畢業(yè)論文：紅外CO₂濃度傳感器性能優(yōu)化設(shè)計

畢 業(yè) 論 文
（科 學(xué) 研 究 報 告）
題 目 紅外CO₂濃度傳感器性能優(yōu)化設(shè)計
院(系)別 機電及自動化學(xué)院
專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器

摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對溫室氣體關(guān)注的日益提高，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等諸多方面都越來越需要對CO₂ 氣體的濃度進行監(jiān)測與控制。目前使用的CO₂ 氣體濃度分析方法主要有電化學(xué)法、電氣法、色譜法、光學(xué)吸收法等。其中紅外吸收法因其靈敏度高，精度高，響應(yīng)快，體積小，可靠性高，壽命長，可以實現(xiàn)連續(xù)分析等諸多優(yōu)點正在成為目前CO₂氣體濃度測量領(lǐng)域發(fā)展的新方向。
論文從CO₂濃度探測器的背景和現(xiàn)實意義開始，詳細介紹了CO₂探測器的各個方面，探討了研制CO₂濃度探測器的意義與基于NDIR的CO₂濃度探測器的實現(xiàn)原理。論文介紹了基于NDIR 的CO₂濃度探測器中的紅外光源與紅外探測器的選擇，并詳細介紹了紅外光源與紅外探測器的選擇理由以及性能�；贜DIR的CO₂濃度探測器的核心器件為MIRL17-900紅外光源與TPS2534紅外探測器。在這兩個核心器件的基礎(chǔ)上，論文介紹了光源調(diào)制的選擇，實驗氣室的設(shè)計，后續(xù)放大濾波電路的設(shè)計與制作，單片機系統(tǒng)設(shè)計以及擴展電路的設(shè)計。
本文通過分析CO₂濃度紅外檢測技術(shù)原理和方法, 給出了其硬件實現(xiàn)的系統(tǒng)方案。該裝置采用了新型脈沖調(diào)制紅外光源，減少傳統(tǒng)光源不穩(wěn)定性對系統(tǒng)精度的影響。并通過高精度的A/D 轉(zhuǎn)換電路和放大電路對其產(chǎn)生的信號進行采集。以AT89C52單片機為中心的處理系統(tǒng)對信號進行處理后，將實時地顯示出CO₂濃度值。

關(guān)鍵詞：紅外探測器，紅外光源，非分紅外，二氧化碳

ABSTRACT
Along with the development of science and technology and people to the attention of the greenhouse gases is increasing day by day, in the industrial production and daily life and many aspects that need more and more of the concentration of the gas CO₂monitoring and control. Current use of CO₂gas concentration analysis method mainly have electrochemical, electrical method, chromatography, optical absorption method, etc. Infrared absorption method of because of its high sensitivity, high precision, fast response, small size, high reliability, long life, can
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　 1.4.1 本課題研究的意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.4.2 本課題主要工作．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

第二章 紅外CO₂氣體探測基本原理 7
2.1 紅外輻射及其特點 7
2.2 紅外吸收原理 7
2.3 CO₂對紅外光的檢查原理 9
2.4 基于NDIR的CO₂探測器原理 11
　　　　2.4.1紅外吸收氣體檢查的構(gòu)成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
2.4.2紅外吸收原理的優(yōu)點 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

第三章 CO₂探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及光路設(shè)計 14
3.1 紅外光源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.1.1 系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.1.２ 激光紅外光源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
3.2 氣室設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
3.3 紅外探測器及選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
3.3.1紅外熱探測器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
3.3.2紅外光探測器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
3.3.3紅外探測器的確定 23

第四章 檢測硬件電路設(shè)計 25
4.1 信號檢測電路與優(yōu)化設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
　　4.1.1 光源驅(qū)動電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
　　4.1.2放大濾波電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
4.1.3 檢測電路原理圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
4.2軟件系統(tǒng)的原理圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26

第五章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 27
5.1 本設(shè)計的主程序流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
5.1.1 軟件系統(tǒng)原理圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
　　　　　　5.1.2 軟件系統(tǒng)PCB．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
5.2 系統(tǒng)各模塊軟件設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
5.2.1 顯示模塊．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
5.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
5.3 軟件調(diào)試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35

第六章 實驗總結(jié)與展望………………………………………………………..36


參考文獻

附錄

致謝









第一章 緒論
1.1 選題的背景和現(xiàn)實意義
隨著人類社會的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平得到了迅速提高，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也迅速擴大，但同時導(dǎo)致了二氧化碳的排放成倍增長，如溫室效應(yīng)，土地荒漠化程度加速等，嚴重影響并破壞著人類的生存環(huán)境。另外，二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量合適與否直接影響作物的生長。近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強，科技進步的進步，如何快速檢測二氧化碳的含量，削減二氧化碳的排放，已成為各級政府和廣大有識之士特別關(guān)注的問題。
近百年來，全球地面平均氣溫增加了0.3攝氏度~0.6攝氏度，20世紀80年代成為20世紀最熱的10年。全球氣候系統(tǒng)在短時期內(nèi)發(fā)生如此大幅度的變化，已經(jīng)并將繼續(xù)對自然生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響，進而威脅到人類的生存和發(fā)展。例如干旱和半干旱地區(qū)干早加劇，海平面上升、厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生頻率和強度的增加，以及暴雨、冰雹、洪水等災(zāi)害性和極端氣候事件影響范圍的擴大等。全球氣候變化將會給自然生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列的環(huán)境、經(jīng)濟、社會問題。
自1975年以來，地球表面的平均溫度已經(jīng)上升了0.9華氏度，由溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖已成了引起世人關(guān)注的焦點問題。學(xué)術(shù)界一直被公認的學(xué)說認為由于燃燒煤、石油、天然氣等產(chǎn)生的二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍首。溫室效應(yīng)會導(dǎo)致許多的可怕的后果，包括南北極冰川融化全球海平面上升等一系列嚴重的后果。全球海平面的上升將直接淹沒人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達的大陸沿海低地地區(qū)，因此后果十分嚴重。1995年11月在柏林召開的聯(lián)合國《氣候變化框架公約》締約方第二次會議上，44個小島國組成了小島國聯(lián)盟，為他們的生存權(quán)而呼吁。
此外，研究結(jié)果還指出，CO2增加不僅使全球變暖，還將造成全球大氣環(huán)流調(diào)整和氣候帶向極地擴展。包括我國北方在內(nèi)的中緯度地區(qū)降水將減少，加上升溫使蒸發(fā)加大，因此氣候?qū)②吀珊祷�。大氣環(huán)流的調(diào)整，除了中緯度干旱化之外，還可能造成世界其他地區(qū)氣候異常和災(zāi)害。例如，低緯度臺風(fēng)強度將增強，臺風(fēng)源地將向北擴展等。氣溫升高還會引起和加劇傳染病流行等。以瘧疾為例，過去5年中世界瘧疾發(fā)病率已翻了兩番，現(xiàn)在全世界每年約有5億人得瘧疾，其中200多萬人死亡。
所以說溫室效應(yīng)已是當(dāng)今世界公認的環(huán)境危機，減少溫室氣體的排放改善全球的環(huán)境需要每一個國家的努力。相信大家攜起手來一定能創(chuàng)造一個更加和諧更加美好的家園。
然而市場上絕大部分檢測裝置由于體積大、成本高而且經(jīng)常需要校準，不能滿足人們在日常生活中對環(huán)境中氣體濃度檢測的需求。所以也急需研制集成化、小型化和精度高的氣體檢測儀表，用以增強人們對環(huán)境的監(jiān)測能力。因此研究并設(shè)計二氧化碳檢測具有十分重要的意義。
1.2 氣體探測的方法
氣體分析的方法眾多，除了光學(xué)吸收法(紅外吸收法和紫外吸收法等)外，常用的
有：光干涉法，載體催化法，氣敏半導(dǎo)體法；紅外檢查法，以下簡要介紹：
1.2.1光干涉類型
利用光干涉檢測原理，可以測定多種氣體濃度，在煤礦中主要是測定甲烷和二氧化碳濃度。這類儀器利用甲烷的折射與空氣的折射不同而制成。由同一光源發(fā)出的兩束光
分別通過充有空氣的參比氣室和充有測量氣體的測量氣室后，再相遇時兩束光會產(chǎn)生干
涉條紋。待測氣體中瓦斯?jié)舛炔煌缮鏃l紋的位置就不同，根據(jù)干涉條紋的位置就可
以測定瓦斯的濃度。
光干涉型瓦斯檢測方法已在煤礦中使用了半個多世紀。與載體催化型原理相比，光
干涉型儀器不存在高濃度瓦斯沖擊或“激活”影響及中毒問題，使用壽命長。由于是采
用壓力法校準，無需標注氧氣，現(xiàn)場使用方便。
光干涉型瓦斯檢測儀也存在一些缺點，如受氧氣和二氧化碳含量的影響，選擇性較
差；受溫度與氣壓影響而產(chǎn)生誤差等。目前，把干涉信號進一步變成電信號還有一些困
難，因此光干涉型瓦斯檢測儀很少用于瓦斯遙測方面。
1.2.2載體催化類型
載體催化型檢測原理：甲烷和氧氣在載體催化元件表面反應(yīng)，放出反應(yīng)熱，使元件
溫度上升，元件的溫度增量將引起元件的電阻增加，通過測量電阻增量就可以測定甲烷
濃度。載體催化原理是目前實際應(yīng)用中性能較為有效和可靠的一種探測可燃性氣體濃度
的方法。
20世紀80年代初，世界各產(chǎn)煤國均先后完成了從傳統(tǒng)的光干涉型向載體催化型的過
度。該類儀器以其信號輸出易于處理、靈敏度高、響應(yīng)時間短、受濕度和溫度影響小、
結(jié)構(gòu)堅固、便于使用和價格低廉等一系列優(yōu)點，成為目前國內(nèi)外自動檢測瓦斯的主要儀
器。但是也存在測量范圍小、易受高濃度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零點漂移和靈敏
度漂移等問題。
1.2.3氣敏半導(dǎo)體類型
氣敏半導(dǎo)體型瓦斯檢測儀是近幾年發(fā)展比較迅速的一種檢測方法，它是利用某些會
屬氧化物在特定溫度下，吸附不同氣體后電阻率將發(fā)生大i幅度變化這一原理制成的。氣
敏半導(dǎo)體元件具有靈敏度高、能耗少、壽命長等優(yōu)點，不存在載體催化元件中毒影響等
問題。
其缺點也較明顯：一是選擇性差，尤其是受水蒸氣影響嚴重，雖然通過添加某些元
素或改變反應(yīng)溫度可以適當(dāng)提高其選擇性，但作用不大；二是線性測量范圍窄，測量可
燃性氣體濃度的精度較差。由于存在上述問題，目前在煤礦使用較少。
1.2.4紅外檢查類型
紅外型瓦斯檢測儀是基于光譜原理的檢測儀表。光譜法通過檢測樣氣透射光強或反
射光強的變化來檢測氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收(或輻射)譜特征。光源
的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強將發(fā)生變化，從譜
范圍上可劃分為紅外光譜吸收法和紫外光譜吸收法。氣體分子除了吸收譜外，還有其反
射譜。瑞利散射的強度只與分子的散射截面和濃度有關(guān)，光予的頻率不會發(fā)生改變，而
喇曼散射除了強度與分子濃度有關(guān)外，光子的頻率也會發(fā)生改變，稱為頻移。頻移的大
小與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，頻移譜線的強度與分子濃度成J下比，通常把散射頻率盡小于激發(fā)
光子頻率fi的散射譜叫做斯托克斯譜，而把散射頻率fs大于激發(fā)光子頻率fi的散射
譜叫做反斯托克斯譜，喇曼散射檢測技術(shù)廣泛的應(yīng)用于監(jiān)測大氣環(huán)境的激光雷達中。
紅外氣體分析法基于氣體對特定波長的紅外線有吸收，吸收滿足Lambert Beer定律
I(λ)=I0(λ)e-k(λ)LC （1-1）
式中 I0(λ)——入射光的強度；
I(λ)——透射光的強度；
L——輻射通過氣體層的厚度；
C——被測氣體的濃度；
k(λ)——吸收截面，cm2•g-1,即每克吸收氣體吸收系數(shù)，是波長λ的函數(shù)。
當(dāng)氣體吸收了特定波長的紅外輻射，并由其產(chǎn)生特定的振動或轉(zhuǎn)動運動從而引起偶
極矩的凈變化，產(chǎn)生氣體振動和轉(zhuǎn)動能激發(fā)從基態(tài)到激發(fā)念的躍遷，使相應(yīng)于這個區(qū)域的透射光度減弱。因此，特 ……（未完，全文共33599字，當(dāng)前僅顯示6043字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：紅外CO₂濃度傳感器性能優(yōu)化設(shè)計》）