SnO2半导体传感器敏感特性分析及其在DGA技术中应用

摘要

SnO2半导体传感器是金属氧化物半导体(MOS)传感器类型中一种综合性能优异的气体传感器，具有结构简单、价格低廉、响应速度快、使用寿命长以及对易燃易爆气体和还原性气体具有较高的灵敏度等优点，在火灾预防、环境污染检测等方面得到广泛应用。本文从SnO2的物理基本性能及其与表面气相分子相互作用的工作原理出发，对传感器的敏感特性进行研究，在测试平台上就传感器的灵敏度、选择性、响应与恢复时间、温湿度特性、漂移性进行了测试，从中提出解决选择性差、漂移等问题的相应方案。
　　本文研究了传感器中Sn的含量以及添加剂的成份对检测灵敏度的影响，选择了对变压器中油中六种特征气体敏感度高的传感器;通过对色谱技术与传感器的优化组合、应用色谱柱对混合气体进行组份的分离，解决了传感器的选择性问题，在满足现场实时性要求的同时保证了良好的特征气体分离度、实现一个检测器可对多种特征气体进行准确的检测;对传感器由于敏感特性随环境因素漂移的现象而导致测量误差大、适应性差的问题进行了研究。根据传感器电导率随气体浓度变化而变化的特点，通过对气体响应曲线进行深入分析，构建了检测电路输出信号与气体浓度之间的分段幂函数模型。试验结果表明，该算法提高了定量分析的准确性，具有很强的环境适用性，提高了特征气体检测的可靠性和精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 气体传感器

1．2．1 气敏响应机制

1．2．2 氧化物半导体传感器

1．2．3 气体传感器选择性

1．3 DGA监测技术

1．3．1 变压器故障分类、产生原因及其危害

1．3．2 油中故障气体产生机理

1．4 论文研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 主要研究内容

2 氧化锡半导体气体传感器性能测试与分析

2．1 引言

2．2 SnO2传感器工作原理

2．3 气体传感器测试系统

2．4 气体传感器性能测试

2．4．1 灵敏度

2．4．2 选择性

2．4．3 响应与恢复时间

2．4．4 温湿度特性

2．4．5 加热功耗

2．4．6 漂移性

2．5 特征气体分离

2．6 半导体气体传感器件与气相色谱柱联用

2．6．1 色谱图谱识别

2．6．2 联用平台搭建及初步测试

2．6．3 不同浓度样品测试

2．6．4 不同浓度混合样品测试

2．7 本章小结

3 混合气体检测试验系统设计与实现

3．1 引言

3．2 系统方案设计

3．2．1 试验系统指标

3．2．2 试验系统方案

3．3 系统硬件设计

3．3．1 气体传感器信号调理与加热电路

3．3．2 数据采集与信息处理单元

3．3．3 通信单元

3．4 本章小结

4 气体检测系统的标定

4．1 检测器

4．2 标定

4．2．1 气样的标定

4．2．2 油样的标定

4．2．3 标定误差分析

4．3 曲线拟合

4．3．1 构建函数模型

4．3．2 分段幂函数拟合

4．3．3 全局幂函数拟合

4．3．4 优化曲线算法

4．3．5 拟合效果

4．4 本章小结

5 整机调试与误差分析

5．1 DGA在线装置系统

5．2 DGA系统硬件功能框架

5．3 整机测试

5．3．1 传感器的灵敏性

5．3．2 载气与基线稳定性

5．3．3 色谱柱与分离度

5．3．4 重复性

5．3．5 数据准确度

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢