基于红外传感器的气体浓度测量系统设计

论文摘要

随着科学技术的快速发展,越来越多的领域需要对气体浓度进行快速、准确、在线地测量。传统的气体浓度测量方法,如气敏传感器、气相色谱法等无法满足上述需求。本文研究了一种基于红外传感器的新型气体浓度测量系统,利用红外吸收光谱原理,可以实现对气体浓度的在线、非接触测量,同时具有气体选择性好、稳定性好、灵敏度高、响应速度快等优势。本文以CO2气体为目标气体,分析了红外光谱吸收原理和朗伯—比尔定律,建立了红外CO2吸收模型并求出了浓度计算方法,确立了NDIR（Non-Dispersive Infrared）测量系统的总体设计方案。在系统的设计和开发中,主要包括三个部分。1.光学部分。对光学系统所涉及的光源、探测器、气室等部件进行了讨论和比较,选择了合适的部件,设计了系统光路,完成了光学系统的设计和安装。2.硬件部分。结合光源和探测器的信号特征,在硬件电路功能分析的基础上,实现了功能硬件模块化设计,包括:光源驱动、信号处理、A/D转换、控制、显示、温控几个功能模块,并针对干扰因素进行了系统抗干扰设计。3.软件部分。基于PIC单片机和PICC语言,结合硬件电路的信号特征和功能要求,编写了主程序、数据采集子程序、数据处理子程序和显示输出子程序,并进行了调试。在设计好系统三个部分之后,对系统的各功能模块进行了调试,完成了系统标定的理论推导,实现了系统的初步实验验证,提出了切实可行的实验方法,最后进行了误差理论分析。实验结果表明,系统可以达到预期性能指标,实现对气体浓度的快速、准确、在线测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 红外气体浓度测量系统
• 1.2.1 系统分类
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 课题意义及主要工作
• 1.3.1 本课题意义
• 1.3.2 本文主要内容
• 2浓度测量系统原理和方案'>第二章 基于红外传感器的C0₂浓度测量系统原理和方案
• 2.1 红外光谱吸收理论
• 2.1.1 分子红外光谱
• 2.1.2 大气的吸收衰减
• 2 吸收光谱及波长选择'>2.1.3 C0₂吸收光谱及波长选择
• 2.2 红外气体浓度测量的基本原理
• 2.2.1 朗伯-比尔定律
• 2.2.2 应用朗伯-比尔定律要注意的问题
• 2.3 方案确定
• 2.3.1 非分光型红外（NDIR）测量系统
• 2 红外吸收模型'>2.3.2 C0₂红外吸收模型
• 2红外吸收模型的浓度计算'>2.3.3 基于C0₂红外吸收模型的浓度计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 光学系统设计
• 3.1 系统总体设计
• 3.2 光源
• 3.2.1 光源的要求
• 3.2.2 光源的选择
• 3.2.3 光源的调制
• 3.3 红外传感器
• 3.3.1 红外传感器分类
• 3.3.2 红外传感器选择
• 3.3.3 红外传感器的使用
• 3.3.4 滤光片
• 3.4 气室
• 3.4.1 气室设计的一般原则
• 3.4.2 气室的选用
• 3.5 系统的光学结构
• 3.6 本章小结
• 第四章 硬件电路设计
• 4.1 光源驱动模块设计
• 4.2 信号处理模块设计
• 4.2.1 电压跟随电路
• 4.2.2 二级放大电路
• 4.2.3 差分放大电路
• 4.3 A/D转换模块设计
• 4.4 显示模块设计
• 4.5 温控模块设计
• 4.5.1 环境温度的影响
• 4.5.2 器件选用
• 4.5.3 温控模块电路
• 4.6 控制模块设计
• 4.6.1 PIC单片机简介
• 4.6.2 控制模块电路
• 4.7 系统设计中的抗干扰措施
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 PICC18 简介
• 5.2 主程序设计
• 5.3 数据采集子程序设计
• 5.3.1 采样子程序
• 5.3.2 光源驱动子程序
• 5.3.3 A/D转换子程序
• 5.4 数据处理子程序设计
• 5.4.1 数字滤波子程序
• 5.4.2 浓度计算子程序
• 5.5 显示输出子程序设计
• 5.6 程序的调试和烧写
• 5.7 本章小结
• 第六章 初步实验验证及误差理论分析
• 6.1 输出信号调试
• 6.1.1 光源驱动调试
• 6.1.2 信号处理调试
• 6.1.3 A/D转换调试
• 6.1.4 温控模块调试
• 6.2 系统标定的理论推导
• 6.2.1 零点定标
• 6.2.2 函数拟合
• 6.3 误差理论分析
• 6.3.1 误差来源
• 6.3.2 误差合成
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢