非分光红外甲烷浓度检测仪的研制

【摘要】： 以矿井下甲烷气体为检测目标,设计出一种基于非分光红外吸收原理的气体检测仪。目前国内用于甲烷探测的设备普遍存在着体积大、成本高以及反应时间慢等问题。基于红外吸收原理的甲烷浓度检测仪,具有响应速度快、不易中毒、防燃防爆等优点,拥有良好的发展前景。 气体传感器的设计是本设计的重点和难点。通过分析甲烷气体分子的特征吸收谱线选择3.31μm作为甲烷的特征吸收波长,引入参比波长4.0μm对测量结果进行修正,使精度和稳定性明显提高。选择波长覆盖至4.4μm高稳定性的白炽灯和双通道的热释电探测器作为传感器的红外光源和探测器。传感器的光路设计采用单波长双光路,综合考虑响应时间、灵敏度、稳定性以及信号强度等因素,在实验的基础上来确定光源调制频率以及气室的结构。增加气室温控电路补偿环境温度对检测结果造成的影响。 为了放大和提取传感器输出的微弱信号,设计了滤波器、锁相放大器以及软件滤波程序。以单片机PIC16F877为核心的检测系统用以实现数据的采集与处理以及显示与传输,包括A/D转换、报警值的在线修改与存储、数码管显示、声光报警以及二线制传输等功能。 大量的实验用以分析影响系统稳定性的主要因素有随机干扰、外界光照以及温度,并找出有效的解决方案。最后进行甲烷气体的检测实验以及不确定度分析。 【关键词】：甲烷 红外吸收原理 气体传感器 检测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP216
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-12
• 1.1 课题背景7-8
• 1.2 几种常见的甲烷检测方法8-9
• 1.3 红外吸收型气体检测仪器的发展趋势9-10
• 1.4 主要研究内容10-12
• 第2章 红外甲烷检测仪的原理12-17
• 2.1 红外辐射现象12-13
• 2.2 甲烷（CH_4）气体分子的吸收谱线13
• 2.3 朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律13-14
• 2.4 差分吸收技术14
• 2.5 微弱信号检测技术14-16
• 2.6 本章小结16-17
• 第3章 甲烷气体传感器的设计17-25
• 3.1 红外光源的选择17-18
• 3.2 红外热释电探测器18-19
• 3.3 光源的调制19-21
• 3.4 气室的研究21-24
• 3.5 本章小结24-25
• 第4章 红外甲烷浓度检测仪的设计实现25-43
• 4.1 PIC 单片机简介25-26
• 4.2 电源模块设计26-27
• 4.3 光源调制电路27-28
• 4.4 信号调理电路设计28-31
• 4.5 A/D 转换模块31-32
• 4.6 气室温控电路设计32-33
• 4.7 输入、输出功能模块设计33-36
• 4.8 检测系统软件设计36-42
• 4.9 本章小结42-43
• 第5章 实验及误差分析43-50
• 5.1 干扰分析43-45
• 5.2 气体检测实验45-47
• 5.3 不确定度分析47-49
• 5.4 本章小结49-50
• 结论50-51
• 参考文献51-54
• 附录 气室结构图54-55
• 攻读学位期间发表的论文55-57
• 致谢57

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