氫氣傳感器的抗力學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

遲 超 趙振起 孫延玉 劉智敏 王萬(wàn)生 楊 丹

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱150001）

催化燃燒式氫氣傳感器具有精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好[1]等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、化工等重要領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著使用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和使用環(huán)境的日漸苛刻，對(duì)傳感器在較大量級(jí)的沖擊及振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件下的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

在實(shí)際使用中，因振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)造成傳感器芯體開(kāi)裂或位移，從而導(dǎo)致傳感器失效或輸出漂移大的情況時(shí)有發(fā)生。為了避免上述現(xiàn)象，確保氫氣傳感器在較大的力學(xué)環(huán)境中也能正常使用，本文通過(guò)對(duì)力學(xué)環(huán)境中氫敏芯體的失效機(jī)理進(jìn)行分析，針對(duì)敏感芯體抗力學(xué)能力差的特性對(duì)傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品可以在嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境條件下正常工作。

1 氫氣傳感器結(jié)構(gòu)介紹

傳感器由3 對(duì)氫氣敏感芯體、鋁合金結(jié)構(gòu)件及調(diào)理電路板組成。氫氣敏感芯體安裝在傳感器管道中。傳感器的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 氫氣傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 催化燃燒式氫敏芯體結(jié)構(gòu)圖

氫氣傳感器采用的敏感芯體是一種基于催化燃燒原理的敏感芯體。芯體由敏感元和補(bǔ)償元件組成，各元件的敏感體均為丸珠式小球結(jié)構(gòu)，是由催化劑及載體涂覆在加熱絲上燒結(jié)而成的。其中，敏感元件含有催化劑，用于催化氫氣反應(yīng)，補(bǔ)償元件不含催化劑，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度、濕度、壓力等條件的變化。

2 傳感器工作原理

氫氣敏感芯體在外加電壓作用下，加熱絲會(huì)釋放出熱量，使敏感體溫度升高。當(dāng)環(huán)境氣氛中含有氫氣時(shí)，在催化劑的作用下，氫氣會(huì)與鄰近的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)（無(wú)焰燃燒反應(yīng)），釋放出熱量，該熱量會(huì)使敏感體的溫度升高，進(jìn)而使加熱絲的電阻的阻值增大。正常環(huán)境氣氛中，氫氣的濃度很低，一般低于2%，可在催化劑的作用下完全燃燒。因此，釋放出的熱量與環(huán)境氣氛中氫氣的濃度有關(guān)，且隨氫氣濃度的增加而增加，只要測(cè)定加熱絲阻值的變化量（ΔR），便可計(jì)算出環(huán)境氣氛中氫氣的濃度。

圖3 催化燃燒氫氣傳感器的惠斯頓電橋電路圖

催化燃燒氫氣傳感器惠斯頓電橋見(jiàn)圖3 所示，F(xiàn)1 是敏感元件，F(xiàn)2 是補(bǔ)償元件，當(dāng)敏感元件F1 與環(huán)境氣氛中的氫氣接觸時(shí)，在催化劑作用下，氫氣被氧化并釋放出熱量，使敏感元件敏感體的溫度升高，電阻值增大，使在A，B 間產(chǎn)生電位差E，則有式（1）：

式中：

ΔRF- 敏感元件的阻值變化率，ppm；

k- 與工作電壓有關(guān)的常數(shù)，V。

當(dāng)補(bǔ)償元件的電阻RF2和敏感元件的電阻RF1電阻相近，比值接近1 時(shí)，電位差E 近似于ΔRF成正比。ΔRF是由于氫氣燃燒釋放的熱量引起的，與釋放的熱量成比例，ΔRF可用式（2）表示

式中：

α——敏感元件電阻溫度系數(shù)，ppm/K；

ΔT——?dú)錃馊紵鸬臏囟仍黾又担琄；

ΔH——?dú)錃馊紵紵a(chǎn)生的熱量J·mol-1；

C——敏感元件熱容量，J·mol-1·K-1；

Q——?dú)錃馊紵裏幔琂·mol-1；

m——?dú)錃鉂舛?體積分?jǐn)?shù)),v%/v；

a——由敏感元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。

由于α，C，a 的數(shù)值與敏感元件敏感體的材料、形狀、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對(duì)于氫氣而言，Q 是定值，若令K=kα a.Q/C，敏感元件狀態(tài)一定時(shí)，K 是定值，則有式（3）：

即A，B 兩點(diǎn)間的電位差E 與氫氣濃度m 成正比。即測(cè)得電位差E 即可知道環(huán)境氣氛中氫氣的濃度。

3 失效機(jī)理分析

如圖1 所示，傳感器敏感芯體安裝在傳感器的頂部，與固定的四個(gè)耳片距離較遠(yuǎn)；敏感芯體放置在管道中，敏感芯體和管道之間采用O 型圈進(jìn)行密封，通過(guò)壓板將敏感芯體和O 型圈壓實(shí)在管道中。因此，在傳感器進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，敏感芯體部位實(shí)際受到的力是經(jīng)結(jié)構(gòu)件放大了的力。

敏感元件的催化小球是通過(guò)引線焊接在固定座上的，當(dāng)傳感器進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)時(shí)，催化小球會(huì)在外力的作用下發(fā)生擺動(dòng)，引線也會(huì)隨著催化小球擺動(dòng)。因此，較大的力學(xué)量級(jí)會(huì)使催化小球擺動(dòng)過(guò)大引起引線從小球中抽離出來(lái)，進(jìn)而導(dǎo)致敏感元件發(fā)生移位和破損。

4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)氫氣傳感器芯體耐力學(xué)試驗(yàn)?zāi)芰Σ畹奶攸c(diǎn)，保證產(chǎn)品空間足夠大的前提下，重新設(shè)計(jì)管道形狀，并將其包覆在一種具有減振特性的材料中。對(duì)于減振特性材料的選擇，因橡膠具有良好的減振和緩沖特性，同時(shí)其彈性形變所屬的應(yīng)變范圍很大，具有高度非線性的應(yīng)力- 應(yīng)變行為，使其能夠產(chǎn)生可逆的大變形[3，4]等優(yōu)點(diǎn)而被列入改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的備選材料當(dāng)中。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如下圖4 所示。

圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的氫氣傳感器結(jié)構(gòu)圖

將用減振橡膠包覆好的產(chǎn)品固定在底座中，并裝配成產(chǎn)品后，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)后置于恒溫箱中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 示。

表1 集通道力學(xué)試驗(yàn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

傳感器的采集通道在經(jīng)受振動(dòng)試驗(yàn)后在各濃度點(diǎn)的輸出都會(huì)發(fā)生漂移，最大漂移量為-0.9%FS，在經(jīng)受沖擊試驗(yàn)后在各濃度點(diǎn)的輸出都會(huì)發(fā)生漂移，最大漂移量為-1.9%FS，即經(jīng)受所有的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)前后，傳感器的采集通道的最大漂移量為-2.8%，其對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度點(diǎn)為1%。滿足精度為±18%FS 的指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)氫氣傳感器設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，有效提升了氫氣傳感器耐沖擊能力和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的傳感器設(shè)計(jì)性能良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該種改進(jìn)結(jié)構(gòu)也可推廣至其他同類型傳感器中。