氢气传感器的抗力学改进设计研究

迟 超 赵振起 孙延玉 刘智敏 王万生 杨 丹

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨150001）

催化燃烧式氢气传感器具有精度高、响应快、稳定性好[1]等特点，广泛应用于航空、航天、能源、化工等重要领域。近年来，随着使用领域的不断扩大和使用环境的日渐苛刻，对传感器在较大量级的冲击及振动环境试验条件下的稳定性提出了更高的要求。

在实际使用中，因振动、冲击等力学环境试验造成传感器芯体开裂或位移，从而导致传感器失效或输出漂移大的情况时有发生。为了避免上述现象，确保氢气传感器在较大的力学环境中也能正常使用，本文通过对力学环境中氢敏芯体的失效机理进行分析，针对敏感芯体抗力学能力差的特性对传感器进行结构设计，确保产品可以在严苛的力学环境条件下正常工作。

1 氢气传感器结构介绍

传感器由3 对氢气敏感芯体、铝合金结构件及调理电路板组成。氢气敏感芯体安装在传感器管道中。传感器的结构图见图1。

图1 氢气传感器结构图

图2 催化燃烧式氢敏芯体结构图

氢气传感器采用的敏感芯体是一种基于催化燃烧原理的敏感芯体。芯体由敏感元和补偿元件组成，各元件的敏感体均为丸珠式小球结构，是由催化剂及载体涂覆在加热丝上烧结而成的。其中，敏感元件含有催化剂，用于催化氢气反应，补偿元件不含催化剂，用于补偿环境温度、湿度、压力等条件的变化。

2 传感器工作原理

氢气敏感芯体在外加电压作用下，加热丝会释放出热量，使敏感体温度升高。当环境气氛中含有氢气时，在催化剂的作用下，氢气会与邻近的氧气发生氧化还原反应（无焰燃烧反应），释放出热量，该热量会使敏感体的温度升高，进而使加热丝的电阻的阻值增大。正常环境气氛中，氢气的浓度很低，一般低于2%，可在催化剂的作用下完全燃烧。因此，释放出的热量与环境气氛中氢气的浓度有关，且随氢气浓度的增加而增加，只要测定加热丝阻值的变化量（ΔR），便可计算出环境气氛中氢气的浓度。

图3 催化燃烧氢气传感器的惠斯顿电桥电路图

催化燃烧氢气传感器惠斯顿电桥见图3 所示，F1 是敏感元件，F2 是补偿元件，当敏感元件F1 与环境气氛中的氢气接触时，在催化剂作用下，氢气被氧化并释放出热量，使敏感元件敏感体的温度升高，电阻值增大，使在A，B 间产生电位差E，则有式（1）：

式中：

ΔRF- 敏感元件的阻值变化率，ppm；

k- 与工作电压有关的常数，V。

当补偿元件的电阻RF2和敏感元件的电阻RF1电阻相近，比值接近1 时，电位差E 近似于ΔRF成正比。ΔRF是由于氢气燃烧释放的热量引起的，与释放的热量成比例，ΔRF可用式（2）表示

式中：

α——敏感元件电阻温度系数，ppm/K；

ΔT——氢气燃烧引起的温度增加值，K；

ΔH——氢气燃烧燃烧产生的热量J·mol-1；

C——敏感元件热容量，J·mol-1·K-1；

Q——氢气燃烧热，J·mol-1；

m——氢气浓度(体积分数),v%/v；

a——由敏感元件上涂覆的催化剂决定的常数。

由于α，C，a 的数值与敏感元件敏感体的材料、形状、结构等因素有关，对于氢气而言，Q 是定值，若令K=kα a.Q/C，敏感元件状态一定时，K 是定值，则有式（3）：

即A，B 两点间的电位差E 与氢气浓度m 成正比。即测得电位差E 即可知道环境气氛中氢气的浓度。

3 失效机理分析

如图1 所示，传感器敏感芯体安装在传感器的顶部，与固定的四个耳片距离较远；敏感芯体放置在管道中，敏感芯体和管道之间采用O 型圈进行密封，通过压板将敏感芯体和O 型圈压实在管道中。因此，在传感器进行振动试验时，敏感芯体部位实际受到的力是经结构件放大了的力。

敏感元件的催化小球是通过引线焊接在固定座上的，当传感器进行力学试验验时，催化小球会在外力的作用下发生摆动，引线也会随着催化小球摆动。因此，较大的力学量级会使催化小球摆动过大引起引线从小球中抽离出来，进而导致敏感元件发生移位和破损。

4 改进结构设计与试验验证

针对氢气传感器芯体耐力学试验能力差的特点，保证产品空间足够大的前提下，重新设计管道形状，并将其包覆在一种具有减振特性的材料中。对于减振特性材料的选择，因橡胶具有良好的减振和缓冲特性，同时其弹性形变所属的应变范围很大，具有高度非线性的应力- 应变行为，使其能够产生可逆的大变形[3，4]等优点而被列入改进结构设计的备选材料当中。改进后的结构如下图4 所示。

图4 改进设计后的氢气传感器结构图

将用减振橡胶包覆好的产品固定在底座中，并装配成产品后，进行力学试验，试验后置于恒温箱中，对产品进行精度测试，测试数据见表1 示。

表1 集通道力学试验前后测试数据统计表

传感器的采集通道在经受振动试验后在各浓度点的输出都会发生漂移，最大漂移量为-0.9%FS，在经受冲击试验后在各浓度点的输出都会发生漂移，最大漂移量为-1.9%FS，即经受所有的力学环境试验前后，传感器的采集通道的最大漂移量为-2.8%，其对应标准氢气浓度点为1%。满足精度为±18%FS 的指标要求。

5 结论

本文针对氢气传感器设计了一种改进结构，有效提升了氢气传感器耐冲击能力和可靠性。试验结果表明改进后的传感器设计性能良好，达到设计要求。该种改进结构也可推广至其他同类型传感器中。