基于MEMS红外光源的长光程甲烷气体检测系统设计

【摘要】：随着国民经济的快速发展，由石油化工、电力电气以及煤炭行业等产生的大量工业废气对环境的污染越来越严重。由此而产生的温室效应、酸雨以及大气臭氧层空洞等大气污染现象早已屡见不鲜。近年来，人们对生活环境与健康状况的关注意识日趋增强，对空气质量的检测也提出了更高的要求。如何及时、准确地实现易燃、易爆以及有毒有害气体的高灵敏度、高可靠性检测愈来愈引起人们的关注。因此，设计出一种具有灵敏度高、响应速度快、制备工艺简单以及价格低廉等特性的智能化便携式红外气体传感器具有重大意义。 本课题以甲烷作为目标气体，研究了易燃、易爆以及有毒有害气体的高灵敏度红外检测系统。该检测系统基于红外光谱吸收原理，结合双波长单光路的差分检测方法，采用了一种具有波长范围宽、调制频率高、寿命长等特点的小体积微机电系统（Micro-Electro-Mechanic System, MEMS）红外光源作为红外辐射源，以积分球为吸收气室，有效地实现了甲烷气体浓度的高精度检测。 本论文的主要研究内容如下： （1）与传统的红外光源相比较，MEMS红外光源具有体积小、波长覆盖范围宽、调制频率高、价格低廉等优点，很好地满足了红外检测系统对于光源的要求。然而，由于MEMS红外光源为具有郎伯分布的面光源，能量太过于分散，导致可以直接利用的光能量太少。要想使其更好地应用于红外传感系统中，尽可能发挥出其自身的优势，就需要对MEMS红外光源的光场进行一定的整形以收集红外能量。本论文研究出了两种不同的光学系统：基于自由曲面反光杯的光学系统和基于非球面准直透镜的光学系统，并使用光学设计软件TracePro与Zemax分别建立了仿真模型对上述设计理论结果进行验证。最终使得MEMS红外光源的发散角度从180°压缩到了15°左右，大大提高了红外光能量的利用效率。 （2）采用积分球作为气体吸收气室，光线进入内壁涂有高反射率膜材料的积分球后，在球壁之间来回反射，有效增加了红外光与被测气体的有效作用距离，从而提高了红外传感系统的检测灵敏度及精度。但是，红外光波在积分球内的每一次传播都具有随机性，很难像计算传统气室有效光程那样，将光波反射次数与气室的基本长度作乘法运算就能够得出光波与被测气体的有效传播距离。本论文中建立了积分球吸收气室的数学模型，根据光在传输过程中光通量守恒的原理，推导出了积分球吸收气室的等效光程，解决了积分球气室等效光程的计算难题。 （3）提出了传感系统的外围电路设计方案，为后续研制出完整的红外检测系统奠定了一定的基础，主要包括MEMS红外光源的驱动电路、信号调理电路、A/D转换控制电路以及整个电路系统的供电电路等模块。通过FPGA芯片产生的脉压调制信号实现了MEMS红外光源的有效驱动，并对红外探测器输出的双路电压信号进行滤波和放大处理后，经A/D转换控制模块将其模拟量转换为了数字量，最后通过USB传输模块将数字量上传给上位机进行数据处理及显示，并介绍了整个电路系统的供电模块。 【关键词】：红外光谱吸收原理 MEMS红外光源 积分球吸收气室 FPGA主控芯片
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X831;X84
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 甲烷气体传感器的分类及检测原理12-15
• 1.2.1 热导式气体传感器13-14
• 1.2.2 载体催化燃烧式气体传感器14
• 1.2.3 光干涉式气体传感器14-15
• 1.2.4 光谱吸收型气体传感器15
• 1.3 红外光谱吸收型气体传感器的研究现状15-19
• 1.3.1 国外红外光谱吸收型气体传感器的发展15-17
• 1.3.2 国内红外光谱吸收型气体传感器的发展17-19
• 1.4 论文主要内容与结构19-21
• 第二章 红外光谱吸收型甲烷气体浓度的检测原理21-35
• 2.1 气体的能级结构以及吸收光谱21-27
• 2.1.1 气体的能级结构21-24
• 2.1.2 气体的吸收光谱24-27
• 2.2 甲烷分子的吸收谱线及其强度比较27-29
• 2.2.1 甲烷分子的吸收谱线27
• 2.2.2 甲烷分子吸收谱线的强度比较27-29
• 2.3 郎伯-比尔吸收定律29-30
• 2.4 甲烷浓度的差分吸收检测原理30-33
• 2.4.1 单波长双光路差分吸收检测方法30-32
• 2.4.2 双波长单光路差分吸收检测方法32
• 2.4.3 双波长双光路差分吸收检测方法32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 MEMS 红外光源及其光场整形35-53
• 3.1 红外光源的类型及特点35-36
• 3.2 MEMS 红外光源的特性及优点36-37
• 3.3 MEMS 红外光源的光场整形37-51
• 3.3.1 基于自由曲面反光杯的光学系统设计38-44
• 3.3.2 基于非球面准直透镜的光学系统设计44-51
• 3.4 两种光学系统的评价51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 长光程吸收气室的结构设计及研究53-63
• 4.1 常见的几种长光程气室结构53-56
• 4.1.1 White 型气室53-54
• 4.1.2 Herriott 型气室54
• 4.1.3 Chernin 型气室54-55
• 4.1.4 其他55-56
• 4.2 积分球气室56-60
• 4.2.1 积分球气室模型57
• 4.2.2 积分球气室等效光程推导57-60
• 4.3 积分球吸收气室的灵敏度和分辨率60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 硬件电路设计63-73
• 5.1 红外光源驱动模块电路设计63-65
• 5.2 信号调理模块电路设计65-68
• 5.2.1 低通滤波及电压跟随电路65-67
• 5.2.2 参考通道信号放大电路67-68
• 5.2.3 检测通道信号放大电路68
• 5.3 A/D 转换模块电路设计68-69
• 5.4 电源管理模块电路设计69-70
• 5.5 USB 数据传输模块电路设计70-72
• 5.6 本章小结72-73
• 第六章 总结和展望73-75
• 6.1 全文总结73
• 6.2 工作展望73-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所得的研究成果80-81
• 致谢81-82

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

光纤气体传感器的研究    阎卫平,刘文琦,牛德芳,汤素芬

光纤乙炔气体检测系统的研究    刘泉,林海燕

吸收式环境气体光纤传感器    王莉田，史锦珊，王玉田

电化学式气体传感器的研究进展    陈长伦,何建波,刘伟,刘锦淮

甲烷气体多点光纤传感系统的研究    王玉田,李晓昕,刘占伟,郭媛,王书涛,车仁生

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,郭增军,王莉田

新型多功能矿用危险气体传感器的研究    张雷;尹王保;董磊;李霖峰;窦海鹏;贾锁堂;

基于红外光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感网络    吴晓军;王鹏;王志斌;李晓;田二明;

基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究    张记龙;王鹏;王志斌;李晓;王智文;

电调制非分光红外瓦斯传感系统设计    赵正杰;刘东旭;张记龙;王志斌;李晓;田二明;

双原子分子电子态振动跃迁F-C因子的计算    陈翠微

光谱吸收式光纤气体传感器分辨率研究    李双喜;

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

复合线阵推扫偏振成像技术研究及方案设计    王峰;洪津;杨伟峰;乔延利;

光纤光栅式甲烷浓度差分检测系统研究    管立君;张景超;褚衍平;刘宇蕾;

光纤气体传感网络的研究进展    余贶琭;吴重庆;郭旋;王智;王拥军;

基于可调谐半导体激光器的甲烷气体监测技术    韦云波;印新达;江山;董雷;

连续半导体激光器单条阵列老化筛选系统    任永学;邓海丽;程义涛;王晓燕;

基于全光缓存器的光纤传感甲烷多点监测系统    余贶琭;吴重庆;王智;刘锐;王俏;

聚合物光纤的泛频吸收理论分析    张劲松,王智,赵玉成,魏道平,裴丽,简水生

基于可调谐近红外二极管激光波长调制光声光谱    李劲松;高晓明;刘锟;方黎;张为俊;

基于数字核心控制模块的工业有毒气体实时在线监测仪    张志荣;董凤忠;王煜;庞涛;吴边;涂郭结;夏滑;倪志波;杨阳;徐明明;

测试CCD相机MTF的理论与方法    李文娟;齐超;张元;戴景民;

水中气泡的图像识别技术    宁辉;唐远河;解光勇;刘汉臣;邵建斌;

双棱镜测波长的实验研究及新设计    翟建才;马显光;

光纤瓦斯传感器    王允韬;蔡海文;耿建新;方祖捷;

光学表面粗糙度的全积分测量法研究    张贵彦;袁宏韬;缪同群;

采用稳频DFBLD光源的光谱吸收式甲烷光纤检测系统研究    王书涛;

矿井瓦斯浓度光纤检测网络    张记龙;阎鹤;王志斌;李晓;田二明;刘智超;

光谱吸收型CO气体传感器的研究    王晓丽;刘瑾;周浔;

光纤光栅多参数传感理论技术研究及在地下工程灾害监测中的应用    王静

基于吸收光谱法的光纤气体传感器及传感网络    余贶琭

提高光电自准直仪分辨力和示值稳定性的研究    张俊杰

碳纳米管薄膜气敏元件的制备及敏感性研究    刘力涛

连续波腔衰荡光谱技术特性及在气体浓度测量中应用研究    杨秋霞

基于cryptophane修饰SiO_x纳米线的荧光猝灭型化学传感器研究    陶传义

表面缺陷视觉在线检测关键技术研究    韩芳芳

基于光纤环衰荡方法的分布式气体监测系统研究    范典

常规弹药引信脉冲激光与磁复合近程方位探测系统关键技术研究    冯颖

二氧化碳等分子的高分辨低温基质隔离光谱研究    杜军和

N_2分子的Frank-Condon因子的计算    王毅楠

基于嵌入式Linux的红外呼气酒精检测系统的研究及开发    熊业攀

基于红外吸收型CO_2浓度分析仪设计    王晓东

数字化光纤气体检测系统方案研究    杨蕊

近红外光纤甲烷气体检测系统方案设计与实现    石建中

WCDMA-RNC告警相关性研究    张玉玲

基于MSP430单片机的气体传感器批量测试系统    宋玲

钠原子主线系能级精细结构的多体微扰计算    陈笋

基于激光测距技术的车载气瓶水压试验研究    尚文

基于光谱吸收法的乙烯气体浓度检测系统研究    杨雪玲

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

面向投影仪的LED阵列单位Etendue光通量的研究    罗滔;钱可元;罗毅;

吸收式环境气体光纤传感器    王莉田，史锦珊，王玉田

吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,郭廷荣,王莉田,侯培国

氧传感器的原理与进展    杨邦朝,简家文 ,段建华 ,张益康

激光空间通信中的天线研究    葛林，邱昆，唐明光

半导体p+n型气体传感器原理    王毓德,吴兴惠,李艳峰,周桢来

甲烷气体多点光纤传感系统的研究    王玉田,李晓昕,刘占伟,郭媛,王书涛,车仁生

气体滤波相关技术在红外甲烷监测系统中的应用    陈晓宁;刘建国;司福祺;刘文清;

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,郭增军,王莉田

基于透射型自由曲面理论的均匀照明设计方法研究    汪巍

基于红外光源的人眼快速定位与跟踪    吴林托;徐向东;

钢轨磨耗参量检测装置中线状红外光源的研制    蒋志勇;王东妹;

紫外红外光源科研成果令人欣喜    杨军

硅基微机械红外光源的设计和制备    程美英

MEMS热辐射红外光源的研究    胡绘钧

窄带红外光源设计与制备    赵二景

基于MEMS红外光源阵列的光电标识技术研究    关新锋

高电光转化效率MEMS红外光源的制备及其性能研究    田英

MEMS气体传感器用红外光源研究    任耀辉

基于MEMS红外光源的长光程甲烷气体检测系统设计    杜彬彬

MEMS红外光源阵列的编码调制与光电标识特性研究    李佩青

MEMS器件深槽侧壁形貌测试方法研究    李明