紅外吸收型氣體傳感器(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上紅外吸收型氣體傳感器1 引言眾所周知，氣體與我們的日常生活緊密相關(guān)，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人民生活水平的不斷提高，氣體檢測在人們?nèi)粘Ｉ?、農(nóng)作物種植、化工行業(yè)、資源開發(fā)以及環(huán)境保護等方面的作用越來越大。從而對氣體檢測方法的研究也越來越重要，基于紅外吸收型原理的氣體檢測方法具有可檢測多種氣體、使用壽命長、體積小、安全性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此對基于紅外吸收原理的氣體檢測系統(tǒng)的研究具有重要的實際意義。2 原理分析2.1 紅外光譜法紅外光譜法吸收法是利用不同氣體具有自己獨特的分子結(jié)構(gòu)，對紅外光具有特定吸收譜這一特性來實現(xiàn)的，也即是不同的氣體對某一特定波段的紅外光具有吸收能力。

2、而這個特定波段紅外光就稱為該氣體的紅外吸收峰，不同的氣體的紅外吸收峰是不一樣的，即使在混合氣體環(huán)境中各氣體之間的紅外吸收也不會相互干擾。這種性質(zhì)不會因外界條件的改變的改變而改變，某一待測氣體吸收的能量大小與該氣體在紅外光區(qū)內(nèi)的濃度有關(guān)，濃度越大吸收能量越多?？梢岳眠@一特性來對物質(zhì)進行定性和定量分析。因此，可以通過檢測紅外光的強度的變化來檢測氣體的濃度。 圖1 不同氣體的吸收光譜圖Fig.1 The absorption spectrum of different gases 2.3 Lambert-Beer定律當(dāng)紅外光通過氣體時，在相應(yīng)頻率處就會產(chǎn)生能量衰減，而能量的衰減程度又與氣體濃度大小

3、有關(guān)，通過分析紅外光的衰減程度，即可推算出待測氣體濃度。待測氣體對紅外光的吸收服從Lamber-Beer定律。入射光強度I和出射光強度I關(guān)系表達式如下： I()=I()exp(-KCL) (1)I():出射光強度 I():入射光強度 K:比例系數(shù) C:待測氣體濃度 L:紅外光透過氣體的厚度對于一個固定的氣體室來說，K和L的值是確定的。其適用范圍為：(1)吸光質(zhì)點之間無相互作用。(2)吸光物質(zhì)為均勻非散射體系。(3)輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收，無熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生。2.4 基本測量方法紅外光譜吸收氣體濃度檢測的基本方法主要分為：直接吸收檢測法、差分檢測法。差分檢測法又分為：單波長雙光路法

4、和雙波長單光路法。直接吸收檢測法：這是一種最簡單的紅外吸收檢測方法，將待測氣體直接通入氣室內(nèi)，當(dāng)紅外光源發(fā)出的紅外光通過氣室時，用紅外探測器檢測光強前后的變化，在沒有通入待測氣體時檢測紅外光的強度I，通過待測氣體時檢測紅外光的強度I，通過計算前后光強的差值來確定待測氣體的濃度。基本檢測流程框圖如圖2所示圖2 直接吸收檢測法基本流程框圖Fig.2 The basic flow chart of direct absorption method這種方法簡單、易做。但是系統(tǒng)光路和電路中，光源的不穩(wěn)定，環(huán)境(振動和溫度)的影響，電路中元器件的漂移都會不同程度的降低系統(tǒng)的檢測靈敏度。檢測精度比較低。單波

5、長雙光路法：基本原理如圖3所示，紅外光被分成兩束光分別進入檢測氣室和參考?xì)馐?。參考?xì)怏w室內(nèi)一般裝入的是不含待測氣體的空氣。因為通入氣體室的紅外光來自同一光源，并且檢測通過氣體室后的紅外光強的傳感器特性相同，所以由于紅外光源的波動、溫度漂移、器件的漂移等因素對兩路實驗的影響是相同的，待測氣體的濃度的大小與二者的比值成正比，這樣以上因素對兩路信號的影響就抵消掉了，降低了測量的誤差，從而提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖3 單波長雙光路法基本流程框圖Fig.3 Single wavelength double beam method basic flow diagram由Lamber-Beer定律可知 (2

6、)C為參考?xì)怏w室中待測氣體的濃度，所以C=0.兩個氣體室的紅外光由同一光源發(fā)出，并且通過氣體室前的光強相同，即 (3)則由式(2)中兩式相比可得 (4)但是對于單波長雙光路來說，必須保證兩條光路嚴(yán)格的可參比性，對元器件的要求很高，兩套光路、電路的差異無法真正消除，單波長光源的發(fā)光光譜帶寬要小，中心波長會隨溫度升高而變化，要嚴(yán)格控制光源的外殼溫度及內(nèi)核溫度，使光源波長與吸收峰對準(zhǔn)，此方案的精度不高。雙波長單光路法：基本原理如圖4所示，兩種不同波長的紅外光通過充滿被測氣體的氣室。經(jīng)過參考濾光片后的光氣體不吸收，經(jīng)過測量濾光片后的光為強吸收波長。由于兩路光通過同一光路，所以外界影響相同，相對單波長雙

7、光路法更精確。數(shù)據(jù)采集處理參考濾光片探測器氣室光源測量濾光片圖4 雙波長單光路法基本流程框圖Fig.4 Dual wavelength single beam method basic flow diagram綜合以上論述，我們采用雙波長單光路法。2.5 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖5是傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。圖中防塵罩主要作用是過濾氣體中的顆粒物，以免影響測量結(jié)果。其中紅外探測器分為參考端和測量端。圖5 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Sensor structure diagram3 甲烷濃度檢測儀3.1 系統(tǒng)設(shè)計1、氣室長度為了提高傳感器的靈敏度，需要盡量增加氣室的長度，以保證紅外輻射被氣體充分吸收，然而隨著氣室

8、長度的增加，探測器輸出的強度也逐漸減小?？紤]到上述兩方面的要求，氣室的長度定為 4cm。2、光源選擇德國PerkinElmer公司的IRL715中紅外光源,是一種白熾燈泡，它發(fā)出的光覆蓋可見光到4.4m的波段，由于甲烷在 3.3m 附近存在強吸收峰，所以它適合作為紅外甲烷氣體傳感器的紅外輻射激勵源。直徑只有3.17mm，采用玻璃封裝，額定工作電壓為5V額定電流為115mA。3、紅外探測器的選擇根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類。光子探測器具有波長的選擇性，光譜響應(yīng)范圍比較小，單一種類的光子探測器不太適合多波段紅外光的測量。熱釋電探測器具有探測率高、頻率響應(yīng)范圍寬、響應(yīng)

9、速度快等優(yōu)點，因此甲烷傳感器采用雙光路熱釋電探測器PYS3228。 PYS 3228 是具有參考通道和測量通道的雙路熱釋電探測器。其內(nèi)部集成了兩個將紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電壓信號的焦熱電元件，在封裝外殼開了兩個窗口，在兩個焦熱電元件前分別裝配了兩個窄帶濾光片，中心波長分別為3.39m和4m。3.2 硬件電路紅外吸收型甲烷濃度測量儀以美國微芯公司的PIC16F877 單片機為控制核心。整體電路主要以下幾部分組成：MCU、系統(tǒng)電源電路、光源驅(qū)動電路、基本放大電路、驅(qū)動顯示電路ZLG7290、聲光報警電路、人機接口電路和光源驅(qū)動電路。如圖6所示。圖6 硬件電路框圖Fig.6 Hardware circu

10、it diagram光源驅(qū)動電路：采用555定時器發(fā)出1Hz的方波來驅(qū)動光源。圖7 光源驅(qū)動電路Fig.7 The light source driving circuit通信電路：在要求通信趾離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS一485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS一485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至20OmV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。3.3 軟件設(shè)計主程序主要為：驅(qū)動程序、顯示程序、數(shù)據(jù)處理程序、儀表功能程序。數(shù)據(jù)處理程序儀表功能程序顯示程序驅(qū)動程序屏幕校準(zhǔn)時間設(shè)定參數(shù)查閱數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集菜單顯示字庫顯示驅(qū)動光源驅(qū)動圖8

11、 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The system software structure diagram開始初始化是否中斷 否是否修改報警界限采樣 是 否 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為濃度 是中斷返回顯示濃度聲光報警是否達到報警界限輸出顯示修改界限 否 是圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart4 實驗分析4.1 系統(tǒng)零點標(biāo)定實驗使用純氮氣進行零點標(biāo)注。向氣室內(nèi)通入一定時間的氮氣后，氣室內(nèi)的甲烷氣體濃度將會變?yōu)镺，此時的傳感器輸出電壓值即為儀器的零點電壓值，將此電壓值存入系統(tǒng)存儲器內(nèi)，供數(shù)據(jù)處理調(diào)用。4.2 系統(tǒng)重復(fù)性實驗所謂重復(fù)性是指在相同測量條件下，對同一被測量進行連續(xù)多次測量所得結(jié)果

12、之間的一致性。在同一標(biāo)氣和環(huán)境溫度條件下對該分析儀進行重復(fù)性分析。采用2%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體通入檢測氣室，等待系統(tǒng)運行正常的情況下，每分鐘一記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄十組數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如表1所示。表1 重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Repeat the test data十次測量平均值： (5) (6)把測量數(shù)據(jù)代入得到標(biāo)準(zhǔn)差值等于0.0195,正態(tài)分布值均勻，儀器測量重復(fù)性好，滿足實際測量要求。4.3 系統(tǒng)準(zhǔn)確性實驗選用幾種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體(0一5%)來檢測該儀表的準(zhǔn)確度，如下表所示為同一溫度環(huán)境下不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體測量數(shù)據(jù)表。表2準(zhǔn)確性實驗數(shù)據(jù)Tab.2 The accuracy of ex

13、perimental data從上表可以看出，系統(tǒng)絕對誤差最大值為0.04，相對誤差最大值為0.9%，滿足氣體檢測儀性能指標(biāo)的要求。5 結(jié)論本文在紅外吸收原理的基礎(chǔ)上總結(jié)國內(nèi)外的研究經(jīng)驗，設(shè)計了紅外吸收型氣體傳感檢測系統(tǒng)，并且以甲烷濃度分析儀為對象作了具體介紹。簡要介紹了幾種測量方法及各自優(yōu)缺點，最終選擇了單波長雙光路法。經(jīng)過反復(fù)實驗驗證，證明該紅外吸收型氣體傳感系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，在精度、使用壽命、準(zhǔn)確度上均達到理想效果。并且整體系統(tǒng)還具有功耗低、操作簡單等優(yōu)點。參考文獻：1 王曉東.基于紅外吸收型二氧化碳濃度分析儀設(shè)計D.鄭州:鄭州大學(xué),20102 梁永直,李卯東,夏路易,王正.紅外甲烷傳感

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