微型红外气体检测仪的研制.docx

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微型红外气体检测仪的研制

微型红外气体检测仪的研制

摘要

环境污染问题特别是有害气体对人类的危害越来越引起全民的关注。

我国气体生产、运输业中，一般以乙烯、异丁烷、甲基肼等化工原料所占比重很大。

针对在生产、存储，运输领域不时发生的有毒有害气体泄漏事故，国家进行了多方面投入，其中增强对有害气体的检测能力是解决问题的基础。

目前国内外都在加大对环境监测设备研发的投入。

在国外，发达国家对气体在线检测仪器研究和应用方面较早，现已研制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到了推动作用，已经有许多成熟的气体检测产品和人员救护设备出售，美国、英国、日本、德国等国家在气体检测MEMS传感器的研制领域也处于世界领先地位，已经生产出大量的气体检测仪.

本课题着重于结合实际，针对化学气体在汽车、船舶、铁路等存储、运输过程的特殊情况，利用红外探测原理及MEMS技术，提出一种能够适应被测气体浓度高，测试环境恶劣条件具有防爆、防尘、防振功能的高精度气体探测器。

其研究成果在科学、生产领域有广阔的应用空间，同时设备的研制成功将对推动我国MEMS技术的迅速发展，加速我国MEMS的产业化进程，具有重大的现实意义。

因此我们研制的具有自主知识产权的MEMS红外气体浓度探测器具有广阔的市场前景，研制成功后将对国计民生产生巨大影响。

关键词：

红外吸收光谱，红外探测器，CAN总线，气室，ZEMAX

第一章绪论

1.1引言

在气体运输中，一般以液氯、液氨、醇类、苯类、石油、柴油、煤油、冰醋酸、酮类、烯、烃等主要化工原料居多，而这些物质大都具易挥发，有毒性，易爆等特点，一旦泄露环境污染问题严重，对人类的危害极大。

为了有毒有害气体的安全存储和运输，国家在多方面进行了投入，九五、十五期间也进行了一些相关的研究，取得了一些突破性的成果。

现在总体上中国的化学气体储运安全技术保障体系已经基本形成，但储运过程中气体泄露事故仍然时有发生。

许多泄露事故未能及时监测到，有时监测到了又不能及时得到处理。

因此，越来越引起人们的关注。

提高对有害气体的检测能力是解决问题的基础。

在国外，发达国家对有毒有害化学气体探测器的研究和应用方面起步较早，其传感器检测精度高但价格昂贵。

国内有毒有害化学气体检测仪的研究现在也取得了一定的成果，但总体来说差距较大，普遍有测量精度低、寿命短，体积大等缺点。

针对化学气体在汽车、船舶、铁路等运输过程的特殊情况，我们需要的不仅仅是一种能够准确测量气体泄露源和泄露浓度的高精度气体探测器，还需能够适应被测气体浓度高，高温，高冲击等恶劣条件具有防爆、防尘、防振功能的检测仪，从而提高气体储运过程的全性，方便预警，为事故遇险人员提供生命保障。

基于以上特征，利用微型集成技术将微型红外发光源、气室、窄带滤波片、红外探测集成为一体，实现在恶劣环境下对气体的准确探测。

研制微型红外气体浓度检测仪来对气体运输中常见的化工原料进行检测，具有现实意义。

结合我国气体运输业的特点。

主要进行以下两个方面的研究：

1）利用红外光学原理设计研制高灵敏度、宽量程的瓦斯、乙烯、二甲醚气体探测器。

2）运用基于参比光自校准检测原理，研究高稳定性红外气体检测技术，研究针对可燃性气体及运输过程特殊情况下的防爆、防尘、防振和温度补偿技术。

1.2主要研究内容

对于甲烷等气体的检测在环境监测、工业控制等领域都非常重要，人们对发展快速、灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。

传统用于检测气体的气体传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度，其灵敏度低，抗干扰能力差。

在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪与计算机联用来检测气体，由于现场环境恶劣，其检测效果普遍不好，而且该设备十分昂贵，增加了生产的成本。

由于红外传感器具有体积小，抗干扰能力强，测量精度高等优点，因此能可靠用于工业现场条件的红外气体传感器日益得到人们的重视。

进入90年代，随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器的要求也不断提高。

在煤矿、钢铁厂、化工厂等场合，都需要检测气体的浓度，对于某些有毒气体，要求能检测到很低的浓度。

由于红外气体传感器具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快等特点，因此，红外气体传感

器的研究和发展前景广阔，对于社会和现代经济的发展具有十分重要的意义。

它的应用也将会越来越广泛，其产生的社会价值也是无法估量的。

本论文的研究目标:

分析光谱吸收型红外气体传感器的原理、特性及工作特点，设计出基于IR715白炽灯光源和热释电探测器的红外气体传感器，来测量气体的浓度。

重点阐述了探测的原理、红外传感检测系统的设计思想和方法、数据的传输和显示、系统的防护等内容。

综合本论文，主要有以下几个具体的内容：

（1）重点阐述了红外探测的原理，对双通道双补偿技术作了重点介绍，并与以往探测方法和技术作了比较。

（2）对气体的检测方法和技术也作了重要分析和论述，利用zemax对气室光路结构作了重点研究和设计。

（3）对红外检测系统总体设计思想和方法作了重点论述，并对电路进行了本质安全防爆设计。

（4）对采用高集成度的混合性芯片的应用做了重点阐述。

（5）分析和研究了工矿企业应用实际情况，对整个系统的封装和防护技术作了重点论述。

第二章红外吸收型气体传感器的设计

2.1概述

红外光谱吸收法是利用双原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的，也就是说某种气体只对应吸收某种或某几种波段处的红外光能量，而这个波段就称为这一气体的特定红外吸收峰，它并不与其它气体吸收峰干扰，而吸收的能量与气体在红外光区内的浓度有关，因此可以通过设计某种设备装置来检测气体的浓度。

而在实际的应用中，检测系统的光路气室结构的设计将尤为重要，它直接影响到测量的精度，所以设计一个好的、合理的光路气室结构也是解决问题的一个关键。

2.2红外光源

由于选择了中红外的3μm～5μm区域来测量HC的浓度，所以必须保证光源在这个区间内有充分的能量分布，本系统采用IRL715红外光源，对光源进行2Hz的调制。

图2.1IRL715实物图

IRL715红外光源是一种白炽灯，属于热辐射型光源，最大直径3.17mm。

波长从可见光到5μm，适合HC（3μm～5μm）的测量。

IRL715红外光源特点：

（1）输出谱线扩展到中红外区的5μm左右；

（2）高可靠性；

（3）稳定的输出；

（4）短时间常数，τ=290ms；

（5）长寿命，工作在5伏电源时，可达40000小时。

2.3双通道双补偿原理的探测器设计思想和方法

为了消除发光光源输出功率不稳定和探测器响应灵敏度变化等影响，设计探测器为双通道双补偿原理的红外探测器,将有利于更精确的检测气体的浓度。

在试验中，我们选用一种具有参考通道和测量通道的双路红外热释电探测器，它是利用甲烷对红外光在3.3μm波长处具有特定吸收峰这一特性设计的，而参考通道则选用稳定的、没有气体吸收的波长处4.0μm波长滤光片来实现,参考将具有参考和补偿作用。

通常一个简单的红外探测装置都由三个主要部分组成：

红外探测器、红外光源、光学气室。

而一个检测装置的测量精度和准确度等特性则归功于这几个方面的优化设计程度。

下图是本设计的一个红外探测系统的简单示意图，由这个图能很清楚看到探测系统的构成和基本设计思路。

图2.2红外探测装置示意图

而随着集成技术和MEMS工艺的发展，上述三个部分不再是分离的了，三个部分被很好的集成到了一个固定的光学气室内，这样更使结构紧凑，减小了以前因三部分分离而可能带来的一些对测量精度的影响。

下图即为采用MEMS工艺将红外双路敏感元件及滤光片制作成探测头，然后通过微封装技术进行可靠性封装，再利用微小集成技术将探测头、红外光源、过滤网集成在镀膜气室内，使其具备防尘、防爆等功能，且这种探测器使用也更加方便灵活了。

图2.3集成光路气室、探测器、光源探测器结构

图2.4双通道红外探测器

2.4光路气室结构的设计

光路气室结构的设计通常关系到该检测系统的性能好坏，所以尤为重要。

而对于目前的大型机械调制式红外分析仪，其设计的气室光路结构十分复杂，而且功耗和体积都特大，不太适合于便携式使用，只适合于实验室使用，其总体结构如下图所示。

图2.5机械调制式的红外分析仪的原理图

在本设计中气室设计目的是使整个系统微型化、低功耗，因此以电调制技术代替机械调制方式，使仪器体积和功耗降低，下图是在设计过程当中，所采用的气室光路结构。

在气室设计中把红外光源和探测器，封装在镀金反射式气室中（如图6所示），顶部以带气孔的圆型盖片为反射面。

热释电探测器封装上固定安装有干涉滤光片，通过检测透过的红外光的强度，来反映被测CH4气体的浓度。

为了使气体红外吸收信号具有较好的分辨率，在进行结构设计时，依据实验确定气室长度和粗细，当μCL较大时仪表刻度是非线性的，为了实现线性刻度，应使μCL«1，在此前提下尽量加长光程，以保证有一定的灵敏度。

其设计采用了扩散反射式，不仅可增加光程，还避免了传统封闭式气室需要气泵抽送气，而带来的检测仪体积和功耗的增加。

为汇聚光线，将气室内壁加工成抛物线，光源和探测器分布于抛物线焦点处，通过在气室内壁做镀金处理，来增加反射率。

同时，通过系统内置温度传感器监测工作环境温度，用于瓦斯数据的温度补偿。

图2.6气室结构图

第三章红外吸收型气体检测系统设计与实现

本章主要介绍红外吸收型气体传感器检测电路及软件设计。

硬件方面主要包括电源模块电路、红外光源驱动电路、信号调理电路、数码显示驱动电路、单片机控制电路和本质安全电路设计。

软件方面主要包括单片机主控程序设计、数据采样、光源控制和数码显示程序设计,系统工作原理如下图所示：

图3.1系统工作原理图

3.1电源模块电路设计

本检测电路电源模块主要分为：

1、7V模块，在电路调试中发现，依据合同要求5V供电时，电源端出现与调制频率相同的干扰。

当外接7V再通过MAX1659转5V对电路供电后，干扰得到改善，因此利用MC34063芯片将5V升压到7伏，再由MAX1659转到5V为电路供电；2、5V模块，系统有两个5V模块，由于IRL715的理想工作电压为5V，电压的稳定性直接影响着光源输出红外光的稳定性，因此其中一个电源模块专为光源调制电路供电；3、3.3V模块，为单片机提供电源。

MC34063是一单片机双极型线形集成电路，专用于DC/DC变换器控制部分。

片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。

它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

其电路原理图如下图所示，MC34063有以下特点：

图3.2MC34063升压电路原理图

其中：

（1）内部工作频率由

决定；

（2）输出电压纹波由

决定；

（3）输出电压为

；

（4）电感应用电流较大的线绕铁粉芯电感，二极管要使用速度较快的肖特基二极管（schottky）如：

1N5819、1N5818、1N5820等。

在设计中选用美信公司的恒压芯片MAX1659提供5V电压，MAX1658提供3.3V电压，其连接电路图如下图所示：

3.2光源调制驱动电路设计

红外探测器只对红外辐射的变化有反应，因此需要对光源进行调制，使其按一率在发光和不发光的两个状态切换。

根据红外热释电传感器使用手册，以及前一章对调制频率的分析，红外光源的调制电压定为2Hz的脉冲信号，占空比为50%，低电平≥OV，高电平≤5V，高低电平之差≥4V，以保证红外探测器输出规则的正弦信号。

由于光源调制会给探测器信号的输出带来干扰，因此采用光藕对电路进行隔离，光藕输入端由单片机产生的脉冲信号进行驱动，光藕输出端接IRF9410的栅极，为保证光源使用寿命，使用R35作为光源的限流保护。

图3.4光源驱动电路设计

3.3信号调理电路

热释电探测器输出信号为十几毫伏，需要对该信号进行放大和滤波，图4.5为测量信号和参考信号的调理电路。

其中：

放大器选用集成运算放大器LM358，放大器增益由式4.1表示：

ADC0单片机内部集成的12位采样转换器ADC0输入模拟信号Vsignal与转换后得到的数字量D之间的关系下式表示：

图3.5信号调理电路图

3.4微处理单元的选择

设计时选用了SiliconLaboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040单片机，该款单片机具有内部集成A/D转换器、集成CAN2.0控制器等功能，是一种混合型高集成度芯片，它能够完成多路数据的采集、判断处理、以及数据的传输等功能，如此使整个系统由一个单片机就控制起来了，这样使整个仪器的体积和功耗达到了微型化，功耗也大大降低了。

C8051F040的内部结构如下图4.6所示：

图3.6C8051F040内部结构功能图

3.5数码显示驱动电路的设计

对于数码显示驱动芯片的选择，常用的专用数码管显示电路有8279和MAX7219，在使用性能上，后者相对使用方便灵活，连线简单，不占用数据存储器空间，在实验设计中，我们主要选用了这种数码管进行实验设计。

图3.7MAX7219封装图

MAX7219与51系列单片机连接采用三线串行接口，典型电路如图4.8所示，操作者只需要编程发送16位数据包，就能简单地操作LED的位选以及段选，设置和改变MAX7219的工作模式。

图3.8MAX7219典型应用电路

显示模块采用四位七段数字LED显示器，程序见附录，选用MAX7219作为驱动控制芯片。

MAX7219与显示模块的连接电路原理图如下图4.9所示。

图3.9MAX7219驱动的显示电路模块连接图

3.6CAN总线传输设计

对目前的大多数气体检测设备一般都只具有显示或只具备报警点的设置功能，而没有传感器的信号数据的传输，这种检测设备就具有一定的局限性，不适合于远距离以及统一管理，通常在使用过程中受到许多限制。

本节将主要针对CAN总线的数据传输方式介绍红外传感检测设备的数据传输方式的设计。

图3.10CAN控制器原理框图

3.7外型结构设计

综前所述，外形结构的设计在考虑以下几个方面设计的：

1）在结构上采用单腔式的，因为这样就避免了爆炸时因另一腔的压力聚集，而使未爆的一腔压力增得更大，造成更严重的爆炸；

2）在形状上采用长方形的，从爆炸压力角度考虑，长方形能增大面积，减小体内平均压力，这样能加大外壳的耐爆性；

3）对于外壳的各结合面按照前述各技术要求以及最小间隙规则来设计，使各结合面间隙最小；

4）在材料上选用工程塑料，因为对于该结构体积不超过2L，且选用工程塑料易成型，可采用模具加工，便于批量生产。

最终设计结构必须都要满足隔爆、防爆原理，如图所示:

图3.11外形结构图

本章主要介绍了红外甲烷检测装置软、硬件电路的研制情况，分别对装置的微处理器电路、光源控制电路、信号放大电路、数据采样电路、对单片机集成CAN控制器的应用、电源电路的器件选型、设计作了介绍，并做了本质安全验证。

通过对以上各个电路的研究，完成了红外甲烷检测软、硬件的设计。

总结与展望

本课题的任务是研究基于红外光谱吸收原理的红外气体传感器检测仪的设计。

本论文开始介绍了气体浓度红外监测理论，以及基于此理论而设计的双通道双补偿原理的红外探测器的设计思想。

在文章后面的章节中重点介绍了传感检测系统的设计，包括红外传感器设计方法、系统的软件和硬件的设计方法、基于CAN总线的数据传输方式等。

文章最后还介绍了系统的防爆、防尘等防护方面的内容。

通过采用红外光学探测方法，使设计的整个检测系统达到了高量程、高精度、长寿命等优点。

通过采用集成多路A/D转换器、CAN控制器等低功耗、小体积的C8051F040单片机做微处理单元，通过软件实现多路数据采集以及数据的判断处理、数据的传输等，这些大大减小了系统的体积和功耗，使系统达到微型化等优点。

但本课题只是基于红外光谱吸收原理的气体检测仪研制的初始阶段，如要进一步提高系统检测指标，还需对气室进行更细致的光学优化，以及传感检测系统温度特性对整个系统的影响的进一步研究，同时所设计的结构需要做国家防爆检测认证，相信这些工作随着研究的进一步深入会一一得到解决