单光束多气体浓度光学检测传感器研究

论文摘要

当今传感器技术在工农业生产中有着很重要的应用地位,在新技术和新工艺快速突破的基础上检测技术已经有了很大的进步。各种光源结合多种吸收光谱的检测技术的气体传感器在灵敏度、动态范围和响应时间等各项指标比起传统的传感器都有了很大的发展,并且得到了更广泛的应用。作为研究内容之一,本文详细讨论了红外光谱吸收气体检测的基本理论,重点分析了红外光谱分析气体浓度的技术及其工作原理,指出了对于构建满足工业应用的气体检测系统重要性。本文在详细论述了气体分子光谱理论的基础上,着重分析了现有的几大类基于光谱吸收原理的检测气体浓度的技术:直接吸收检测技术、光源频率调制和谐波检测技术、差分吸收检测技术,对几种主要的检测气体浓度的方法做了讨论和比较,指出了气体检测技术存在的微弱信号的处理问题和多通道信号采集的问题,以多种气体检测的实际应用为指导方向,提出了一种实用的气体浓度检测方法,并重点分析了该系统的实验方案和实验结果。论文就以上内容分四章进行阐述。第一章为引言部分,首先介绍了气体浓度检测系统的发展概况;接着简述了红外光谱技术作为气体检测方面的意义以其信号处理技术;最后提出本论文的主要研究内容。第二章首先从气体分子的光谱基本理论入手,介绍了气体分子的光谱吸收理论,包括气体分子的振、转能级结构,吸收线型和线宽,吸收谱线的强度分布;最后在此基础上详细介绍了几大类基于光谱吸收原理的检测气体浓度的技术及其工作原理和锁相放大的方法处理信号的原理。第三章构建系统整体和实验需求出发,首先从上分析了几种待测气体的红外吸收谱线型结构;然后根据气体的吸收谱分析了光源和探测器的选择;接着介绍整体气体腔的设计;然后介绍了设计气体吸收的微弱信号检测电路设计技术,并着重分析了利用锁相放大电路来进行微弱信号检测电路设计,其中包括参考信号电路、信号调制电路、信号解调电路和电源电路等几部分,这些是信号处理的核心。第四章在设计开发一种适用于多种气体的浓度检测传感器的基础上进行的一系列实验,首先介绍配气系统的设计和测试,在保证3种气体能够正确配比的情况下,利用所设计的多气体探测器对三种气体（CO2,CO,CH4）进行的浓度探测实验,然后对整个系统进行标定,进一步对其稳定性、可重复性、以及相互之间的交叉灵敏度进行了评估。本文主要的创新工作可概括为以下三点:一、实现了单光束多气体同时检测;二、研制了低成本的单光束的气体探测配置电路;三、基于煤矿井下应用,研制了对CO2,CO,CH4同时进行测量的气体传感器。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 气体浓度检测系统概述
• 1.2 气体检测技术国内外发展概况
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 红外光谱吸收原理的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 气体分子光谱理论
• 2.2.1 气体分子的振、转能级结构理论
• 2.2.2 气体分子的吸收线型和线宽
• 2.2.3 气体分子吸收谱线的强度分布
• 2.3 基于光谱吸收原理的检测气体浓度的方法
• 2.3.1 直接吸收检测气体浓度的方法
• 2.3.2 光源频率调制和谐波检测气体浓度的方法
• 2.3.3 差分吸收检测气体浓度的方法
• 2.4 锁相放大信号处理电路的原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 多气体检测系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 气体的选择及吸收谱线的研究
• 3.2.1 三种气体光谱特性研究
• 3.3 光学检测系统的设计
• 3.3.1 红外光源的选择
• 3.3.2 气室的设计
• 3.3.3 红外探测器件的选择
• 3.4 信号调理电路的设计
• 3.4.1 光源调制电路的设计实现
• 3.4.2 信号解调电路的设计实现
• 3.4.3 参考信号电路的设计实现
• 3.4.5 电源电路的设计实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 多气体传感器的测试实验
• 4.1 引言
• 4.2 气体配气系统的测试实验
• 4.3 多气体吸收测试浓度实验
• 4.3.1 气体吸收实验
• 4.3.2 系统标定实验
• 4.3.3 重复性和稳定性实验
• 4.3.4 系统交叉灵敏度分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间完成的科研论文
• 致谢
• 自我介绍