氫氣傳感器的抗力學改進設計研究

遲 超 趙振起 孫延玉 劉智敏 王萬生 楊 丹

（中國電子科技集團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、響應快、穩(wěn)定性好[1]等特點，廣泛應用于航空、航天、能源、化工等重要領域。近年來，隨著使用領域的不斷擴大和使用環(huán)境的日漸苛刻，對傳感器在較大量級的沖擊及振動環(huán)境試驗條件下的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

在實際使用中，因振動、沖擊等力學環(huán)境試驗造成傳感器芯體開裂或位移，從而導致傳感器失效或輸出漂移大的情況時有發(fā)生。為了避免上述現(xiàn)象，確保氫氣傳感器在較大的力學環(huán)境中也能正常使用，本文通過對力學環(huán)境中氫敏芯體的失效機理進行分析，針對敏感芯體抗力學能力差的特性對傳感器進行結構設計，確保產(chǎn)品可以在嚴苛的力學環(huán)境條件下正常工作。

1 氫氣傳感器結構介紹

傳感器由3 對氫氣敏感芯體、鋁合金結構件及調理電路板組成。氫氣敏感芯體安裝在傳感器管道中。傳感器的結構圖見圖1。

圖1 氫氣傳感器結構圖

圖2 催化燃燒式氫敏芯體結構圖

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。芯體由敏感元和補償元件組成，各元件的敏感體均為丸珠式小球結構，是由催化劑及載體涂覆在加熱絲上燒結而成的。其中，敏感元件含有催化劑，用于催化氫氣反應，補償元件不含催化劑，用于補償環(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，加熱絲會釋放出熱量，使敏感體溫度升高。當環(huán)境氣氛中含有氫氣時，在催化劑的作用下，氫氣會與鄰近的氧氣發(fā)生氧化還原反應（無焰燃燒反應），釋放出熱量，該熱量會使敏感體的溫度升高，進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，且隨氫氣濃度的增加而增加，只要測定加熱絲阻值的變化量（ΔR），便可計算出環(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圖3 所示，F(xiàn)1 是敏感元件，F(xiàn)2 是補償元件，當敏感元件F1 與環(huán)境氣氛中的氫氣接觸時，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- 與工作電壓有關的常數(shù)，V。

當補償元件的電阻RF2和敏感元件的電阻RF1電阻相近，比值接近1 時，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——氫氣燃燒引起的溫度增加值，K；

ΔH——氫氣燃燒燃燒產(chǎn)生的熱量J·mol-1；

C——敏感元件熱容量，J·mol-1·K-1；

Q——氫氣燃燒熱，J·mol-1；

m——氫氣濃度(體積分數(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、結構等因素有關，對于氫氣而言，Q 是定值，若令K=kα a.Q/C，敏感元件狀態(tài)一定時，K 是定值，則有式（3）：

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

3 失效機理分析

如圖1 所示，傳感器敏感芯體安裝在傳感器的頂部，與固定的四個耳片距離較遠；敏感芯體放置在管道中，敏感芯體和管道之間采用O 型圈進行密封，通過壓板將敏感芯體和O 型圈壓實在管道中。因此，在傳感器進行振動試驗時，敏感芯體部位實際受到的力是經(jīng)結構件放大了的力。

敏感元件的催化小球是通過引線焊接在固定座上的，當傳感器進行力學試驗驗時，催化小球會在外力的作用下發(fā)生擺動，引線也會隨著催化小球擺動。因此，較大的力學量級會使催化小球擺動過大引起引線從小球中抽離出來，進而導致敏感元件發(fā)生移位和破損。

4 改進結構設計與試驗驗證

針對氫氣傳感器芯體耐力學試驗能力差的特點，保證產(chǎn)品空間足夠大的前提下，重新設計管道形狀，并將其包覆在一種具有減振特性的材料中。對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，同時其彈性形變所屬的應變范圍很大，具有高度非線性的應力- 應變行為，使其能夠產(chǎn)生可逆的大變形[3，4]等優(yōu)點而被列入改進結構設計的備選材料當中。改進后的結構如下圖4 所示。

圖4 改進設計后的氫氣傳感器結構圖

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，進行力學試驗，試驗后置于恒溫箱中，對產(chǎn)品進行精度測試，測試數(shù)據(jù)見表1 示。

表1 集通道力學試驗前后測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

傳感器的采集通道在經(jīng)受振動試驗后在各濃度點的輸出都會發(fā)生漂移，最大漂移量為-0.9%FS，在經(jīng)受沖擊試驗后在各濃度點的輸出都會發(fā)生漂移，最大漂移量為-1.9%FS，即經(jīng)受所有的力學環(huán)境試驗前后，傳感器的采集通道的最大漂移量為-2.8%，其對應標準氫氣濃度點為1%。滿足精度為±18%FS 的指標要求。

5 結論

本文針對氫氣傳感器設計了一種改進結構，有效提升了氫氣傳感器耐沖擊能力和可靠性。試驗結果表明改進后的傳感器設計性能良好，達到設計要求。該種改進結構也可推廣至其他同類型傳感器中。