基于红外吸收原理的甲烷浓度检测仪

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1、图书分类号：TD712U.D.C.: 536.5工学硕士学位论文基于红外吸收原理的甲烷浓度检测仪硕 士 研 究 生：导 师：申请学位级别：学 科 、 专 业：所 在 单 位：答 辩 日 期：授予学位单位：张静孙晓刚 教授工学硕士仪器科学与技术自动化测试与控制系2008 年 7 月哈尔滨工业大学Classified Index：TD712U.D.C.: 536.5Dissertation for the Degree of Master in EngineeringMETHANE CONCENTRATIONDETECTING INSTRUMENT BASED ONINFRARED ABSORPT

2、ION THEORYCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Speciality：Date of Oral Defense:Degree Conferring Institution:Zhang jingProf. Sun XiaogangMaster of EngineeringInstrument Science and TechnologyJuly, 2008Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文利用甲烷气体对红外辐射有选择性吸收且吸收强度是甲烷浓度的函数这一关系，研制了

3、基于红外吸收原理的甲烷浓度检测仪。该检测仪将红外辐射强度转化为电压信号，实现对甲烷浓度的测量，具有响应速度快、动态范围大、防燃防爆、防电磁干扰、不易中毒等优点。通过分析和比较多种气体浓度检测方法，根据检测仪的测量要求和应用环境，选择红外光谱吸收法作为本检测仪的理论方法。比较白炽灯、发光二极管、半导体激光器的各项性能，光源采用德国 PerkinElmer 公司的白炽灯IRL715，发出的光覆盖从可见光到 4.4m 的波段。探测器选用的是双光路热释电探测器 PYS 3228 TC G5.2/G20，其内部集成了两个将红外辐射能量转化为电压信号的焦热电元件，在封装外壳开了两个窗口，在两个焦热电元件前

4、分别装配了两个窄带滤光片，中心波长分别为 3.39m 和 4m。根据所选光源和探测器的特点，设计了合理的光源调制电路和信号调理电路。采用 8 位单片机 PIC16F877 作为检测仪的核心处理器，完成正弦信号峰峰值的采集、浓度计算、声光报警等功能。以单片机为基础，设计了系统电源电路、光源调制电路、基本放大电路、峰值检测电路、驱动显示电路、声光报警电路以及二线制输出电路，通过对单片机编程实现各模块的功能。当甲烷浓度超过预先设定的报警阈值时，则产生声光报警信号。根据实验室现有的条件和仪器设备，对所设计的检测仪进行了实验研究。结合实验数据给出了拟合曲线及误差分析，并进行了简单的标定，结果证明基于红外

5、吸收原理的甲烷浓度检测仪具有一定的精度和良好的稳定性。关键词红外吸收；甲烷气体；浓度检测；单片机- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractA methane concentration detecting instrument is developed based on infraredabsorption theory. Methane has a wavelength-selecting absorption to infraredradiation, and the absorption is functional with concentration of methane

6、. Thedetecting instrument realizes the measurement of the gas concentration, withconverting infrared radiation to voltage signal. This instrument has many advantagessuch as fast respondence, inflammation-proof and explosion-proof, large dynamicrange and anti-poison.With analyzing and comparing with

7、many gas measurement methods andaccording to precision and working environment required, we select infraredspectrum absorption method as the theoretical way of this instrument. Refer to thecharacteristics of the incandescent lamp, LED and laser diode, incandescent lamp isselected as the light source

8、. IRL715 is an incandescent lamp whose accessiblewavelength range amounts from the visible up to about 4.4m. Using thepyroelectric IR detector PYS 3228 TC G5.2/G20 as the gas sensor, the detectoremploys two pyroelectric chips in a single sensor housing of TO-5 package size withtwo independently sele

9、ctable IR windows. The center wavelengths of two infraredfilters are 3.39m and 4m, which are in front of IR windows.According to the selected light source and detector characteristics, design areasonable source modulation circuit and signal processing circuit. PIC16F877,which is a 8-bit SCM, is take

10、n as the core of the instrument. Sampling of peak valueof sine wave, concentration calculation, and light and beep alarm etc are completed.With the SCM, seven extra peripheral modules such as system power circuit, lightsource modulation circuit, basic amplifier, peak detector circuit, LED display, l

11、ightand beep alarm circuit, two-line transfer circuit are also designed, and the functionsare realized through programming with PIC16F877. While the detected gasconcentrations are over the warning limit, which was set before, light and beep alarmsignal is triggered.Experiment is carried out, and exp

12、erimental data curve, error analysis, andcalibration result are given. The results prove that the methane concentration- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文detecting instrument based on infrared absorption theory has a good stability andaccuracy.KeywordsInfrared absorption, CH4, concentration detecting ,SCM- III-哈尔

13、滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 . IAbstract . II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及研究的意义 .11.2 甲烷检测技术的研究概述 .21.3 基于红外吸收原理的甲烷检测仪的研究现状 .41.4 课题的主要研究内容 .5第 2 章 红外甲烷气体检测原理 .72.1 概述 .72.2 朗伯比尔定律 .72.3 红外光谱吸收的测量方法 .82.4 红外吸收原理的优点 .92.5 本章小结 .10第 3 章 甲烷检测仪的硬件设计 .113.1 检测仪的设计要求 .113.2 检测仪的总体设计 .113.3 光路系统的设计 .123.3.1 气室结构的设计 .123.3.2 红

14、外光源的选择 .133.3.3 红外探测器的选择 .153.4 电路系统的设计 .173.4.1 单片机的选择 .173.4.2 系统电源电路 .193.4.3 光源驱动电路 .203.4.4 基本放大电路 .213.4.5 峰值检测电路 .223.4.6 驱动显示电路 .243.4.7 声光报警电路 .253.4.8 二线制输出电路 .26- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.5 本章小结 .27第 4 章 甲烷检测仪的软件设计 .284.1 数据的采集处理 .294.1.1 数字滤波 .294.1.2 加权处理 .294.2 浓度的转换 .304.3 数码管显示 .314.4 二线制

15、输出 .324.5 报警限的修改 .344.6 本章小结 .35第 5 章 实验结果与不确定度分析 .365.1 甲烷气体实验 .365.1.1 气体吸收试验 .365.1.2 重复性试验 .385.1.3 稳定性试验 .395.2 测量结果的不确定度分析 .395.3 本章小结 .41结论 .42参考文献 .43附 录 1 甲烷检测仪 .46附 录 2 甲烷检测仪及标定气体 .47哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 .48致 谢 .49- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1 课题背景及研究的意义甲烷是一种易燃易爆气体，是煤炭、电力等行业中发生各类事故的隐患之一。在煤矿井

16、下瓦斯气体中，甲烷所占的比重最大，在 80%以上。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的 50%以上。所以避免瓦斯爆炸事故的一个重要措施就是要做好甲烷的检测工作，提前掌握煤矿甲烷的变化情况，一旦出现异常，及时采取相应的措施，保障煤矿的安全生产。矿井瓦斯是对煤矿井下各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4)，二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)等。瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是 0.554，在标准状态下瓦斯的密度为 0.716kg，所以，它常积聚在巷道的上部及高顶处

17、。瓦斯的渗透能力是空气的 1.6 倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息1，并能发生燃烧或爆炸。在新鲜空气中，氧气浓度达到 12%以上，瓦斯浓度达到 5%16%时，就达到瓦斯爆炸的浓度范围，也称爆炸界限。当瓦斯浓度低于 5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为 9.5%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)2；瓦斯浓度在 16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。一般认为，瓦斯的引火温度为 650750。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混

18、合气体的压力等因素影响而变化。当瓦斯含量在 7%8%时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。井下抽烟、电气火花、违章放炮、煤炭自燃、明火作业等都易引起瓦斯爆炸3。我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源，近年来，重大、特大瓦斯爆炸事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高4。瓦斯爆炸事件频繁发生，造成了重大伤亡和经济损失，教训深刻。事实上- 1 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文瓦斯事故也是造成煤矿事故的主要原因之一。而随着国民经济的不断发展，对采矿业也与

19、日俱增，但要保证采矿业顺利进行，安全是非常重要的，为此使得煤矿生产管理单位对煤矿瓦斯监测非常重视，并成为煤矿是否可以生产的必要条件。因此除了从管理机制、政策等方面治理瓦斯，加强矿井内瓦斯的早期可靠性检测监控，也是防止瓦斯事故的一个重要方面。因此，煤矿瓦斯气体检测仪表对保证煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。1.2 甲烷检测技术的研究概述由于煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，因此对煤矿瓦斯的检测可以转化为对甲烷的检测。一个完整的煤矿甲烷气体检测仪表同普通气体检测仪表一样，一般由四个基本部分组成：气体传感器，即能感知环境中某种气体及其浓度的装置或器件，它能将与气体

20、种类和浓度有关的信息转换成电信号；处理器及显示器，根据测量信号，运用一定的算法计算出待测气体浓度并显示出来；报警器，当检测气体浓度超出设定报警阈值时，就给出报警信号；标准模拟输出信号，一般采用 15V电压信号或者 420mA电流信号5，标准输出信号需要与被测气体浓度成线性关系。其技术参数还有存储数据功能、传输数据功能、使用寿命与可靠性、低功耗等。气体传感器是气体检测仪表的关键部分，就其原理可以分为四大类：电学类气体传感器、光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器6。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式

21、和非电阻式两大类，其中电阻式气体传感器主要有接触燃烧式、热导式和半导体式等，而非电阻式气体传感器则通常是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括MOS二极管式、结型二极管式和场效应管式等。利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电解式、伽伐尼电池式、固体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波

22、式、石英振子式等7-9。目前应用于煤矿井下甲烷气体的检测方式主要有载体催化燃烧式、热导- 2 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式、光干涉式、红外吸收式10等。（1）热催化原理的甲烷检测仪热催化原理的检测仪是利用催化物能使低浓度甲烷在低温度下持续燃烧（氧化），因不同浓度的甲烷在燃烧时产生的热量不同，用温度变化来测量甲烷浓度的一种检测仪，又称为催化氧化式或接触燃烧式。最初测量甲烷的传感元件是用纯铂丝线圈制作，纯铂丝线圈既是加热器，又作为电阻温度计来完成热量到电量转换，由于甲烷在铂丝线圈燃烧时产生的温度高达 9000，铂丝因表面蒸发直径变细，因而使阻值增加导致传感器零点严重漂移。所以目前使用较普遍的

23、是载体催化元件，载体的作用是提供较大的接触反应表面，这种载体元件能在较低温度下使甲烷催化燃烧，铂丝线圈仅作为加热器和电阻温度计，不再直接暴露在甲烷氧化区，大大降低了蒸发损失。这种检测原理的缺点是抗中毒性较差，从而导致其使用寿命短，测量高浓度甲烷时会给出致命的错误信息，甚至威胁安检人员的生命安全。其优点是输出信号大，线性好，信号处理和显示都比较方便，从而使电路和仪器的结构简化。利用这种原理的检测仪器，是当前国内外测量低浓度甲烷使用最普遍最成功的一种11-13。（2）热导原理的甲烷检测仪热导原理的检测仪器是利用所测气体与空气的热导率之差来实现对气体浓度检测的。热导式气体检测仪将待测气体送入气室，气

24、室中有热敏元件，如铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，热量更容易从热敏元件上散发，使其阻值减小，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化可得到被测气体浓度值。这种检测原理的优点是热敏元件工作温度低（低于2000），工作电压也不高，所以极易制成矿用本质安全型，而且热敏元件为半永久性元件，使用寿命长。其缺点是检测低浓度甲烷时输出信号小，且易受水蒸气（湿度）和二氧化碳等气体的影响。（3）光干涉原理的甲烷检测仪光干涉原理的甲烷检测仪是利用光波在空气和瓦斯中的传播速度不同，产生的光程差引起干涉条纹的移动来测量甲烷浓度的。一束入射光经过适当的光学系统后被分解为两束相干光，一路通过被测气

25、体气室，另一路通过参考气室，由于满足相干条件，两者相遇就会产生干涉条纹。光干涉检测仪在使用前，需要“调零”，参考气室和采样气室均充满新鲜空气，此时干涉条纹的位置作为零点；测量时，气样室吸入被测气体，光路中引入附加光程差，条纹发生移动，移动量正比于甲烷浓度，从而确定甲烷浓度14-15。光干涉原理的检测仪是 1927 年在日本制造成功的，目前我国不但可以大批生产，而且在品种、- 3 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文质量和规格上都处于比较先进的行列。其缺点是浓度指标不直观，受气压、温度、湿度影响，特别是当空气中的氧气不足和氮氧比例异常时，测量将出现误差。（4）红外吸收原理的甲烷检测仪红外吸收型甲烷检

26、测仪是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关的事实来检测甲烷浓度的。红外吸收型气体分析检测仪一般由红外辐射源（白炽灯或者红外 LED），测量气样室，波长选择装置（滤光片），红外探测装置（如热电探测器，热电池）组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐射被探头测出，通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度。红外线气体检测仪的优点是测量范围宽、选择性好、防爆性好，尤其是当被测气体浓度过高时，不会像载体催化元件那样发生中毒现象。1.3 基于红外吸收原理的甲烷检测仪的研究现状国外发达国家对于红外吸收原

27、理的检测技术研究起步较早，大多是对吸收式光纤传感技术的研究16-20。基于气体对红外辐射有选择性吸收的原理，用于矿井下的红外光谱分析仪已在法国、美国等国家研制成功。法国的LEL5610 型气体分析仪就能检测CH4,CO2,CO混合气体，并且具有自检功能；美国西屋电气公司研制的红外瓦斯遥测仪能在 40m内确定工作面周围的平均瓦斯浓度。目前进入国内市场的主要有美国英思科公司MDU42 双量程甲烷检测仪和罗斯蒙特公司的 815EX红外吸收气体分析仪，这些仪表都采用红外传感器技术，性能可靠，安全防爆，轻便且易于携带，具有数据采集功能，而且能够提供标准模拟电压或者电流输出信号，具体应用在环境监测和工矿安

28、全检测。十多年来，国内的有关单位也一直致力于用于矿井气体分析的红外检测仪的研究工作。如中国矿业大学朱志英等人设计开发了双探测器、双光源的煤矿红外瓦斯检测仪；武汉四方光电科技有限公司在红外气体传感器关键技术的研究上有了重大突破，并推出了用于煤矿的红外瓦斯检测仪；哈尔滨工业大学王书涛等人研究了一种高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷检测仪，利用光纤作为传播介质，实现了甲烷气体浓度的谐波检测21。红外气体传感器是红外检测仪表的灵魂，红外光源和红外探测器是红外气体传感器的关键部件，也是成本的主要构成22。九十年代以来由于微电子产业的发展，带动了微机电系统(MEMS)技- 4 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文术的

29、迅猛发展，德国微传感执行器和系统研究所、波兰化学研究所、瑞士微系统研究所都利用MEMS技术设计了可直接调制的红外辐射源。国内中科院微系统所、复旦大学等单位也开展了脉冲调制的MEMS脉冲辐射源的研制，并已取得了一定成果。红外热电堆探测器是红外传感器中常用的探测器件，相比于其他红外热电器件，成本更低，使用更简便，性能更可靠。目前国外大的传感器公司如Perkin-Elmer和Honeywell等都己经大量利用红外热电堆制作传感器。中科院上海技术物理研究所开发的热释电红外器件是民用产品中的佼佼者，但是由于热释电探测器测量的是红外信号的变化量，其电路复杂，成本较高。一直以来，我国都采用热催化元件来对瓦斯

30、浓度进行检测，其检测精度不高，易老化且易发生致命错误等缺点在应用过程中逐渐显露出来，因此，迫切需要一个新的方法来解决这个问题。随着红外光谱技术在各行各业日益广泛的应用，目前，国内外用于精确测定和标定气体浓度的分析仪基本上采用红外技术，因此研制一种矿用红外瓦斯分析检测仪对于提高我国煤矿安全监测水平，防止煤矿瓦斯事故发生，保障我国煤炭事业的可持续性发展有着重要的现实意义23。1.4 课题的主要研究内容本论文针对目前国内煤矿业发展的主要形式和现状阅读了大量文献，在分析和比较各种检测仪表优缺点的基础上选择了基于红外吸收原理的光学方法来检测甲烷的浓度。课题的主要工作分为以下几部分：（1）研究基于红外吸收

31、原理的甲烷浓度检测仪的检测原理，综合调查市场上各类红外光源和探测器，选定 PerkinElmer 公司的白炽红外光源 IR715 和热释电红外探测器 PYS 3228 TC G5.2/G20 分别作为传感器的红外辐射发射源和红外辐射接收器。通过实验的方法，确定了气室的结构。（2）设计了检测仪的整体硬件结构，包括电源转换电路、光源调制电路、信号放大电路、峰值检测电路以及单片机外围电路等。检测仪实现了高亮的数码管显示、二线制与上位机通讯、超限声光报警和报警限的修改等功能。（3）设计了检测仪的软件实现方案。软件部分采用汇编语言编写，利用模块化的编程方法，用中断的方式完成 A/D 采样和数据处理，并通

32、过对单片机编程实现各个外围模块的功能。（4）完成对于甲烷检测仪的标定。检测仪首先将红外辐射转化为电压信- 5 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文号，然后通过标定将电压信号转化为浓度信号，从而实现 1%4%甲烷浓度的显示。- 6 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章 红外甲烷气体检测原理2.1 概述非对称双原子和多原子分子气体（如CH4，CO，H2，SO2，NO和CO2）等都有吸收红外辐射能量的性质。这种性质是具有红外活性物质本身固有的一种属性，如同人类的指纹，具有唯一性，不会因环境、温度等条件的改变而改变24-25不同的气体有着不同的吸收光谱，例如，甲烷在 3.3m处有一个吸收峰，二氧化碳在

33、4.2m处有一个吸收峰26-27。吸收光谱是由一定频率范围内的谱线组成的，是有一定带宽的，带宽内各个频率点的吸收强度也是不一样的28。如果气体的吸收波段在红外辐射光谱范围内，那么当红外辐射通过气体时，在相应频率处就会发生能量强度衰减，衰减程度与气体浓度有关，通过分析红外辐射的衰减量，即可推算出气体浓度。2.2 朗伯比尔定律朗伯比尔定律是研究光吸收内在规律的基本定律，也是作为吸收光谱定量分析的理论依据。早在 1729 年和 1768 年分别由布给（Bouguer）和朗伯（Lambert）提出了光的吸收与吸收介质厚度之间的关系，被称为朗伯定律。1852 年比尔（Beer）又提出了光的吸收与吸收介质

34、浓度之间的关系，被称为比尔定律29-31。这两条定律合并成为朗伯比尔定律。朗伯比尔定律的内容为：对于能量为I0的一束单色入射光，透过长度为L的气体的吸收介质以后，在不考虑散射的情况下，其透射光强I可以表示为32-34I = I 0 e CL（2-1）其中，I表示通过待测气体前的光强；I0表示气体吸收后的透射光强；表示吸收系数；C表示待测气体浓度；L表示光路强度，即光线在待测气体中穿过的有效路径长度。由（2-1）式可知，透射光强 I 是气体浓度 C、气体吸收系数 和路径长度- 7 -，因此可以利用这一特性来对物质进行定性和定量分析。：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文L 的函数，被测气体浓度越大，气

35、体的吸收系数越大，气体穿过的路径长度越长，能量衰减得越强烈。吸收系数 与被测气体的性质、传感器的结构等有直接的关系，它一般通过实验的方法来求得。路径长度是指光在气体中的有效长度，路径长度越长，气体吸收越充分。2.3 红外光谱吸收的测量方法红外光谱吸收的测量方法包括：谐波检测、直接吸收检测、差分吸收检测。（1）谐波检测它的基本原理是将光源波长(频率)用正弦信号进行调制，调制光通过内有被测气体的气室，由于气体的光谱吸收效应，频率调制的同时包含有强度调制。当激光中心波长对准气体吸收峰的波长，输出光含有调制频率的谐波信号。此时，就可以用锁相放大器检测谐波信号来精确测量待测气体浓度，谐波检测的理论基础是

36、傅立叶变换理论35。（2）直接吸收检测它的基本原理就是让红外光直接通过装有甲烷气体的气室，用光电探测器来探测光强的大小变化。这是一种最简单的光谱吸收检测方法。如图 2-1 所示，光源发出的光经过气室后，被光探测器接收并转变为电信号，该信号被放大器放大后由微处理器处理显示。图 2-1 直接吸收检测结构图当气室中无待测气体时，通过气室的光经探测器测得其光强为 I0，当待测气体充入气室并达到一定浓度 C 后，此气体对光源发出的光有较强的吸收，这时通过气室的光测得其光强为 I，于是 I 和 I0 的差值，便可以检测气体及浓度。这种方法简单、易做。但是系统光路和电路中，光源的不稳定，环境(振动和温度)的

37、影响，电路中元器件的漂移都会不同程度的降低系统的检测灵敏度。（3）差分吸收检测差分吸收法的工作原理是：光源发出的光束被分成两路信息，一路是带有- 8 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文息。光源的不稳定以及光电器件的零漂，温漂对两路信息的影响相同，故信号信息与参考信息的商将只是气体浓度的函数，从而消除了光源的不稳定以及光电器件零漂的影响。差分吸收法可采用单波长双光路法实现，也可采用双波长单光路法实现。单波长双光路法结构图如图 2-2 所示光源光路A光路B气室探测器一探测器二数据采集处理图 2-2 单波长双光路法结构图双波长单光路法结构图如图 2-3 所示光源参考滤光片测量滤光片气室探测器数据采集处

38、理图 2-3 双波长单光路法结构图利用差分吸收技术不仅从理论上消除了光路的干扰因素，同时还消除了光源输出光功率不稳定的影响。有效消除由光源、探测器的不稳定和变化所引起的检测误差，提高了检测的灵敏度。2.4 红外吸收原理的优点（1）选择性好每种气体都有自己的特征红外吸收频率。在对混合气体检测时，各种气体吸收各自对应的特征频率光谱，它们是互相独立，互不干扰的。这为测量混合气体中某种特定气体的浓度提供了条件。因此采用红外吸收检测气体具有选择性好的优点。（2）不易受有害气体的影响而中毒、老化每种仪器都有自己的测量范围，当待测气体浓度过高地超过测量范围时，会造成载体催化类元件中毒失活，测量结果发生很大的

39、偏差。甚至有时再回到- 9 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文正常浓度也不能正常工作，造成检测元件的永久中毒。采用红外吸收原理检测气体，不会受有毒气体的影响而中毒、老化。（3）响应速度快、稳定性好气体检测系统在开机后，都要预热一段时间才能正常工作。采用红外吸收原理检测气体，在开机相对短的时间内就能正常工作。当浓度发生变化时，也比其它检测方法能及时做出响应。某些气体检测方法的检测元件工作时、会因为检测元件发热温度升高等因素使得测量不准确。而红外吸收原理检测气体是采用光信号，自身不会引起检测系统发热，系统工作稳定性好。（4）防爆性好红外吸收原理采用光信号作为检测工作的信号，它和以往采用的电信号不同。

40、它需要的电压低，在矿井、煤气站等有混合爆炸气体的场合，不会成为爆炸的点火因素，具有较好的防爆性。（5）信噪比高，使用寿命长、测量精度高采用红外吸收原理，产生的干扰信号小、有用信号明显、系统的信噪比高，具有测量精度高、使用寿命长的优点。（6）应用范围广红外吸收原理除了可以应用于气体检测，在石油、纺织行业中对石油成分和比例分析，纺织产品的定性、定量分析；以及在红外热成像技术、红外机械无损探测探伤、物体的识别都得到广泛的运用；在军事上的红外夜视，红外制导、导航、红外隐身、红外遥测遥感技术等方面都取得到了很好的效果36。2.5 本章小结本章主要介绍了红外甲烷气体检测原理。不同的气体有着不同的吸收光谱，

41、根据朗伯比尔定律可知，当光通过气体时，透射光强是气体浓度、气体吸收系数和路径长度的函数。当气体吸收系数和路径长度一定时，通过分析光强的衰减量，既可推算出气体浓度。介绍了红外光谱的测量方法，包括谐波检测、直接吸收检测、差分吸收检测。最后总结了红外吸收原理的优点。- 10-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章 甲烷检测仪的硬件设计3.1 检测仪的设计要求（1）（2）（3）（4）（5）（6）检测仪电源：21V；测量的浓度范围：04%；测量精度：浓度值0.3%；测量稳定度：0.1%；显示速度：5s；声光报警：当前所测浓度超过预先设定的报警限时，发出声光报警信号；（7） 二线制通信：传输频率 20010

42、00Hz；（8） 报警限的修改：通过按键可以对报警限随时进行修改。3.2 检测仪的总体设计仪器主要分为两部分，光路系统和电路系统。光路系统中包括光源和探测器的选择和气室结构的设计。电路系统主要包括光源调制电路、基本放大电路、峰值检测电路、驱动显示电路、声光报警电路以及二线制输出电路几部分。系统的原理硬件图如 3-1 所示：PIC16F877A555外接晶振声光报警光源调制电源模块单片机传感器放大器图 3-1 系统的原理硬件图- 11-二线制输出ZLG7290LED显示哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3 光路系统的设计3.3.1 气室结构的设计红外气体传感器的基本测量原理是基于甲烷气体对红外波

43、长选择性的吸收。甲烷气体在 1.33m，1.66m，3.3m 这三处有较强的吸收，且在 1.33m和 1.66m 处的吸收系数比 3.3m 处的吸收系数要大几个数量级。但是对应1.33m 和 1.66m 的光源和探测器种类较少，虽然激光器是一种比较理想的光源，但由于其价格昂贵，限制了它的应用。基于以上原因我们选择用甲烷气体在 3.3m 处的吸收峰作为传感器的波长。由于其他气体对光也存在吸收和散射，因此通过气室后出射的光强不但与待测气体的吸收有关，而且与其他气体的吸收和散射也有关。为了消除其他气体对测定的影响，一般采用差分吸收测量法。差分吸收法可采用单波长双光路法来实现，也可以采用双波长单光路法来实现。对于单波长双光路来说，必须保证两条光路严格的可参比性，对元器件的要求很高，两套光路、电路的差异无法真正消除，单波长光源的发光光谱带宽要小，中心波长会随温度升高而变化，要严格控制光源的外壳温度及内核温度，使光源波长与吸收峰对准，此方案的精度不高。为此我们采用双波长单光路法。在对传感器的调试中发现无气室时，红外辐射向四周发散，探测器的信号幅值较小，同时周围背景光、气流的变化都会对探测器信号产生干扰。而有气室时，探测器信号强度和稳定性明显加强，所以合理的气室结构是甲烷检测仪的重要组成部分。综合分析测量的各方面要求，最后采用开放式气室结构，省去