（检测技术与自动化装置专业论文）基于超声谐振腔的氢气检测系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 当今世界上气体检测技术的应用已越来越广泛，但是气体检测系统的性能总 是不尽人意，稳定性不高，抗腐蚀性差，灵敏度低是困扰气体检测系统的主要问 题，且在保障检测人员安全等方面考虑不够。 文中从目前国内外氢气检测方面的研究现状出发，分析了氢气的声学特性与 其它气体的差别，在相同的条件下，空气的声速约为氢气的1 4 ，声阻抗约为氢气 的4 倍。利用氢气和空气之间在声学特征上的显著差异，以石英作为压电材料， 并且采用双压电电极的工作方式，采用了正逆两种压电效应，检测出不同浓度氢 气的谐振频率。同传统的半导体型气体传感器不同，在保证具有高稳定度的条件 下，该传感器不需要使用气体敏感元件作为感知材料，而是通过气体自身声学特 性的差异进行检测。在检测灵敏度和抗腐蚀方面都有很大提高。 本文设计的基于超声谐振腔的氢气检测系统包括氢气检测模块、信号处理模 块、无线收发模块和显示模块。氢气传感器将当前氢气浓度n 转换成频率f ( n ) 输 出，并经过混频，得到一个较低的频率。这个频率可以直接送入单片机计数，通 过数学计算模型将计数值n 转换成氢气浓度码。接着将氢气浓度码通过无线收发 芯片n r f 4 0 1 进行收发，最后在l c d 上显示出来。 本文设计的基于超声谐振腔的氢气检测系统的有效通信距离可达5 0 米。以单 片机作为检测系统的核心控制器件，选用了高集成度、低功耗的微处理单元，采 用紧凑的结构设计，减小了系统体积和功耗，并且实现了遥测，基于超声谐振腔 的氢气检测系统可应用于工业检测特别是某些人类不能或不便进入的场合，具有 很强的实用性和经济性。 关键词：氢气检测，超声谐振腔，传感器，遥测 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tg a sd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d ，b u tt h ep e r f o r m a n c e o ft h eg a sd e t e c t i o ns y s t e mi sa l w a y su n s a t i s f i e d t h e r ea r em a n y p r o b l e m ss u c ha sp o o r s t a b i l i t y , c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n dl o ws e n s i t i v i t ya n ds oo n a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t a t u so fr e s e a r c ho nh y d r o g e n t e s t ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n c eb e t w e e nh y d r o g e n a n do t h e rg a s e s i nt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h ea i rv e l o c i t yi sa b o u t1 4o fh y d r o g e n ，a n d a c o u s t i ci m p e d a n c ei sa b o u t4t i m e so ft h eh y d r o g e n t h eh y d r o g e ns e n s o rb a s e do n u l t r a s o n i cr e s o n a t o ru s e st h es i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e h y d r o g e na n da i r , s e l e c t sq u a r t za st h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ，u s e st w oi n v e r s e p i e z o e l e c t r i ce f f e c t st od e t e c tt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f h y d r o g e n d i f f e r e n tf r o mt h es e m i c o n d u c t o r - t y p es e n s o r st h i sd e s i g nu s e st h ea c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a st od e t e c tr a t h e rt h a nt h eg a ss e n s o r s t h ep e r f o r m a n c eo f s e n s i t i 们够a n dr e s i s t a n c et oc o r r o s i o n i sn e a t l yi m p r o v e d t h eh y d r o g e nd e t e c t i o ns y s t e n ab a s e do nu l t r a s o n i cr e s o n a t o ri nt h i sd e s i g n i n c l u d e sh y d r o g e nd e t e c t i o nm o d u l e ，s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ew i r e l e s st r a n s c e i v e r m o d u l ea n dt h ed i s p l a ym o d u l e h y d r o g e ns e n s o r sc o n v e r tt h ec u r r e n th y d r o g e n c o n c e n t r a t i o nnt ot h ef r e q u e n c yo u t p u tf ( n ) a n da f t e rm i x i n g , al o w e rf r e q u e n c yc a n b ep r o d u c e d t h i sf r e q u e n c yc a nb ed i r e c t l ys e n tt om c uc o u n t a n dt h ec o u n tnc a nb e c h a n g e di n t ot h eh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o nc o d eb ym a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l t h e n ， t h eh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o nc o d ei st r a n s f e r r e db yt r a n s c e i v e rc h i pn r f 4 01 ，a n df i n a l l y d i s p l a y e do nt h el c d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o g e nd e t e c t i o ns y s t e mh a sa ne f f e c t i v e c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo f5 0m e t e r s t h i sd e s i g nh a st h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e r , s m a l ls i z ea n dc a nb eu s e di nt h ee n v i r o n m e n tp e o p l ec a i ln o te n t e r i th a sg r e a t p r a c t i c a b i l i t ya n de c o n o m i c a le f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h y d r o g e nd e t e c t i o n ，u l t r a s o n i cr e s o n a t o r ，s e n s o r ，t e l e m e t r y u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：一一磕益 此日期：o 年y 月7 i , e t 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、编印的 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 丛丕也二导师签名：盔壁奎杰 日期：3 , o 年r 月如日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀了匕 氢气( h y d r o g e n ) 是世界上己知的最轻的气体，无色无味且不易容于水，在 常温下，氢气的化学性质是稳定的。但是在点燃或加热的条件下，氢气很容易和 多种物质发生化学反应，在反应过程中有大量热放出，是相同条件下汽油的三倍。 根据氢气所具有的燃烧性质，它可以作为高能燃料，应用于航天、焊接、航天、 军事等方面，我国长征3 号火箭就用液氢燃料；根据它的还原性，还可以用于冶 炼某些金属材料：氢气还广泛应用在充气电缆查漏等方面，用5 氢气和9 5 氮气 的绝对安全混合气作为示踪气体，将它注入充气电缆后遇到漏点便会逸出，然后 用氢气检测系统及其相应的配套探头立即检测出漏点的准确位置。 空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4 7 4 2 ，加热或点燃时就会发 生爆炸，这个范围叫做氢气的爆炸极限。因此，对工业生产而言，采用各种先进 的氢气检测手段对生产过程中的氢气进行检查、测量，对确保安全生产，提高企 业的经济效益是必不可少的【i 圳。 目前，氢气检测中使用较为普遍的是半导体型氢气传感器，其检测原理为在 传感器表面涂抹一层对氢气敏感的薄膜材料，当传感器的表面氧化物吸附氢气后， 导电率将会发生改变，通过导电率的变化来检测出氢气的浓度。但氢气检测系统 的性能总是不尽人意，选择性差，稳定性不高，受环境温度影响大，灵敏度低是 困扰氢气检测系统的主要问题。 传感检测技术是一项与现代化技术密切相关的尖端技术，当前传感检测技术 的主要动向是【2 】：( 1 ) 发现与利用新效应。利用物理现象、化学反应和生物效应是 各种传感器的工作基础，发现新现象与新效应是发展传感器技术的重要工作，是 研制新型传感器的主要途径。( 2 ) 开发新材料。新型传感器材料是研制传感器的 重要物质基础，开发新型功能材料是发展传感器技术的关键之一，近年来，传感 器领域应用的新型材料主要有：半导体硅材料，它具有相互兼容的优良的电学特 性和机械特性，可用来研制各类硅微结构传感器；石英晶体材料，它具有极高的 机械品质因数和非常好的温度稳定性，同时，天然石英还有良好的压电特性，可 用于各种微小型化的高精密传感器；功能陶瓷材料，材料学和物理科学的进步， 电子科技人学硕十学位论文 已能够按照人为的设计配方，制造出所要求性能的功能陶瓷材料，使其不仅具有 半导体的特性，且具有工作温度上限很高，大大地拓展了其应用领域。( 3 ) 传感 器的微型化，各种控制仪器设备的功能越来越多，要求各个部件体积越小越好， 因此传感器本身体积也是越小越好。( 4 ) 传感器的集成化与多功能化。传感器的 集成化般包括两个含义：一是将传感器与其后级的多种功能电路制成一个组件， 实现一体化，与一般传感器相比，它有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好的优 点；二是将同一类传感器集成于同一芯片上构成一维、二维阵列式传感器和三维 传感器。传感器的功能化是与“集成化”相对应的一个概念，是指传感器能感知 与转换两种以上不同的物理量，实现多参量检测以及温度补偿等。( 5 ) 提高传感 器的性能，检测技术的发展，必然要求传感器的性能不断提高。例如，希望对火 箭发动机燃烧室的压力测量准确度能高于o 1 。检测准确度是传感器最重要的性 能指标，是提高性能的主要目标。近年检测准确度提高很快，有些量的检测准备 度可达到万分之几，甚至百万分之几。 基于气体的声学特性传感器的研究，始于2 0 世纪6 0 年代，其中基于声表面 波( s a w ) 传感器的研究发展较快，它与之前的陶瓷、半导体、光纤等传感器相比， 声学传感器具有很大的优势，它在抗干扰、分辨率、微型化方面有很大的提高。 现在世面上的半导体或陶瓷材料传感器大都采用电阻式或电容式，输出信号为模 拟信号，必须经过数字转换才能被单片机进行处理，而采用气体声学特性制成的 传感器( 主要为s a w 传感器) ，输出信号为频率形式，不需要a d 转换即可直接与 计算机进行连接，具有先天的优越性。因此世界各国都将基于气体声学特性传感 器列入尖端技术去研究。 1 2 传统氢气检测方法 目前，在氢气检测方面使用最多的是半导体气体传感器，由于半导体与气体 可以在表面或内部发生反应，半导体气敏传感器又可分为表面控制型传感器和体 控制型传感器两大类；由半导体变化的物理性质的不同，又可以将半导体传感器 分为电阻型和非电阻型两类。半导体气体传感器的分类如表1 - 1 所示。在电阻型 半导体气体传感器中，当气体进入传感器后，半导体传感器的半导体阻值就会发 生改变，根据阻值的变化，从而来检测出气体的成分或浓度；在非电阻型半导体 气体传感器中，通过传感器敏感材料对气体的吸附和反应，使敏感材料的相关特 性变化对气体进行检测。 2 第一章绪论 表l - i 、l ，导体气体传感器分类 土要物理特性 类删 气敏元彳，i ：检测气体 s n o = ，z n o 等烧结 表面控制玳 可燃性气体 体、薄膜、厚膜 l a l - x s r c oo ： ， 电阻型电阻 酒精 t f e ： ，氧化钛 体控制玳 可燃性气体 ( 烧结体) 氧气 氧化镁，s n o ： 铀一硫化镉、铂一 二极管整流特性 氧化钛( 金属半氢气，一氧化碳， 导体结型二极酒精 非电阻型表面控制型 管) 钯栅，钯栅m o s 晶体管特性 氢气，硫化氢 场效应管 1 2 1 电阻型半导体氢气传感器 1 电阻型半导体氢气传感器 该类气体传感器通常由气体敏感元件、加热装置以及封装体等三部分组成。 电阻型气体传感器从制造工艺分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类【l 】。它们的典型结 构如图1 - 1 所示。 图1 - 1 ( a ) 为烧结型气体传感器结构。这类传感器以s n o a 半导体材料为敏感元 件，将铂电极和加热丝埋入s n o ：半导体材料中，在高温、高压下的制陶工艺烧结 成形。因此，被称为小导体导瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶体粒子直径为l u m 左右，晶粒的大小对电阻有一走影响，但对气体检侧灵敏度则无很大的影响。烧 结型器件制作方法简单，器件寿命长，但由于烧结不充分，器件机械强度不高， 电极材料较贵重，电性能一致性较差，应用受到一定限制。 图卜1 ( b ) 为薄膜型气体传感器结构。它采用蒸发或溅射制造工艺，在石英 基片上形成一层氧化物半导体薄膜。制作方法也很简单。经过长期实验证明，s n o ： 半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异 较大。 图卜1 ( c ) 为厚膜型器件。这种器件是将s n o ? 或z n o 等材料与3 、1 5 ( 重量) 电子科技人学硕十学位论文 的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到装有铂电极的氧化铝 ( a 1 1 0 ；) 或氧化硅( s i q ) 等绝缘基片上，再经4 0 0 、8 0 0 ”c 温度烧结l h 制成。由于这 种工艺制成的元件离散度小、机械强度高，适合大批量生产。所以是一种很有自玎 途的器件。 电极( 铜丝) 氧化物半导体 ( a ) 烧结型 氧化物半导体 p t 电极 3 半导体0 5 m m 电极 -一 一。3 m m 一一 加热器电极 ( b ) 薄膜型 氧化物基片 ， 器件加热用的加热器 ( 印制厚膜电阻) 片 ( c ) 厚膜器件 图1 - 1 半导体传感器的器件结构 其中，加热器的作用是烧掉附着在敏感元件表面上的尘埃、油污等物质，更 加有利于气体的吸附，提高传感器的灵敏度和响应速度。半导体型传感器中的加 热器分为直热式和旁热式两种，且温度一般控制在2 0 0 、4 0 0 0 c 左右。直热式是将加 热丝直接埋入s n o n ，z n o 粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型气敏结构。 旁热式加热器是将加热丝和敏感元件置于同一个陶瓷管内，陶瓷管外涂抹梳状金 电极作测量极，在金电极外再涂上s n o ：等材料。 1 2 2 非电阻型半导体氢气传感器 1 、m o s 二极管气敏器件 m o s 二极管气敏元件是在p 型半导体破片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为 4 第一章绪论 5 0 、l o o n m 的二氧化硅( s i 0 1 ) 层，然后在其上面蒸发一层钯( p d ) 的金属薄膜作为 栅电极，如图卜2 ( a ) 所示。由于s i o ! 层电容c a 固定不变，而s i 和s i o ：界面电 容c s 是外加电压的函数，其等效电路见图1 - 2 ( b ) 。由等效电路可知，总电容c 也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类m o s 二极管的c - v 特性。由于钯对氢气 特别敏感，当钯吸附了氢气以后，会使钯的功函数降低，导致m o s 管的c - v 特性 向负偏压方向平移，如图卜2 ( c ) 所示。根据这一特性就可用于测定氢气的浓度。 m ( p d ) 搋 ：p s i ( a ) 结构 c c a ：c s 。 o a b 、 、，- 、：- ( b ) 等效电路 ( c ) c v 特性 v 图1 - 2m o s 二极管结构和等效电路 p d - m o s t e t 场效应晶体管的结构与普通m o s f e t 结构，参见图卜3 。从图可知， 它们的主要区别在于栅极g 。钯一m o s 场效应晶体管的栅电极材料是钯( p d ) ，而普 通m o s f e t 为铝( a 1 ) 。因为p d 对氢气有很强的吸附性，当氢气吸附在p d 栅极上， 引起p d 的功函数降低。根据m o s f e t 工作原理可知，当栅极( g ) 、源极( s ) 之间加 正向偏压，且 v t ( 闽值电压) 时，则栅极氧化层下面的硅从p 型变为n 型。 这个n 型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为n 型沟道。此时，m o s f e t 进入工作状态。若此时，在源( s ) 漏( d ) 极之间加电压v 皓，则源极和漏极之间有电 流流通( i 璐) 。i 略随v 皓和v 岱的大小而变化，其变化规律即为m o s f e t 的v a 特性。 当k 2 0 0( 5 1 5 l 253 0 2 0 0 由于这类器件特性尚不够稳定用p d m o s f e t 和p d m o s 二极管定量检测氢 气浓度还不成熟只能作氢气的泄漏检测。 2 、金属氧化物半导体型气体传感器 金属氧化物半导体型气体传感器是由s e i y a r n at 首先提出的吼利用z n 0 半导 体材抖吸附气体后，薄膜的表面电导在气体中的变化来检测可燃性气体。后来又 发现了很多新的半导体氧化物作为气体敏感材料，如：s n o ：、i t = 州0，一f e 0 a 一而川0w o ，等，其中s n o ，以良好的化学稳定性和热稳定性，在商品化的半导 体氧化物型传感器中得到了广泛的应用。半导体型气体传感器的灵敏度主要由三 个因素决定，即感知功能、变换功能和敏感体的利用效率。感知功能主要是由表 面的氧化还原特性、酸碱性、表面修饰和吸附特性等来实现的。 其原理是金属氧化，电导率发生改变，造成两端电阻阻值改变，阻值随气体 体积分数增大而减小，呈对应关系，故实现了对有毒气体泄漏的监控。表卜3 列 ，_ _ 第一章绪论 出在4 0 0 。c 和气体浓度1 0 0 0 p p m 时，各种氧化物单导体的气敏特性。如图1 - 3 所示， 气体灵敏度随敏感元件工作温度而异，即使是同一种气敏材料，对于不同气体其 最高灵敏度的温度也不同。此外，最高灵敏度的温度还随制作条件、电极种类、 厚膜或薄膜等不同而变化。 表1 3 金属氧化物、| ，导体的气敏特性 序号材料类型电阻值 对气体的灵敏度( g g 。) ( q )c h lc ：l h ： h c o c ：h s 0 h lz n on6 3 1 0 311 11 93 21 7 2n i o p 1 1 1 0 4llo 4 8o 70 1 1 3c 0 2 0 4 p 4 5 1 0 211o 9 910 9 2 4 f e ：0 3 n2 2 1 0 9l1 1 1 11 1 2 o 5t o p 2 1 l o 1o 9 6o 7 lo 9 7o 6 3 6 z o n p 5 1x1 0 81l1 111 1 7s on1 0 1 0 61 2 3 6 5 61 18 3 8t on5 1 1 0 。 11 23 6 12 3 9w 0n1 0 1 0 611 16 75 92 5 1 0l n o p 1 1 1 0 1 11 1 0 6 8 由表1 - 3 可以看出，氧化物半导体无添加物也能对气体敏感，但是，掺入少 量添加物能改变其对各种气体的敏感程度。特别是掺入有催化活性的贵金属后， 半导体对气体的敏感效果更显著。 相关产品：t g s l 0 9 型气敏传感器 制造厂商：松下电子部品( 株) 电子制御部品事业部 t g s l 0 9 型气敏传感器用金属氧化物半导体敏感气体，如图所示，其由氧化锡 烧结体、内电极及兼作电极的加热线圈组成。利用烧结体吸附还原气体时电阻减 少的特性，即可检测还原气体是否存在。 用加热器加热可得到理想的响应速度。在敏感元件上串联4 kq 负载电阻的回 路上加l o o y 电压，测量负载电阻两端的电压即是传感器输出。 7 幽1 4 , t g s l 0 9 耻气敏侍感器的结杜图 t g s l 0 9 型气敏传感器的结构如图卜4 所示，直径2 0 m m ，高1 55 m e ，重量46 9 。 底座使用玻璃纤维强化的聚乙烯对苯二酸酯树脂( 热复形温度2 4 0 ”c ) 。为了防暴 用1 0 0 目的不锈钢丝网制作的双层结构。 表i 一4 g s l 0 9 型气敏传感器参数 重复谩响应时电源电压( v )功耗( m v ) 测定气量程输山 著间 体 ( p p m ) ( v ) 加热回路加热烧结体 ( f s )( s ) 甲烷 o 、2 0 00 1 0 0 5 51 0 04 3 0 由( 1 - 2 ) 和( 卜3 ) 两式可知，通过对振荡器频率变化的测量，可以实现对 氢气浓度的测量。 在声表面波气体传感器研究初期，均采用延迟线型单端或双端结构s a w 器件 制作声表面波传感器。直到1 9 9 0 年，gw a s t s o n 等人首次采用高q 值s a w 谐振器 结构的声表面波传感器用于气体浓度的检测，大大提高了分辨率。当根据声表面 波频率的变化来检测气体的体积分数时，通过提高声表面波器件的中心频率，可 以有效提高传感器灵敏度，中心频率与衬底材料和叉指换能器的尺寸有关，国外 1 0 第一章绪论 目前报道的声表面波气体传感器能稳定地工作在4 7 1 0 g h z 。但是，由于压电晶体 和半导体制造工艺的局限性，使得仅通过提高频率来提高灵敏度变得越发困难， 这就要求从其他方面对声表面波气体传感器进行优化。 近几年，很多国家投入了大量的人力、物力在声学传感器方面的研究，也取 得了长足的进步，部分基于声表面波传感器已实现实用化。同时越来越多的研究 人员从声表面波器件的结构入手，不断进行改进和创新，设计了许多新型传感器。 国内浙江大学yqc h e n 等人通过设计传感器阵列，并且在检测气体时采用预处理 的方法实现了n 0 2 与c 0 的同时检测。 在国内，清华大学、上海交大、南京大学对声表面波传感器研究报道较多， 同时南京声学所、重庆二十六所也在进行声学传感器方面的研究，并开发了基于 声表面波传感器的实际产品。 基于超声谐振腔的气体传感器研究国内外研究较少，尽管在实用化方面还存 在许多问题，但它符合信号系统数字化、集成化、高精度的方向，因此受到许多 国家的高度重视。由于现今市场上的绝大部分压电气体传感器产品并没有很好的 解决电极抗腐蚀和保护工作人员人身安全两大问题。从而造成了压电气体传感器 使用寿命短，成本高，工作人员的危险系数大等实用性问题。虽然检测仪器准确 度很高，都由于上述诸多因素综合影响，造成压电气体传感器的技术发展遭遇很 大的障碍，该类传感器的市场推广性也无法得到拓展。基于超声谐振腔的气体传 感器在保留声表面波气体传感器的优点的同时( 如输出信号仍然是频率信号，不 需要进行a d 变换，即可送入计算机进行处理) ，在抗电极抗腐蚀上有很大提高， 传感器理论使用寿命无限长。 1 4 论文研究内容 本课题要设计的基于超声谐振腔的氢气检测系统是利用对声学特性的研究，设 计出能通过超声谐振遥测氢气浓度的数字系统，同时也是无线通信技术在气体检 测方面的一个具体应用。对于氢气浓度检测来说，测量精度、分辨率、稳定性、 实时性是非常重要的设计环节，采用单片机作为微处理单元，来完成信号采集、 判断处理以及数据传输等功能，优化软件和硬件的设计。另外该系统属于无线通 信系统，因此也需要对数据传输的可靠性和抗干扰性能进行研究。主要内容安排 如下： 第一章：绪论，阐述了该课题的研究背景，目前国内外气体检测的方法以及各 电子科技大学硕士学位论文 自的优缺点，和气体检测的发展动态。 第二章：在分析氢气的声学特性基础之上，得到谐振腔谐振频率与氢气浓度的 近似线性的数学模型，从而使得利用气体声学特性检测气体浓度得以实现。 第三章：氢气检测系统硬件电路设计，对单片机和无线收发等芯片进行选型， 并详细介绍了m c u 控制检测氢气原理，设计了无线收发以及液晶显示硬件电路。 并且在具体的线路编排和处理上，注意系统的抗干扰设计。 第四章：对检测系统各模块进行程序设计，充分考虑到微处理器和射频芯片收 发的时序，使程序简练，调试方便，画出程序流程图。 第五章：对电路进行抗干扰设计，以及电路仿真，总结本文所做的工作，以及 该气体检测系统的优点与改进的地方。 本文研究的基于超声谐振腔的氢气传感器将针对声表面波气体传感器的不足 之处加以改进，在保持高精度的原则下避免被测气体直接腐蚀电极，对传感器的 定标、性能和使用寿命都有很大的改进。同时，充分的考虑到了人身安全的因素， 采用了无线通信技术进行氢气浓度采集，检测人员在整个操作过程中可不与被测 环境发生接触，从而完全保证了检测人员生命安全，这将大大促进超声气体传感 器的产业化进程。 基于超声谐振腔的氢气检测系统采用气体的声波传感机制，利用高集成度的混 合集成芯片作为微处理单元，来完成信号采集、判断处理以及数据传输等功能， 同时采用无线收发模块，使气体检测人员更加安全，使优化软件和硬件的设计， 大大简化了系统功耗，使系统向小型化、低功耗方向发展。 1 2 第二章基丁超声谐振腔的氢气检测原理 第二章基于超声谐振腔的氢气检测原理 2 1 氢气的声学特性 氢在现代生活中有着广泛的应用，它是一种无色、无味也没有毒的可燃气体。 由于不同气体有着不同的分子量，所以不同气体在声波传递速度和质量密度上有 所不同，一般来说分子量比较小的气体反而具有较高的声速，如图2 - i 所示，列出 了几种常见气体的分子量、声波传递速和声阻抗之间的差异【4 1 。 表2 1 常见气体性质( 一标准大气压下，o o c ) 气体名称符号空气中含量( )分子量 声速( m s )声阻抗 ( n s m 2 ) 空气 2 93 3 1 4 54 2 8 5 氮n 27 8 0 92 8 0 1 63 3 44 2 1 氧 0 22 0 9 4 7 63 1 9 9 8 83 1 64 5 3 氩a r9 3 4 1 0 - i3 9 9 4 83 1 95 6 9 二氧化碳 c 0 23 1 4 1 0 24 4 0 9 9 52 5 95 1 2 氖n ei 8 1 8 1 0 - 32 0 1 8 34 3 53 8 5 氦 h e5 2 4 l o 一44 0 0 2 69 6 51 7 3 i 氢 h 25 o 1 0 - 52 0 1 5 9 41 2 8 41 1 4 1 一氧化碳c o微量2 8 0 1 0 5 5 3 3 84 2 l 从表2 1 中可以看出，氢气除了和氦在分子量很接近以外，氢气和其他气体在 声速和声阻抗上都有着明显的差异。对比空气与氢气的性质不难看出，空气的平 均分子量约为氢气的1 5 倍( 空气的平均分子量为2 9 ，氢气的分子量为2 0 1 5 9 4 ) ， 空气在一标准大气压i 0 1 3 2 5 k p a 、o o c 时声速为3 3 1 4 5 m s ，氢气在一标准大气压 1 0 1 3 2 5 k p a 、o o c 时声速为1 2 8 4 m s ，可以看出，空气的声速大约为氢气的i 4 ， 而声阻抗约为氢气的4 倍。通过对氢气与其它气体在声阻抗上的显著差异，检测 在不同浓度氢气中的声音传播速度，从而可以检测出氢气的浓度。设计一种以气 体的声学特征作为传感机制的传感器是可行的。 电子科技人学硕十学位论文 2 2 石英晶体 石英晶体又称作水晶，它的化学成份是s 0 1 。早期使用的是天然石英晶体，但 天然石英晶体产量有限，不能满足电子工业需要，现在大多数用的石英晶体都是 人工制造的。石英晶体的理想外形为结晶的六角锥体，包围多面体的面称为晶面， 晶面与晶面之间的交线称为晶棱，虽然石英晶体的实际外形有所不同，但是两个 两邻晶面法线之间的央角保持不便。在讨论石英晶体的性质时，为了便于研究， 对石英晶体建立如图2 1 所示的坐标系。 x ， r 态及、 ，钇斗、 ， i v 图2 - 1 石英晶体的品格图 2 2 1 石英晶体的压电特性 当石英晶体受到应力作用时，在他的某些表面上就会出现电荷，而且应力与 电荷密度之间具有线性关系，这个现象叫做正压电效应。既然形变能使压电晶体 的电偶极矩发生变化，那么电偶极矩的变化也能使之产生形变。逆压电效应就是 在电场的作用下，在电偶极矩发生变化的同时产生形变。 石英晶体的x 轴又称为电轴，沿x 轴方向或沿y 轴方向施加压力( 或拉力) 时， 在x 轴方向产生压电效应。石英晶体的y 袖又称为机械轴，沿y 轴方向或沿“轴 方向施加压力( 或拉力) 时，在y 轴方向不产生压电效应，只产生形变。石英晶体 的z 轴又称为光轴，光线沿z 轴方向通过石英晶体时，不产生双折射现象。 石英晶体是弹性体，它具有固有频率。当外加电压的角频率等于石英晶体 的固有角频率u 。时，石英晶体就发生谐振，此时电流也达到最大也即晶体会发生 共振。石英晶体是压电体，可用输入电讯号的方法，通过逆压电效应使之产生机 械谐振，机械谐振又可通过正压电效应而输出电讯号。因此石英晶体具有谐振电 路的特性，它的谐振频率等于石英晶体机械振动的固有频率f 。( 基频) 。f 。与晶体 1 4 第二章基丁- 超声营振腔的氢气检测原理 尺寸的关系为： f o = k d ( 2 一1 ) 在式( 2 - 1 ) 中d 决定于振动形式，当伸缩( 纵) 振动时，d 代表晶体片的宽度、长 度或直径；当剪切( 横) 振动时，d 代表片子的厚度( 硼) 。k 为频率系数，f 。的单位 为k h z 。 frr x 1u qq 、 广一v v l | f r i c o ( a ) 等效电路 i 厂吣厂 ( b ) 频率特性 图2 - 2 石英晶体的等效电路及其频率特性 石英晶体谐振器的等效电跗3 】如图2 - 2 所示。等效电容c 。为石英晶体谐振器的 静电容，主要决定于石英晶体片的尺寸和电极面积，如公式( 2 - 2 ) 所示。 c o = s s d ( 2 2 ) 在式( 2 - 2 ) 中：为石英晶体的介电常数，s 为电极面积，d 为石英晶体片 厚度。c o 一般在几p f 到几十p f 之间。等效电感l 。相当于晶体的质量，主要取决 于晶片的尺寸。等效电容c 。相当于晶体的等效弹性模数，与晶片尺寸及泛音次数 有关。等效串联电阻r d 相当于机械振动中的摩擦损耗。 根据交流电路理论，我们知道，晶体谐振器有两个谐振频率，即串联谐振频 率和并联谐振频率。l c 电路中出现串联谐振时频率f q ，串联谐振角频率q 为： 2 赤哆2 雨1 书 并联谐振频率f p ，并联谐振角频率p 为： ， 1 = 荔 ，q2 上式中，q 近似于石英晶片本身的自然角频率u 。 在谐振频率附近，石英谐振器的等效电路如图2 - 3 所示。 ( 2 - 4 ) 电子科技人学硕十学位论文 一。 7 c l j 1 _ c c 0 。、 c c h 卜哪吐m r r f i i l一 图2 3 孑l 买谐振器的等效电路 图中岛、c 0 和分别表示石英谐振器的支架电感、支架电容和支架电阻；厶、 c l 、r 和c o 则与压电振子等效参数相同。i o o m h z 以下的a t 切石英谐振器的支架 电感、支架电容和支架电阻都很小，可以忽略不计，所以一般都认为它的等效电 路与石英晶体谐振器相同n 1 。 2 2 2 石英晶体的声敏感性 当改变压电振子周围介质的声复阻抗互时，压电振子的本身参数( 品质因数、 频率) 会发生变化，我们把这种特性称为声敏感性。乙的值决定了在振动振子表面 上的机械负载。与压电振子接触介质的声学性能可以用复阻抗表征，它包括实部r 及虚部以。 乙= r n - 4 - 歹= 一1 ( 2 6 ) 实部r 表示谐振腔辐射到介质中的声能损失，虚部以表示介质中的能量耗 散。能量耗散的主要原因是粘滞摩擦。 根据介质性能( 它的成分、温度和压力) 、压电振子的结构、振子工作频率、辐 射到介质中的波动形式等，声复阻抗z 可以在很宽的范围内变功。加给谐振器声 负载的介质可以是气体、液体及固体。在机电等效线路中，复阻抗互被接到压电 变换器的机械端上。当压电元件在两个较大平面上对称承载时，负载可以认为是 并接的，合成复阻抗等于乙2 。损失疋决定了压电谐振路的品质因数q o 如果没有 损失的谐振振子的品质因数为q i ，有声损失时的品质因数为q ，那么 三：土4 i - 上( 2 7 ) 一= 一一 z ，j qq 0g 第二章基丁超声谐振腔的氢气检测原理 式中的q o 可以用一些等效量表示： 声阻抗r 或者损失的电阻抗足、质量m 和感抗l 。 上：墨旦：生 ( 2 8 ) 一= ：一= o z 一6 ， q ot o m b 从上式可以看出，随着r 的增加，压电谐振器的品质因数下降。 复阻抗虚部以的变化等效子压电振子表面受质量负载时惯性矩的改变。随以的增 加，谐振频率降低。通常z m 1 ，所以频率增量 笪一墨 ( 2 9 ) 、 2 m 下面要讨论决定负载复阻抗实部和虚部值的各种因素。达里将分别研究压电 振子表面辐射纵波和剪切波时产生的效应。 1 、纵波 这种形式的波动可以在气体、液体和固体中传播。通常在辐射纯纵向平面波 时，虚部损耗很小： 五e 1 ，乙= r 。 损失阻抗r 可由下列关系式得出： 足= r o p e s ( 2 1 0 ) 式子中屹一纵波在介质中的速度；成一介质密度；s 辐射表面 积。令乘积屹殷= 乙，乞称为介质的声阻率。 从上式中看出，可以采用三种控制谐振器品质因数的方法，也就是：改变波 的传播速度、介质密度以及振子与连接负载间的接触表面积。 在这种情况下s 等于常数，介质密度成取决于压力p 、分子量和绝对温度t ： 成= 嚣 ( 2 - 1 1 ) 而速度 丽。 驴1 i ( 2 1 2 ) 式中r - 一通用气体常数；y 等压和等容时气体热容系数的比值。 电子科技人学硕十学位论文 从式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可以得出，对于气体 r = 鑫印 ( 2 1 3 ) 因而，在气体中辐射纵向平面波时，实部阻抗尺。与压力成线性关系，并与分 子量对温度比值的平方根成f 比。 在f 常条件下( p = 0 1 兆帕；t = 3 0 0 k ) ，对绝大多数的气体 尺。= 1 0 3 1 0 4 9 c m 2 * s ( 克平方厘米秒) 。根据式( 2 8 ) ，我们可以得出纵振动频 率为1 0 5 h z 的谐振振子的品质因数q 。假定m = p o h 。s ，b - - 2 厘米 或= 警 1 0 2 10 s( 2 1 4 ) 由式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 得出，要使品质因数提高到1 0 5 ，压力p 必须降低到 l o 帕以下。实际上，只有在p 1 帕时才能完全消除辐射损失。这时，决定品质因 数的主要机理是支座处的摩擦、偶合振动、晶休内摩擦等损失【。由于这些损耗 的存在，使损失电抗尺。不可能低于0 0 1 0 1 千欧。所以在压力低于o 1 兆帕段， 疋( 竹关系是非线性的。但是，随着压力p 的增加，e ( 尸) 趋近于线性，这可以从 关系式( 2 1 3 ) 中预先得到。 根据式( 2 7 ) ，r 的值和分子量m 有关。因此改变气体混合物的成分会引起 尺。的变化，从原理上说，这也可以用来制作气体传感器。 2 、气体中的剪切波 在气体或者液体中辐射剪切波的压电谐振器承受复阻抗负载。根据剪切波在 不可压缩的粘滞液体中的传播理论，剪切复阻抗可以表示为： 乙= 如+ 以= ( 1 + j ) , j x f o p r ( 2 - 1 5 ) 式中7 7 经典牛顿粘度；岛频率。从式( 2 1 5 ) 知道，阻抗的实部和虚部 在数值上是相等的。对于气体来说，考虑到式( 2 1 2 ) ，可以将关系式( 2 1 5 ) 改 写成为 乙邓埘警 ( 2 - 1 6 ) 根据式( 2 1 6 ) 可以知道，原则上说能用声敏谐振器来测量粘度和压力。分量 如和瓦与上述参数的关系具有非线性特性。可以按谐振振子的实部阻抗值r ( 或 第二章萋丁超声谐振腔的氢气检测原理 品质因数o ) 及按谐振器的频率进行测量。 实际上声敏压电振于在测量剪切粘滞性的仪器中应用最为广泛这在文献【3 中进行了详细的论述。 6 3 0 3 a t ，仁5 m h z ，n = 5 码 叫 2 14681 0 ： h 21 1 4 丘 、 ( i ) 在0 1 3 3 兆帕压力下，系数符与气体丹于量的关系 ( 2 ) 不同气体的v i f ( p ) 关系 刮2 4 各向压缩时的压电谐振特性 闰2 _ 4 中，i 表示未考虑声负载效应的理论关系。在小压力下，由于声灵敏度 的作用，呈现非线性关系。 剪切振子的声敏感性是使应变敏感谐振器型压力频率变换器精度变坏的原 笪仰 k 马 一 惶 9 电子科技入学硕十学位论文 因。这类变换器的工作特性是两种基本效应迭加的结果：应变敏感性和声敏感性。 文献【q 】的分析表明，上述两种效应引起的频率变化可能有相反的符号。这可以用图 2 - 3 中的实验关系来很好地说明。随着分子量的增大，声灵敏度( 由x 。的规 律确定) 全部补偿了压电谐振器应变灵敏度所产生的频移。假如对于一些轻的气体， 压力频率转换斜率主要由谐振器的应变灵敏度决定，那么对于重的气体，声灵敏 度就会发生影响。在小压力( p 0 0 1 兆帕) 下显示出这种规律。随着压力的增大， 声灵敏度的相对作用减低，于是呈线性关系。特性随压力的增大而得到改善的原 因是：应变灵敏度是一种线性效应( v p ) ，阻抗虚部分量x 。( 或频率) 遵循 z 尸的规律变化，综上所知，由于声敏感效应比应变敏感效应弱得多，要对 剪切波的声敏感效应制作频率压力传感器是不合适的，较适宜的是做成幅值压力 传感器。 2 3 超声谐振传感器检测氢气原理 在圆柱型谐振腔内( 如图2 5 所示) ，声波传播速度为【5 1 ： c = ( 2 - 1 7 ) 式中g = e k a p ) y 专小专垮州矿 上式中， c i ，为气体的定容比热； c ：口是当气体容积趋子无限大时气体的定容比； m 是检测气体的分子量； p 为检测气体的压强； t 为检测气体的温度； v 为检测气体的体积； r 是气体常量，r = 8 3 1 4 4 1 ( 2 6 ) j m o l 叫k - 。 g 和h 都是一个无量纲的数，