基于热导原理的氢气传感器设计

王洪涛 刘智敏 李秀茹 杨丹 徐晓龙

中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001

0 引言

氢气不仅是无污染清洁能源，也是十分重要的工业原材料，广泛应用于电子、石油、化工、冶金、油脂、医疗、航空、轻工业等领域。但氢气相对分子质量较小，生产、传输和使用过程中易发生泄漏，当空气中氢气含量在4%～75%时，遇火源极易发生爆炸[1]，因此，氢气的准确测量成为了亟需解决的问题，高精度氢气传感器的研究也引起了人们的重视。目前检测氢气的有半导体[2]、催化燃烧[3]、电化学[4]、热导[5-7]等原理的传感器，其中，热导传感器是一种扩散进气型的传感器。由于每种气体的导热率不同，随着被测气体浓度的变化，热导芯体上热敏电阻对被测气体的导热率也不同，热导芯体上敏感电阻温度也随之发生变化，最后导致热导芯体上敏感电阻阻值变化，不会发生化学反应，更不会产生材料的改变，因此，其输出很稳定，长期使用漂移量很小。本文基于热导原理，结合某航天器实际应用需求，设计了一种热导式氢气传感器，采用温度参数和湿度参数对氢气的测量进行补偿，提升传感器的测试准确性。

1 工作原理

传感器所用的敏感元件是基于热导原理的热导式氢敏芯体，型号为TCS208F。敏感元件的内部结构图见图1、芯体腔室结构图见图2、电阻分布图见图3。

由图1～图3可知，氢敏元件由沉积在硅片上的4个薄膜电阻和一层具有电、热隔离特性的薄膜材料组成。4个薄膜电阻中，有2个电阻用于气体浓度的测量，为敏感电阻（Rm1、Rm2）；另2个电阻用于温度等环境条件的补偿，为补偿电阻（Rt1、Rt2）。每个电阻都有一个比较恒定的阻值，其中，Rt1/(Rm1+Rm2)和Rt2/(Rm1+Rm2)约为1.2。气体是通过扩散到达位于硅片腔室的敏感电阻部位的。

对于彼此之间无化学作用的多种组分混合气体的热导率，可近似表达为各组分热导率的加权平均值，如式（1）：

式中，λ——混合气体的热导率；

λi——混合气体第i组分的热导率；

φi——混合气体第i组分的体积分数。

在给定测试环境下的气氛基本是稳定的，因而混合气体的热导率也相对不变。因为氢气的热导率明显大于空气、氧气、氮气等常规气体，所以混合气氛中如果含有一定量的氢气，则会导致其热导率明显增大。

在其他气体组分变化较小时，设定氢气的热导率为λ1，其他气体的热导率为λ2，则混合气体热导率公式为：

式中，λ1和λ2为常数，由此可以看出，混合气体的热导率与待测气体组分（即氢气气体）的体积分数φi之间存在线性关系，因此，可采用热导检测原理对混合气氛中的氢气含量进行检测。

氢敏元件的电桥电路如图4所示。其中，Rm1+Rm2为氢敏元件工作电阻，Rt1+Rt2为温度补偿电阻，R3、R4为零点输出调试电阻，R5、R6、R7为二次温度补偿调试电阻。

氢敏元件的热扩散工作模式如图5所示。敏感电阻是一种阻值R随温度T变化而变化的电阻，它是通过一定电压加热的。该电压使电阻生成热量Q，导致电阻部位的温度高于周围环境气体的温度，热量会从电阻向周围环境气体扩散。当敏感电阻始终处在导热系数为λ的环境气体中，电阻对环境气体的导热率δ是固定的，电阻本身剩余的热量Q阻也是一定的，电阻的温度T是一定的，即电阻的阻值R是一定的。

当环境气体的某些组分改变时，环境气体的导热系数λ增大（减小）时，电阻对环境气体的导热率δ增大（减小），电阻本身剩余的热量Q阻减小（增大），电阻的温度T减小（增大），即电阻的阻值R减小（增大）。通过电阻值的变化，电桥输出发生变化，从而实现通过输出值的变化反应环境气氛的变化。

2 传感器设计

2.1 管道结构设计

将传感器氢敏芯体焊接在芯体连接板上，芯体连接板通过螺钉安装在管道上，并采用O型圈密封结构。因钛合金具有耐蚀性、耐热性、高强度、耐氧化等优点，管路外部采用钛合金材料加工而成，从而保证了传感器结构强度和耐腐蚀性。传感器管道结构设计图如图6所示。

2.2 电路设计

传感器采用±12 V双电源供电，且供电输入端分别设计了由2个并联电阻构成的过流保护电路。电路中采用5 V稳压模块LM117为氢敏芯体供电，提供给氢气敏感芯体稳定的电压信号，芯体自身设计有氢敏电阻Rm1+Rm2和温度补偿电阻Rt1+Rt2，与调理电路中电阻组成惠斯通电桥激励氢敏芯体，并设计温度补偿电阻用于二阶温度补偿。两桥臂的输出电压差与氢气浓度存在一一对应关系。由于电桥的满量程输出只有几毫伏，因此，需要对该信号进行放大和调理，采用LM158及外围电阻组成仪表放大电路对电桥输出进行一级放大，仪表放大电路的优点是对小信号进行大倍数放大时，信号不失真。在二级放大电路中实现零点调整和差分放大功能，电路总放大倍数约800倍。

2.3 测量系统设计

设计的传感器测量系统由压缩空气、质量流量计、加湿装置、恒温管、高低温箱、温湿度表等组成。测量系统如图8所示。

3 实验过程及分析

3.1 实验方案

在常压下，将3只传感器置于高低温箱中，工作电压为±12 VDC，按图8所示与测试装置连接。在氢气测量范围内选取5个测试点，氢气浓度分别为（0±0.30）%、（0.5±0.30）%、（1±0.30）%、（1.5±0.30）%、（2.0±0.30）%，载气为氧气。在湿度全量程范围内选取分布比较均匀的4个湿度点，通过设置流量计1、流量计2的流量来控制湿度点的湿度。每个湿度点下均进行一次氢浓度测试。依次调整温箱温度为（10±1）℃、（25±1）℃和（40±1）℃，按上述方法分别测试每个温度点、每个湿度点下的氢气信号、温度信号和湿度信号的输出，拟合求氢气浓度对电压、温度、湿度的公式中常数项系数a11、a12、a13、a21、a22、a23、b11、b12、b13、b21、b22、b23。浓度对电压、温度、湿度的公式如下[8]：

式中，C——氢气浓度，%；

t——温度值，℃；

h——绝对湿度计算值，g/m3；

V——氢传感器输出，V。

将各温度值、各绝对湿度值、各电压值分别代入公式（3），求取传感器氢气的理论浓度值CL，分别与实际标准氢气浓度值Co进行比较，按公式（4）求取传感器的精度λ（%FS）：

3.2 实验结果

随机选取一组温度值、湿度值和电压值测试数据带入公式（3），得到3只传感器的氢气理论计算浓度，与氢气实际标准浓度比较做差，得到3只传感器的精度，结果如表1所示。

表1 传感器精度实验结果

实验结果表明：设计的氢气传感器能够实现管路内氢气浓度的测量，引入了温度参数和湿度参数进行氢气浓度补偿，实现了3只氢气传感器精度均在±2% FS的范围内。

4 结论

本文设计了一种用于检测氢气浓度的传感器，采用热导原理设计，同时氢气浓度计算引入了温度参数和湿度参数补偿，并采用调理电路实现了传感器的测量。在传感器测试中表明，3只氢气传感器精度均在±2% FS的范围内，该传感器可以用来检测氢气浓度。氢气浓度计算过程中引入了温度参数和湿度参数，提升了氢气检测精度，该传感器可广泛用于航天、动力、化工等领域。