紅外吸收型氣體傳感器

1、目錄 一、目的和意義 二、含義及主要分類 三、原理分析 四、甲烷濃度檢測儀 五、實驗分析 六、最新消息一、目的和意義 眾所周知，氣體與我們的日常生活緊密相關，隨著科學技術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、資源開發(fā)以及環(huán)境保護等方面的作用越來越大。二、含義及主要分類定義：氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人定義：氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用信息的裝置。員、儀器儀表、計算機等利用信息的裝置。主要產(chǎn)品：主要產(chǎn)品：1、半導體氣體傳感器、半導體氣體傳感器2、電化學氣體傳感器、電化學氣體傳感器3、催化燃

2、燒式氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器4、固體電解質(zhì)氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器.紅外氣體傳感器紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。特點：應用廣泛靈敏度高穩(wěn)定性好不易中毒.三、原理分析紅外光譜法紅外光譜法由于不同氣體具有自己獨特的分子結構，即具有自己的紅外吸收光譜帶，并且氣體對紅外光的吸收強度也與其濃度有關，濃度越大，氣體對紅外光的吸收強大越大。因此通過檢測通過氣體室前后的光強即可測得氣體的濃度。 Lambert-Beer定律待測氣體對紅外光的吸收服從Lamb

3、er-Beer定律，入射光強度I和出射光強度I關系表達式如下： I()=I()exp(-KCL) 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的值是確定的范圍：(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 熒光和光化學現(xiàn)象發(fā)生基本測量方法1、直接吸收檢測法2、差分檢測法單波長雙光路法單波長雙光路法紅外光源發(fā)出的光分成兩路分別進入待測氣體室和參考氣體室，參考氣體室內(nèi)一般裝入的是不含待測氣體的空氣。C為參考氣體室中待測氣體的濃度，所以C=0.兩個氣體室的紅外

4、光由同一光源發(fā)出，并且通過氣體室前的光強相同，即)exp()()()exp()()(0201LKCIIKCLII)()()()()exp(0201IIIIKCL)()(00II)()()exp(21IIKCL從而可得從而可得)()(ln112IIKLC 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漂移等因素對兩路實驗的影響是相同的，

5、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，從而提高了檢測結果的準確性的誤差，從而提高了檢測結果的準確性。雙波長單光路法傳感器的結構設計傳感器的結構設計優(yōu)點：(1)選擇性好(2)不易受有害氣體的影響而中毒、老化(3)響應速度快、穩(wěn)定性好(4)防爆性好(5)使用壽命長、應用范圍廣四、甲烷濃度檢測儀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，然而隨著氣室長度的增加，探測器輸出的強度也逐漸減小。考慮到上述兩方面的要求，氣室的長度定為 4c

6、m。2、光源選擇 激光紅外光源、發(fā)光二極管、白熾燈 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，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。系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計3、紅外探測器的選擇 紅外光子探測器：光導探測器、光伏探測器、光電磁探測器 紅外熱探測器：熱敏電阻型探測器、熱電偶型探測器、熱釋電型探測器。 光子探測器具有波長的選擇性，光譜響應范圍比較小，單一種類的光子探測器不太適合多波段紅外光的測量。熱

7、釋電探測器具有探測率高、頻率響應范圍寬、響應速度快等優(yōu)點，因此甲烷傳感器采用雙光路熱釋電探測器 PYS 3228。 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。 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、光源驅動電路、基本放大電路、驅動顯示電路ZLG7290、聲光報警電路、人機接口電路和光源驅動電路。硬件電路硬件電路光源驅動電路

8、采用 555 定時器發(fā)出 1Hz的方波來驅動光源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串行總線標準。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。聲光報警電路NPN三極管采用9013進行驅動,其中Rl一R4為限流電阻，防止蜂鳴器和發(fā)光二極管電流過大燒壞元器件。軟件設計軟件設計主要為：驅動程序、顯示程序、數(shù)據(jù)處理程序、儀表功能程序五、實驗分析系統(tǒng)零點標定實驗使用純氮氣進行零點標注。向氣室內(nèi)通入一定時間的氮氣后，氣室內(nèi)的CH4氣體濃度將會變?yōu)镺，此時的傳感器輸出電壓值即

9、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。系統(tǒng)重復性實驗所謂重復性是指在相同測量條件下，對同一被測量進行連續(xù)多次測量所得結果之間的一致性。在同一標氣和環(huán)境溫度條件下對該分析儀進行重復性分析。采用2%的甲烷標準氣體通入檢測氣室，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)，十次測量平均值：011.210.1021xxxx1)()(12nxxxnii把測量數(shù)據(jù)代入得到標準差值等于0.0195正態(tài)分布值均勻，儀器測量重復性好，滿足實際測量要求。系統(tǒng)準確性實驗選用幾種不同濃度的標準甲烷氣體(0一5%)來檢測該儀表的準確度，如下表所示為同一溫度環(huán)境下不同濃度的標

10、準CH4氣體測量數(shù)據(jù)表從上表可以看出，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的要求。六、最新消息高性能模擬IC和傳感器供應商艾邁斯半導體(ams AG)本月宣布D-Link推出的新型帶攝像頭Komfy開關選用其iAQ-core室內(nèi)空氣質(zhì)量模塊。iAQ-core 是一款小型的低功率氣體傳感器模塊，可非常精確地檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量。它采用基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的VOC傳感元件，可通過一個I2C接口輸出以ppb為單位的總揮發(fā)性有機物(TVOC)含量和以ppm為單位的CO2等效值，以此來反應室內(nèi)環(huán)境中常見的污染物的環(huán)境變化水平。日前，Cambridge CMOS Sensors(CCS)即推出了其超低功耗微型氣體傳感器產(chǎn)品系列CCS800的首款數(shù)字產(chǎn)品CCS811，該款產(chǎn)品主要用于監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量。據(jù)了解CCS811將金屬氧化物氣體傳感器和微控制器子系統(tǒng)集成在一起，從而使得智能手機、可穿戴設備和聯(lián)網(wǎng)家用設備能夠實現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量(Indoor Air Quality，IAQ)監(jiān)測，并簡化了設計，延長了電池續(xù)航時間，縮減了系統(tǒng)成本。該傳感器基于CCS獨有的微加熱板技術，與傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器相比，CCS811提供高度可靠的氣體傳感器解決方案，以及快速的測試周期，顯著地降低了