NDIR便携式气体传感器关键技术的研究

论文摘要

非分光红外（non-dispersive infrared, NDIR）气体传感器具有选择性好、灵敏度高、抗干扰能力强和价格低等特点,其各类产品已经在工业、农业、医疗、智能建筑、分析仪器等领域有广泛应用。为了进一步提高NDIR气体传感器的性能和降低系统成本,本文设计了一种新结构的NDIR便携式气体传感器系统,并围绕MEMS红外光源,气体样品吸收腔和MEMS微富集器等关键技术开展研究。本文的主要研究内容和创新点有以下几方面：1.设计并研制了NDIR便携式气体传感器系统。该系统采用了悬膜可电调谐MEMS红外光源和中红外空心光纤作为气体样品吸收腔。该系统可对多种气体实时监控,其中对CO2探测下限达5ppm,比将不锈钢金属作为气体样品吸收腔材料的NDIR气体传感器探测下限低,灵敏度提高了3倍。2.设计并制作了悬膜结构MEMS红外光源。研究结果表明这种新型的MEMS红外光源,升温时间短,28ms内达到相对稳定的温度；可电调谐,光源辐射区域的温度均匀分布,寿命长,稳定性好。3. NDIR气体传感器样品吸收腔的研究。研究了采用中红外空心光纤、不锈钢和紫铜等不同材料以及不同长度制备的样品吸收腔对传感器系统灵敏度和探测下限等性能的影响。研究了不锈钢材料、紫铜材料和光纤材料腔体的内径均为5mm,长度分别为79mm、97mm、118mm、141mm和161mm时气体传感器系统的响应。研究结果显示传感器检测灵敏度和响应幅度表明中红外空心光纤腔体的NDIR气体传感器在97mm光纤长度时,传感器性能达到最优。通过对不同数量的光纤束的研究表明在采用光纤腔体内径小于MEMS红外光源的发光面积内以及红外探测器接收面积,光纤腔体越粗,响应越大。本文研究结果认为实际吸收腔体的长度和气体传感器响应幅值的关系并不完全符合理论朗伯比尔定律。经分析认为这是由于实际光源的发散性和管壁的吸收损耗引起的,采用空心光纤有利于提高管壁反射率,从而提高测试灵敏度。4. MEMS微富集器的研究。通过对NDIR气体传感器加载微富集器的方式减小气体传感器探测下限。本文设计并制作了微富集器,初步通过可靠性试验,认为该微富集器设计和制作工艺可行。借助于石英谐振微天平（QCM）作为载体的方式对Silicate-1型分子筛材料的富集特性进行研究,发现该材料在250℃时达到90%以上稳定脱附率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 气体传感器研究背景和意义
• 1.1.1 气体传感器
• 1.1.2 NDIR气体传感器
• 1.2 本文内容及创新点
• 第二章 NDIR便携式气体传感器
• 2.1 NDIR便携式气体传感工作原理
• 2.2 NDIR便携式气体传感器系统设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 MEMS红外光源
• 3.1 研究意义
• 3.2 MEMS红外光源设计和制备
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 电极材料选取以及光源结构设计
• 3.2.3 MEMS红外光源的制备过程
• 3.3 MEMS红外光源的测试结果和讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 NDIR气体传感器样品吸收腔研究
• 4.1 研究意义
• 4.2 基本理论
• 4.2.1 中红外空心光纤吸收腔
• 4.2.2 测试步骤
• 4.3 红外气体传感器光纤腔体研究
• 4.4 改进后的NDIR便携式气体传感器性能测试结果
• 4.4.1 NDIR便携式气体传感器的响应时间
• 4.4.2 NDIR便携式气体传感器响应
• 4.4.3 NDIR便携式气体传感器对不同气体的检测
• 4.4.4 NDIR便携式气体传感器系统的重复性
• 4.5 本章小结
• 第五章 MEMS微富集器
• 5.1 研究意义与现状
• 5.2 微富集器基本结构
• 5.3 微富集器吸附材料的脱附研究
• 5.3.1 Silicate-1分子筛材料的研究
• 5.3.2 Silicate-1分子筛材料测试结果
• 5.4 微富集器的热源研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 硕士研究生在读期间发表论文
• 致谢