的原理及应用SF6气体状态监测传感器的原理和应用

在高压开关设备中常用的SF₆气体状态传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器等。

1.压力传感器

压力传感器是利用各种材料的压电效应制成的传感器。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

压力传感器中主要使用的压电材料包括石英（二氧化硅）、酒石酸钾钠和磷酸二氢铵等。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就是说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢铵属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

压力传感器目前最常使用的工作原理包括压阻式、电容式、压电式和晶体谐振式等。但应用最为广泛的是压阻式，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特征。

（1）压阻式 有硅电阻、陶瓷电阻、应变电阻等，把压力的作用转化为电阻的变化。

1）应变片压力传感器：电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件，是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密地粘合在产生力学应变的基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

图6-22所示是金属电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

图6-22 金属电阻应变片的结构示意图

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可表示为

式中 ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm²/m）；

S——导体的截面积（cm²）；

L——导体的长度（m）。

以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从式（6-3）中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减小，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面积增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻上的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

2）硅晶体压力传感器：利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

硅电阻的工作原理如下：

当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。

压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔，如图6-23所示。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比为20～60。在圆形硅膜片（N型）定域扩散4条P杂质电阻条，并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

图6-23 压阻式压力传感器

3）陶瓷压力传感器：抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印制在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯顿电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使其工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度＞2kV，输出信号强，长期稳定性好。高性能、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其他类型传感器的趋势，在我国有越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

（2）电容式 主要采用陶瓷电容，把压力的作用转化为电容的变化。

电容式压力传感器一般都是利用弹性元件（例如膜片）作为感受压力的灵敏元件，并作为电容传感器的动极片。图6-24为它的原理图，这里利用膜片作为一个极板（动极片）和固定在传感器壳体上的定极片形成一个电容器，在未受压力作用时，它们之间的电容量为C₀，在测量时，压力通过介质加到膜片上，此时膜片将产生位移x，使两极板间的距离减小，从而使电容值发生变化，由C₀变为C_x，这样就可以用电容量C_x来表达所测压力p的大小，这就是电容式压力传感器的工作原理。

图6-24 电容式压力传感器原理图

（3）压电式 利用压电材料，把压力的作用转化为电量的变化。

压电传感器中主要使用的压电材料包括石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢铵。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢铵属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、压电陶瓷（PZT）、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

（4）晶体谐振式 把压力的作用转化为频率的变化，这种原理的应用使输出信号接近为数字信号。

石英晶体谐振式压力传感器所采用的谐振器是用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封，石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时，振动频率发生变化，并且与所加压力成线性关系。在此过程中石英的厚度切变模量随压力的变化起了主要作用。与分离式结构相比，整体式结构的主要优点是滞后小、频率稳定性极佳，但它的结构复杂、加工困难、成本也高。压力传感器的谐振器还有振梁式，也是由AT切型石英晶体制成的，振梁横跨于谐振器中央。在振梁的两端上下对称设置四个电极，用于激励振动和拾取频率信号。当振梁受拉伸力时，其谐振频率提高，反之则频率降低。因此输出频率的变化可反映输入力的大小。

2.温度传感器

温度传感器是利用金属、半导体材料与温度的相关特性（膨胀、电阻、电容、磁性和热电动势等），将变化规律转换为可输出的电信号的设备。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。现代的温度传感器外形非常小，使它更加广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了很多便利。

温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

（1）热电偶 热电偶实物如图6-25所示。热电偶是根据塞贝克效应原理制成的测温设备，其原理是由于两种不同的导体或半导体的温度有差异时，会引起两端物质间产生电压差，从而产生热电动势电流。由于热电偶测量的是温度差，为了确定温度，可以将一端按0℃作为基数。

（2）热电阻 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200～500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻（见图6-26）的材料应具有以下特性：

图6-25 热电偶

图6-26 热电阻

1）电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

2）电阻率高，热容量小，反应速度快。

3）材料的复现性和工艺性好，价格低。

4）在测温范围内化学物理特性稳定。

目前，在工业中应用最广的铂和铜材料，已制作成标准测温热电阻。

（3）红外温度传感器 红外温度传感器如图6-27所示。

在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。

（4）模拟温度传感器 模拟温度传感器实物如图6-28所示。(www.xing528.com)

图6-27 红外温度传感器

图6-28 模拟温度传感器

常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。

AD590是美国模拟器件公司生产的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3～30V，输出电流为223（-50℃）～423μA（150℃），灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590的输出电流信号的传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。它适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

（5）逻辑输出型温度传感器 逻辑输出型温度传感器结构如图6-29所示。

设定一个温度范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调器、加热器或其他控制设备，此时可选用逻辑输出型温度传感器。LM56、MAX6501_- MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端。它最大只能带50μA的负载；电源电压为2.7～10V，工作电流最大为230μA，内置传感器的灵敏度为6.2mV/℃，传感器输出电压为6.2TmV/℃+395mV。

（6）数字式温度传感器 数字式温度传感器实物如图6-30所示

图6-29 逻辑输出型温度传感器结构

图6-30 数字式温度传感器

它是一种采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT（Proportional To Absolute Temperature）结构，这种半导体结构具有精确的、与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系为DC=0.32+0.0047t，t的单位为℃。输出数字信号与微处理器MCU兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0.005K。测量温度范围为-45～130℃，故广泛用于高精度场合。

温度传感器是利用金属、半导体材料与温度的相关特性（膨胀、电阻、电容、磁性和热电动势等）制成的。它可分为接触型和非接触型集成温度传感器和光纤温度传感器，在高压开关设备中常用于监测SF₆或运行环境的温度。

3.湿度传感器

湿度传感器是监测气体中含水量的传感器，通常用气体中水汽的密度来表示，即每立方米气体中所含水汽的克数来表示，称为绝对湿度。公式为

式中 H——相对湿度；

D——绝对湿度[mmHg（1mmHg=133.3Pa）]；

D_S——当时气温下的饱和水汽压。

湿度传感器可分为湿敏电阻、湿敏电容湿度传感器。以氧化锂湿敏电阻（见图6-31）为例，其工作原理是：感湿膜的电阻随气体湿度的变化而变化，湿度增加，感湿膜中盐浓度降低，电阻减小。

湿敏电容如图6-32所示。其工作原理是：当环境湿度变化时，湿敏电容的介电常数发生变化，使电容量发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的特点是灵敏度高、互换性好，但精度比湿敏电阻低。湿敏电容常用的材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、醋酸纤维等。

图6-31 氧化锂湿敏电阻

1—感湿膜 2—电极 3—绝缘基板 4—引线

图6-32 湿敏电容

高分子膜电容式湿度传感器，如图6-33所示。

图6-33 高分子膜电容式湿度传感器

a）结构图 b）实物图

上层电极：作为电容两极中的一极，可保护传感器的主要材料不受灰尘、污垢和导电粒子的影响。

高分子薄膜：吸收水蒸气，吸收量和周围环境的相对湿度有函数关系。

下层电极：作为电容两极中的一极。

玻璃基底：支撑传感器结构。

工作原理：水蒸气穿过上部电极，到达活性聚合物薄膜，多少水蒸气被薄膜吸收取决于周围环境的相对湿度，因为传感器尺寸小和聚合物薄膜很薄，所以传感器可以对周围环境的湿度变化作出快速反应，聚合物中吸收的水蒸气改变了传感器的电介质特性，从而使传感器的电容值改变，传感器电容的改变通过测量电路来测量。

当气体中水分的含量极小时，可用微水表示水分的含量。

微水：指一百万份的气体单位体积中所含水分所占体积数，因其所含水分很少，所以叫微水，单位为ppmV。

露点：微水的另外一个表示方式。气压不变的情况下，气体湿度达到饱和时的温度叫露点。气体中，水汽达到饱和时，气温与露点相同。在100%的相对湿度时，周围的温度就是露点。

微水传感器目前常用的工作原理是高分子薄膜电容技术和露点法。当气体中的水分通过高分子薄膜时，介电常数发生变化，导致电容发生变化，信号处理单元把电容转变成电信号。

对于微水的监测，需进行20℃的修正计算，其经验公式为

式中 H₂——20℃时的微水体积比（μL/L）；

H₁——实时湿度测量值（μL/L）；

p₁——SF₆气体实时测量气压值；

p₂——换算到20℃时的SF₆气体压力值；

p_1s——实时测量温度下的饱和水气压；

p_2s——计算到20℃时的饱和水气压值。