来讲,TGS2611理论上可以说是半永久的,保守估计也是能正常工作十年以上的,免去大家频繁更换的报警器的苦恼。近年来,我国的家庭燃气报警器市场蓬勃发展,推动着燃气报警器企业、物联网IOT企业及家庭安防类企业等快速发展,但是因为发展时间尚短,各厂商的产品质量良莠不齐,使得人们很难选到一款好的报警器。于是国家为了规范行业,于2019年10月14日国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布家用可燃探测器新国标GB 15322.2-2019,于2020年11月01日起强制实施。从家用燃气探测器新国标来看,增加了非常重要一项技术指标:抗中毒性能试验和低浓度运行试验;从以往国内市场燃气报警器来看,大多采用的传感器均不满足要求,新国标的发布无疑是未来燃气报警器发展的风向标,如何把握接下来的市场,很大程度上取决于传感器的选型,而费加罗有深厚的技术积累,推出的TGS2611,又完全符合新国标,可以说的非常合适用于燃气报警器。
[size=16px][color=#339999]摘要:为解决石英晶体微量天平这类压电传感器频率温度特性全自动测量中存在的温度控制精度差和测试效率低的问题,本文在TEC半导体制冷技术基础上,提出了小尺寸、高精度和全自动程序温控的解决方案,给出了温控装置的详细结构和实现高精度温度程序控制的具体手段。解决方案在为压电传感器频率温度特性测量提供精密温控能力的同时,关键是可快速进行全过程的自动温度程序运行,由此既保证精度又提高效率。[/color][/size][size=16px][color=#339999][/color][/size][align=center][size=16px][img=TEC半导体制冷加热式微型高精度温度环境试验箱在压电传感器频率温度特性测试中的应用,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302141513442750_3958_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)作为一种超高灵敏的质量检测装置,其测量精度可达纳克级,并广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中,用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度及粘弹性结构检测等。石英晶体微天平实际上是一种压电传感器,它利用了石英晶体的压电效应,将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化,进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的测量结果。石英晶体微天平除了具有高灵敏度高和高精度之外,最大特点是结构简单和成本低,它由一薄的石英片组成,两侧金属化,提供电接触。QCM的工作原理类似于用于时间和频率控制的晶体振荡器,但QCM表面常暴露在周围环境中,且对环境温度变化非常敏感,QCM的一个重要技术指标就是频率温度特性。在QCM的具体应用中,温度变化会严重影响QCM测量结果,因此准确测量频率温度特性是表征评价QCM的一项重要内容。但在目前的各种频率温度特性测试装置中,特别是高精度温度控制装置,还存在以下问题:[/size][size=16px] (1)在常用的-10~+70℃的温度范围内需要对QCM进行多个设定点的高精度温度控制和频率测量,而目前常用温控技术往往控制精度偏低,若提高控制精度又带来测试时间过长的问题。[/size][size=16px] (2)专门用于压电晶体频率温度特性测试的恒温装置往往体积普遍偏大,内部温度均匀性较差,同样会带来温控精度差的问题,仅能用于批量压电晶体较低精度的频率温度特性测试。[/size][size=16px] (3)尽管采用了TEC半导体制冷技术可实现QCM的高精度温度控制,实现了小型化和快速温控和频率测量,但存在的问题是多个温度点的自动化程序控制能力差,无法实现全温度区间内多个温度点的自动控制和频率测量。[/size][size=16px] 为了解决QCM这类压电传感器频率温度特性全自动测量中存在的上述问题,本文在TEC半导体制冷技术基础上,提出了高精度和全自动程序温控的解决方案,给出了温控装置的详细结构和实现高精度温度程序控制的具体手段。解决方案在为压电传感器频率温度特性测量提供精密温控能力的同时,关键是可快速进行全过程的自动温度程序运行,由此既保证精度又提高效率。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了进行石英精度微天平(QCM)的频率温度特性测量,需要将QCM放置在一个受控的热环境中。为了提高热环境的温度控制精度,热环境的尺寸空间较小,并采用TEC模组进行加热和制冷,整个热控装置的结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=压电传感器频率温度测量温控系统示意图,690,209]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302141516237559_7391_3221506_3.jpg!w690x209.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 石英精度微天平频率温度特性温控装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示,TEC被放置在铝制均热套和散热器之间,铝制均热套作为热稳定工作的密闭腔体,为整个腔体提供均匀的温度环境。散热器直接浸泡在水浴中使得TEC的工作表面达到较低的负温度,散热器也可以直接采用水冷板,水冷板内通循环冷却水。[/size][size=16px] 另外,在频率温度特性测试过程中,TEC要提供高低温范围内温度控制,那么在高低温运行时,TEC工作表面和散热器之间存在较大差异,因此,在TEC周围布置隔热材料以减少其两侧之间的热流,从而增加TEC工作面的温度均匀性。[/size][size=16px] 铝制均热套放置在TEC工作表面的顶部,在均热套与TEC之间采用银胶以减小均热套与TEC工作表面之间的接触热阻,铝制均热套被隔热材料包裹以减少与环境的热交换。[/size][size=16px] 在铝制均热套内布置了两只电阻型温度传感器,其中一只安装在铝制均热套的侧壁上作为控温传感器,此温度信号提供给超高精度的PID控制器进行温度自动控制。另一只用来测量固定在铝制支架上的QCM组件温度。[/size][size=16px] 在图1所示的温控装置中,为满足不同尺寸和结构的TEC温控装置,采用了独立的TEC换向电源以满足不同加热功率的需要。在温控器方面,则采用了超高精度的PID控制器,可直接对TEC进行加热制冷双向控制,其中AD为24位,DA为16位,最小输出百分比为0.01%,PID参数自整定,可编程程序控制,由此可实现高精度的温度控制。[/size][size=16px] 对于图1所示结构的温控装置,在全温区范围内设定点从-10变化到+70℃,步进5℃,其温度控制可实现±12mK的温度稳定性和±15mK的设定值精度。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 上述压电传感器频率温度特性测试的温控解决方案,主要具备以下几个特点:[/size][size=16px] (1)采用了TEC半导体制冷组件,可低成本的实现压电传感器频率温度特性测试过程中的精密温度控制,并使得整个频率温度特性测试装置的体积非常小巧。[/size][size=16px] (2)整个温控结构的设计简便,但可以实现0.02℃以内的控制精度和重复性,完全能满足各种压电传感器的频率温度特性测试需要。[/size][size=16px] (3)由于采用了目前最高精度的工业级可编程PID控制器,具有24位AD、16位DA和0.01%的最小输出百分比,这是实现高精度TEC温度控制的必要条件。[/size][size=16px] (4)高精度的可编程PID控制器可按照设定程序进行全测试过程的温度自动控制,设定程序可通过随机的计算机软件进行编辑和修改,控制过程参数可自动进行显示和存储。[/size][size=16px] 总之,本文为实现高精度、简便小巧和低价格的压电传感器频率温度特性测试中的温度控制提供了切实可行的解决方案,为单个或少量压电传感器稳频特性评价提供了有效的技术途径。[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]