基于碳纳米管的尖端电极对汤生放电型气体传感器特性的影响

研制出不锈钢针尖，特制钨尖，以及在尖端上生长有碳纳米管(CNT)阵列的针尖与钨尖4种尖端电极，分别测试了4种尖端电极的负离子产生量，及其在空气中汤生放电的不同的I—V特性曲线。影响气体放电的因素很多，其中电极形状和材料是极为关键的因素。笔者通过大量的研究，对这4种尖端电极进行了分析和讨论，发现特制钨尖比不锈钢针尖的表面电场强，而在这两种尖端上生长了碳纳米管后，负离子产生量分别提高到原来的3倍，表明其表面电场加强且表面逸出功降低。汤生放电研究发现，选择生长有碳纳米管的特制钨尖作为电极，不仅可以降低气体的放电电压，而且还可以增大极间距，有利于气流的通畅和传感器的恢复。     

负电晕放电在SF_6气体泄漏检测中的应用研究

结合负电晕放电的特点和SF6气体自身的强负电性,以及目前基于负电晕放电原理的六氟化硫气体传感器所存在的稳定性差、精度不高、寿命短、不能定量检测等问题,提出了一系列的可行性解决方案,改善了SF6气体传感器的性能和精度,同时使SF6气体传感器在定量检测等方面取得了重大突破。     

SF6气体检测技术的研究进展及发展趋势

针对高压设备SF_6气体泄漏检测问题,介绍了SF_6气体泄漏产生的危害。根据SF_6气体检漏技术的研究进展,可把SF_6气体泄漏检测技术分为非光学检测和光学检测两大类。对气体浓度监测技术、真空负离子捕获技术、紫外电离技术和负电晕放电技术等非光学检测技术进行简要的概述,同时对激光成像技术、红外吸收光谱技术和光声光谱技术等光学检测技术进行了重点阐述,并对比分析了各种技术的优缺点,提出了SF_6气体检漏仪的未来发展趋势。     

基于电化学传感器的SF6分解气体检测技术研究

SF_6气体绝缘类电力设备具有体积小、结构紧凑、绝缘性能稳定、运行可靠等优点,被广泛应用于特高压和超高压电力系统中。当电力设备内部发生绝缘故障时,绝缘气体SF_6由于局部放电及局部过热发生分解反应,最终生成数种稳定SF_6分解气体,通过对这些分解气体组分进行定量检测和分析,可反演出设备内的故障或安全隐患。通过搭建电化学传感器响应特性的测试平台,在气体检测罐中模拟SF_6分解气体并进行检测,得到了CO、SO_2和H_2S气体电化学传感器的响应特性。实验结果显示出CO传感器有负的温度特性,SO_2和H_2S电化学传感器具有正的温度特性,并采用二次曲线拟合确定了传感器的温度补偿曲线;同时还发现CO、SO_2和H_2S气体传感器均具有良好的线性特性,但SO_2传感器会对H_2S气体做出响应,通过采用交叉干扰计算,建立传感器信号矩阵算法保证了测量结果的准确度。最后,通过运用多组分混合气体验证了传感器信号矩阵算法具有很高的可靠性和准确度。     

电化学气体传感器多传感器数据融合

由于电化学气体传感器存在温度漂移和交叉灵敏度问题。基于SF_6气体质量综合分析仪为硬件基础,利用线性神经网络学习思想,设计了多传感器数据融合算法。详细介绍了CO和H_2S二维气体传感器数据融合算法设计和权值迭代学习方法步骤。实验结果表明,该SF_6气体质量综合分析仪对SF_6气体分解产物具有较好检测效果。     

SF_6分解物检测中红外和电化学SO_2传感器性能的研究

利用动态配气系统将指定浓度的SO_2气体导入分解物检测仪中,对比研究了以SF_6气体为底气时SO_2红外和电化学传感器的准确性、稳定性和响应时间等测量特征。通过对以SF_6和N2为底气的SO_2气体浓度的反复测量,探究了由于SO_2和SF_6气体吸收红外光波长较为接近,SF_6气体对SO_2红外传感器测量性能的影响;实验表明:二种气体的交叉影响使得SO_2红外传感器的测量稳定性发生劣化。此外,通过对同一测量条件下多台SO_2电化学法传感器的测试,验证了传感器性能对比实验中,个性差异较大的SO_2电化学传感器所表现出的测量特性具有一定共性,并在文末给出了提高电化学传感器测量准确性的可行建议。     

WO_3气体传感器用于SF_6分解气体H_2S的检测

SF_6气体绝缘设备内部存在的缺陷,在运行时会出现放电和过热等故障,从而导致SF_6气体分解,降低设备的绝缘性能,同时危及设备运行安全。研究表明可以通过对SF_6特征分解气体H_2S的检测来检测SF_6气体的分解情况。文中通过水热法合成了一种WO_3敏感材料并进行了SEM、XRD表征;将WO_3传感器用于H_2S检测,表现出优异的气敏性能。在最佳工作温度下,对100 ppm H_2S灵敏度达到了236,响应时间为43 s,检测下限为100 ppb。     

针-柱结构敞开式离子源和微型气泵集成系统的放电特性

设计了一种小型针-柱电晕放电结构,实现了敞开式离子源和微型气泵的系统集成。通过数码相机拍摄的针-柱放电图像和示波器记录的特里切尔放电波形,验证了该针-柱结构在没有外界气流、间隙仅2 mm的实验条件下实现了稳定的电晕放电。对针-柱结构电晕放电特性进行了研究,讨论了放电电压、镇流电阻、柱直径大小、针-柱间距等参数对针-柱电晕放电的影响,通过伏安特性曲线分析得出在放电电压为-3 800 V、镇流电阻为10 MΩ、柱直径为4 mm、间距为2 mm的实验条件下,产生的离子风气体流速最大（采用testo 405-V1风速仪测得最大气体流速为1.15 m/s）。该针-柱结构可采用微机电系统（MEMS）工艺加工实现,有望应用于质谱仪、离子迁移谱、高场非对称波形离子迁移谱等便携式分析仪器中,实现敞开式离子源和微型气泵的双重功能。     

碳纳米管工具电极的导电性能

基于纳米试验系统研究了碳纳米管工具电极的在线制备和导电性能测试方法。首先利用电弧放电将碳纳米管焊接在钨针尖上,制备碳纳米管工具电极;然后在线测试碳纳米管工具电极的伏安特性,分析碳纳米管与钨针焊接前后电阻的变化。通过局部焦耳热法改善碳纳米管与钨针的接触特性,用Au离子溅射法降低碳纳米管工具电极的电阻,提高电极的整体导电性能。试验结果表明,碳纳米管与钨针焊接后,电路中的电极电阻明显降低,碳纳米管工具电极的电阻约为130kΩ,经过90s局部焦耳热处理后,电极电阻降低到55kΩ左右,比原电阻减小约60%,接触性能明显改善;再经过Au离子溅射处理后,电极电阻进一步降低到40kΩ左右,比原电阻减小约70%,从而显著提高了碳纳米管工具电极的导电性能。     

(111)硅片的高性能热堆式气体流量传感器及其封装技术研究

流量测控在生物医疗、农业监测、汽车电子等方面具有举足轻重的作用。针对现有热堆式气体流量传感器普遍存在着器件尺寸大、灵敏度低、成本高等不足,基于(111)硅片的单面微机械加工工艺设计了一款p⁺ Si/Au热电堆式气体流量传感器。采用高塞贝克系数的p⁺ Si/Au材料制作热电偶,结合“鱼骨状”隔热薄膜和嵌入式隔热腔体结构,最大程度增大了器件的热阻,降低了热损耗,提升了器件的灵敏度。同时,热电偶冷端与单晶硅衬底之间采用高导热的复合金属相连,不仅增大了热电偶冷热端之间的温度差,而且简化了工艺的复杂度。得益于单面微机械加工工艺,传感器尺寸仅有0.65 mm×0.65 mm。在此基础上,基于气体流道封装以及信号处理电路,设计了集传感器芯片,气流流道以及处理电路于一体的气体流量检测模块。测试结果表明,在320倍电压放大及1.0 V的电压偏置下,该器件的归一化灵敏度约为5.4 mV/sccm/mW,响应时间为1.44 ms。     

基于脉冲电晕放电电离源的离子迁移谱仪设计与实现

针对传统直流电晕放电离子迁移谱仪(CD-IMS)稳定性差、功耗高的不足,设计制备了针-针结构脉冲电晕放电电离源,并使用该电离源搭建了脉冲CD-IMS装置。研制的高压脉冲发生电路输出幅值和脉冲重复周期可调,体积小、功耗低。研究了放电稳定性并进行了实际样品测试,在无离子门的情况下得到了正、负离子模式反应离子峰谱图。该装置在正负模式下的分辨率分别为25.17(甲基磷酸二甲酯(DMMP)二聚体)和15.88(水杨酸甲酯)。     

基于声阵列的变电站设备声源识别分析

针对现有的声学检测方法无法准确识别电力设备噪声源的现象,开展了基于声阵列的变电站设备声源识别技术研究,并在某特高压变电站开展了测试应用,分别测试了架空母线、变压器及电抗器设备,分析结果表明:声阵列测试技术可以在变电站内的复杂环境中准确识别出电晕放电、风机噪声、机械振动异常等噪声源。     

湿度和SF_6在石英增强光声光谱中对CO分子弛豫率的影响

为了研究六氟化硫(SF_6)气体分子和水汽(H_2O)对一氧化碳(CO)气体分子的弛豫率的影响,建立了一个基于石英增强光声光谱(QEPAS)技术的痕量气体传感器系统。采用1.57μm的近红外分布式反馈二极管激光器作为激励光源,并对不同SF_6和H_2O气体浓度下的CO的光声信号进行对比研究。首先用CO传感器系统探测CO与N_2的气体混合物中CO的光声信号,然后在CO与N_2气体混合物中加入不同浓度的SF_6气体,分别探测不同浓度SF_6气体下的CO光声信号强度。最后在CO与N_2的气体混合物中加入不同浓度H_2O,探测加入H_2O后的CO的光声信号强度。实验结果表明随着CO和N_2气体混合物中SF_6气体浓度的增加,CO的光声信号幅值几乎没有变化,而在混合物中加入2.5%的H_2O后,发现CO的光声信号提高了约5倍。因此,SF_6对CO气体的弛豫率没有明显的影响,然而H_2O的添加能够有效缩短CO气体的弛豫时间。     

基于PCap02与STM32的SF_6密度及微水含量分析仪

高压电气设备运行时,微水含量超标及SF_6气体泄漏会造成设备故障,为此,设计了一款基于PCap02与STM32的SF_6密度及微水含量分析仪。该系统以PCap02为传感器测量芯片,以STM32F103芯片为信号分析及处理单元的核心。通过测量待测气体的温度、压力及密度,得到SF_6密度及微水含量。实验表明,该在线监测分析仪安全可靠、稳定性好、测量精度高。     

陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现

具有高浓度、挥发性、强氧化性的液氯、氮氧化物等危化品泄露、爆炸的安全检测一直是一个难点问题,要求检测传感器具有较宽量程和抗腐蚀设计。基于Al N陶瓷的微热板半导体气体传感器阵列设计,采用耐腐蚀的Al N陶瓷为衬底,物理化学性能稳定的Pt膜作为信号和加热器电极,经杂化修饰的In-Nb复合半导体氧化物为敏感材料,结合柔性光刻剥离工艺和激光微加工工艺,制备了陶瓷微板热隔离气体传感器阵列。为验证传感器阵列热结构设计的合理性,进行了有限元热仿真分析,优化了设计结构。经静态气敏测试分析,传感器阵列对浓度体积比500×10~(-6)的Cl_2和100×10~(-6)的NO_2两种气体的气敏响应时间分别为30 s和60 s左右,灵敏度最高分别为275倍和4倍,且在0~500×10~(-6)和0~100×10~(-6)检测范围均具有良好的气敏特性,对Cl_2等高浓度宽量程危化品气体检测具有良好的应用前景。     

掩模偏转方向对硅尖形状影响的研究

为制备高纵横比的纳米硅尖,研究了掩模的偏转方向对硅尖形状的影响。设计了硅尖制备的工艺流程,采用KOH溶液湿法各向异性腐蚀制备硅尖,将实验和{411}晶面模型相结合,分析了硅尖的成型机理,讨论了掩模偏转方向对硅尖形状的影响,得到制备高纵横比纳米硅尖的工艺参数。实验结果表明：硅尖侧壁是由与(100)面夹角为76.37°的{411}晶面组成;利用正方形掩模的偏转,可以制备出八面体和四面体的硅尖。当正方形掩模边缘沿<110>晶向时,在78℃、浓度40%的KOH溶液中腐蚀的硅尖,经980℃氧化削尖,可以得纵横比大于2的八面体纳米硅尖阵列。     

SF_6气体分解物数据采集器的研究

针对SF_6气体分解物数据采集进行研究并提出设计方案,确定电化学传感器检测方法作为系统设计理论基础,给出了整机原理图,完成了STM32微处理器电路、电化学传感器电路与发送器电路、电流环接收电路、A/D变换器等电路的设计,采用的MCGS组态软件给用户提供了良好的人机界面。对电路的系统电源、A/D采集转换、串口通信电路等主要部件进行调试,并进行通气实验,实现气体标定。以SF_6气体分解物中的SO_2为例,检测其气体的体积分数,分辨率较高,稳定性好,取得了预期的研究效果。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究（英文）

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感。本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性。该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力。实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值。     

采用针-环离子源的集成式高场非对称波形离子迁移谱系统

为了实现离子源和高场非对称波形离子迁移谱的其它部分的集成,本文基于PCB工艺设计了一种新型的针-环离子源结构。该结构主要由针电极、环电极、进气底座以及针固定底座组成,针电极采用针尖曲率半径为28μm的不锈钢针作为放电阴极,直径为3mm、高度为16mm的铜环作为放电阳极。放电特性实验结果表明:针-环离子源在放电电压-2kV和-2.8kV时,分别进入了电晕放电和辉光放电,能够在大气压环境下实现稳定放电。在载气流速为1.5L/min、方波射频电压幅值为300V的条件下,两者FAIMS谱图中补偿电压基本相同,且采用针-环离子源和紫外灯离子源所得的FAIMS谱图的电流峰值分别为64pA和45pA,由此表明集成式针-环离子源FAIMS系统能够稳定工作,且相比紫外灯离子源集成性更好,电流信号更强。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感.本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性.该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力.实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值.