基于反射光模型的紅外甲烷傳感器系統(tǒng)研制.pdf

1、煤炭資源是目前我國的主要基礎(chǔ)能源，在開采過程中所產(chǎn)生的瓦斯氣體其主要成分是甲烷。雖然國家對安全生產(chǎn)工作，常抓不懈，但是由于瓦斯爆炸造成的煤礦安全事故，卻從未中斷。甲烷氣體盡管不是大氣的主要成分，它對溫室效應(yīng)造成的影響卻遠(yuǎn)比二氧化碳大得多。無論從環(huán)境保護(hù)角度，還是安全生產(chǎn)方面，對甲烷氣體的實(shí)時(shí)精確檢測都顯得尤為重要。
　　為了了解目前的研究動向及進(jìn)展，對國內(nèi)外紅外檢測技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研分析。自二十世紀(jì)七十年代末開始，歐洲就有學(xué)者利用光譜

2、吸收法對大氣污染進(jìn)行監(jiān)測。隨后又有科研工作者從紅外光譜理論、橢球形光學(xué)氣室、光學(xué)熱敏元件、優(yōu)化探測器布局、信號調(diào)理、激光發(fā)射器等多方面進(jìn)行了研究，而且取得了重大的進(jìn)展，已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)推廣到了工業(yè)應(yīng)用。國內(nèi)紅外檢測技術(shù)，起步晚，發(fā)展迅猛，從光學(xué)吸收池、光路信號、檢測系統(tǒng)、分子光譜理論等多角度進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展，但距離工業(yè)應(yīng)用還有一定的差距。
　　從分子光譜理論角度，對紅外檢測甲烷氣體進(jìn)行了理論分析，在基礎(chǔ)理論之上對空氣中

3、常見氣體分子，使用HITRAN Database進(jìn)行了紅外光譜圖的模擬，得出理論上紅外技術(shù)檢測甲烷氣體的可行性。針對朗伯-比爾定律，提出吸收截面系數(shù)、光程長度、光的強(qiáng)度難以精確測量的三個(gè)檢測問題，經(jīng)過一系列理論推導(dǎo)、論證，建立了基于反射光模型的紅外甲烷傳感器模型。
　　在模型基礎(chǔ)上，借助已有的傳感探頭，設(shè)計(jì)了用以控制整個(gè)傳感器的主控電路板，負(fù)責(zé)電源供給的電源電路，提供相關(guān)電壓轉(zhuǎn)換的電路，設(shè)計(jì)了傳感探頭接口電路，處理微弱信號的放大濾

4、波電路，調(diào)試接口JTAG接口電路。在完成了電路板的焊接之后，對信號處理電路進(jìn)行了性能分析比較。
　　為了進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，搭建了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺，以1-Wire總線通信協(xié)議將標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入、讀出DS2431芯片，配合單片機(jī)進(jìn)行了濃度計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。
　　在排除其他干擾的實(shí)驗(yàn)測試基礎(chǔ)上，得出溫度對傳感器精度的影響最大，基于傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)，對光學(xué)氣室進(jìn)行了導(dǎo)熱、對流的熱分析數(shù)值模擬，
　　并提出了實(shí)用的溫度補(bǔ)償