微型紅外氣體檢測儀的研制

1、百度文庫-好好學習，天天向上微型紅外氣體檢測儀的研制摘要環(huán)境污染問題特別是有害氣體對人類的危害越來越引起全民的關(guān)注。我國氣體生產(chǎn)、運輸業(yè)中，一般以乙烯、異丁烷、甲基肼等化工原料所占比重很大。針對在生產(chǎn)、存儲，運輸領(lǐng)域不時發(fā)生的有毒有害氣體泄漏事故，國家進行了多方面投入，其中增強對有害氣體的檢測能力是解決問題的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外都在加大對環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)的投入。在國外，發(fā)達國家對氣體在線檢測儀器研究和應(yīng)用方面較早，現(xiàn)已研制出的基于光干涉原理、熱催化原理、熱導原理的傳感器都在氣體檢測中起到了推動作用，已經(jīng)有許多成熟的氣體檢測產(chǎn)品和人員救護設(shè)備出售，美國、英國、日本、德國等國家在氣體檢測MEMS傳感器

2、的研制領(lǐng)域也處于世界領(lǐng)先地位，已經(jīng)生產(chǎn)出大量的氣體檢測儀.本課題著重于結(jié)合實際，針對化學氣體在汽車、船舶、鐵路等存儲、運輸過程的特殊情況，利用紅外探測原理及MEMS技術(shù)，提出一種能夠適應(yīng)被測氣體濃度高，測試環(huán)境惡劣條件具有防爆、防塵、防振功能的高精度氣體探測器。其研究成果在科學、生產(chǎn)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間，同時設(shè)備的研制成功將對推動我國MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，加速我國MEMS的產(chǎn)業(yè)化進程，具有重大的現(xiàn)實意義。因此我們研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MEMS紅外氣體濃度探測器具有廣闊的市場前景，研制成功后將對國計民生產(chǎn)生巨大影響。關(guān)鍵詞：紅外吸收光譜，紅外探測器，CAN總線，氣室，ZEMAX百度文庫-好好

3、學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向上-II-II微型紅外氣體檢測儀的研制摘要TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第一章緒論0 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1引言0 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2主要研究內(nèi)容1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第二章紅外吸收型氣體傳感器的設(shè)計2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Docu

4、ment 2.1概述2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.2紅外光源2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.3雙通道雙補償原理的探測器設(shè)計思想和方法3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.4光路氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第三章紅外吸收型氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.1電源模塊電路設(shè)

5、計6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.2光源調(diào)制驅(qū)動電路設(shè)計8 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.3信號調(diào)理電路8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.4微處理單元的選擇9 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.5數(shù)碼顯示驅(qū)動電路的設(shè)計10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.6CAN總線傳輸設(shè)計11 HYPERLINK l book

6、mark34 o Current Document 3.7外型結(jié)構(gòu)設(shè)計12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 總結(jié)與展望14百度文庫-好好學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向上-0-0第一章緒論1.1引言在氣體運輸中，一般以液氯、液氨、醇類、苯類、石油、柴油、煤油、冰醋酸、酮類、烯、烴等主要化工原料居多，而這些物質(zhì)大都具易揮發(fā)，有毒性，易爆等特點，一旦泄露環(huán)境污染問題嚴重，對人類的危害極大。為了有毒有害氣體的安全存儲和運輸，國家在多方面進行了投入，九五、十五期間也進行了一些相關(guān)的研究，取得了一些突破性的成果?，F(xiàn)在總體上中國的化學氣體儲運安全

7、技術(shù)保障體系已經(jīng)基本形成，但儲運過程中氣體泄露事故仍然時有發(fā)生。許多泄露事故未能及時監(jiān)測到，有時監(jiān)測到了又不能及時得到處理。因此，越來越引起人們的關(guān)注。提高對有害氣體的檢測能力是解決問題的基礎(chǔ)。在國外，發(fā)達國家對有毒有害化學氣體探測器的研究和應(yīng)用方面起步較早，其傳感器檢測精度高但價格昂貴。國內(nèi)有毒有害化學氣體檢測儀的研究現(xiàn)在也取得了一定的成果，但總體來說差距較大，普遍有測量精度低、壽命短，體積大等缺點。針對化學氣體在汽車、船舶、鐵路等運輸過程的特殊情況，我們需要的不僅僅是一種能夠準確測量氣體泄露源和泄露濃度的高精度氣體探測器，還需能夠適應(yīng)被測氣體濃度高，高溫，高沖擊等惡劣條件具有防爆、防塵、防

8、振功能的檢測儀，從而提高氣體儲運過程的全性，方便預(yù)警，為事故遇險人員提供生命保障。基于以上特征，利用微型集成技術(shù)將微型紅外發(fā)光源、氣室、窄帶濾波片、紅外探測集成為一體，實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下對氣體的準確探測。研制微型紅外氣體濃度檢測儀來對氣體運輸中常見的化工原料進行檢測，具有現(xiàn)實意義。結(jié)合我國氣體運輸業(yè)的特點。主要進行以下兩個方面的研究：1）利用紅外光學原理設(shè)計研制高靈敏度、寬量程的瓦斯、乙烯、二甲醚氣體探測器。2）運用基于參比光自校準檢測原理，研究高穩(wěn)定性紅外氣體檢測技術(shù)，研究針對可燃性氣體及運輸過程特殊情況下的防爆、防塵、防振和溫度補償技術(shù)。百度文庫-好好學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向

9、上 1.2主要研究內(nèi)容對于甲烷等氣體的檢測在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域都非常重要，人們對發(fā)展快速、靈敏和有效的氣體檢測手段的需求十分迫切。傳統(tǒng)用于檢測氣體的氣體傳感器大多數(shù)通過其探頭的電阻或電容變化來測定氣體濃度，其靈敏度低，抗干擾能力差。在工業(yè)生產(chǎn)自動控制中則主要采用氣相色譜儀與計算機聯(lián)用來檢測氣體，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，其檢測效果普遍不好，而且該設(shè)備十分昂貴，增加了生產(chǎn)的成本。由于紅外傳感器具有體積小，抗干擾能力強，測量精度高等優(yōu)點，因此能可靠用于工業(yè)現(xiàn)場條件的紅外氣體傳感器日益得到人們的重視。進入90年代，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對氣體傳感器的要求也不斷提高。在煤礦、鋼鐵廠、化

10、工廠等場合，都需要檢測氣體的濃度，對于某些有毒氣體，要求能檢測到很低的濃度。由于紅外氣體傳感器具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快等特點，因此，紅外氣體傳感器的研究和發(fā)展前景廣闊，對于社會和現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的意義。它的應(yīng)用也將會越來越廣泛，其產(chǎn)生的社會價值也是無法估量的。本論文的研究目標:分析光譜吸收型紅外氣體傳感器的原理、特性及工作特點，設(shè)計出基于IR715白熾燈光源和熱釋電探測器的紅外氣體傳感器，來測量氣體的濃度。重點闡述了探測的原理、紅外傳感檢測系統(tǒng)的設(shè)計思想和方法、數(shù)據(jù)的傳輸和顯示、系統(tǒng)的防護等內(nèi)容。綜合本論文，主要有以下幾個具體的內(nèi)容：（1）重點闡述了

11、紅外探測的原理，對雙通道雙補償技術(shù)作了重點介紹，并與以往探測方法和技術(shù)作了比較。（2）對氣體的檢測方法和技術(shù)也作了重要分析和論述，利用zemax對氣室光路結(jié)構(gòu)作了重點研究和設(shè)計。（3）對紅外檢測系統(tǒng)總體設(shè)計思想和方法作了重點論述，并對電路進行了本質(zhì)安全防爆設(shè)計。（4）對采用高集成度的混合性芯片的應(yīng)用做了重點闡述。（5）分析和研究了工礦企業(yè)應(yīng)用實際情況，對整個系統(tǒng)的封裝和防護技術(shù)作了重點論述。第二章紅外吸收型氣體傳感器的設(shè)計2.1概述紅外光譜吸收法是利用雙原子分子對紅外光具有特定吸收峰這一特性來實現(xiàn)的，也就是說某種氣體只對應(yīng)吸收某種或某幾種波段處的紅外光能量，而這個波段就稱為這一氣體的特定紅外吸

12、收峰，它并不與其它氣體吸收峰干擾，而吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)內(nèi)的濃度有關(guān)，因此可以通過設(shè)計某種設(shè)備裝置來檢測氣體的濃度。而在實際的應(yīng)用中，檢測系統(tǒng)的光路氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計將尤為重要，它直接影響到測量的精度，所以設(shè)計一個好的、合理的光路氣室結(jié)構(gòu)也是解決問題的一個關(guān)鍵。2.2紅外光源由于選擇了中紅外的3pm5pm區(qū)域來測量HC的濃度，所以必須保證光源在這個區(qū)間內(nèi)有充分的能量分布，本系統(tǒng)采用IRL715紅外光源，對光源進行2Hz的調(diào)制。圖2.1IRL715實物圖IRL715紅外光源是一種白熾燈，屬于熱輻射型光源，最大直徑3.17mm。波長從可見光到5口m，適合HC(3口m5口m)的測量。IRL715紅

13、外光源特點：(1)輸出譜線擴展到中紅外區(qū)的5口m左右；(2)高可靠性；穩(wěn)定的輸出；短時間常數(shù)，T=290ms；長壽命，工作在5伏電源時，可達40000小時。百度文庫-好好學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向上 - 2.3雙通道雙補償原理的探測器設(shè)計思想和方法為了消除發(fā)光光源輸出功率不穩(wěn)定和探測器響應(yīng)靈敏度變化等影響，設(shè)計探測器為雙通道雙補償原理的紅外探測器,將有利于更精確的檢測氣體的濃度。在試驗中，我們選用一種具有參考通道和測量通道的雙路紅外熱釋電探測器，它是利用甲烷對紅外光在3.3m波長處具有特定吸收峰這一特性設(shè)計的，而參考通道則選用穩(wěn)定的、沒有氣體吸收的波長處4.0um波長濾光片來實現(xiàn)

14、,參考將具有參考和補償作用。通常一個簡單的紅外探測裝置都由三個主要部分組成：紅外探測器、紅外光源、光學氣室。而一個檢測裝置的測量精度和準確度等特性則歸功于這幾個方面的優(yōu)化設(shè)計程度。下圖是本設(shè)計的一個紅外探測系統(tǒng)的簡單示意圖，由這個圖能很清楚看到探測系統(tǒng)的構(gòu)成和基本設(shè)計思路。圖2.2紅外探測裝置示意圖而隨著集成技術(shù)和MEMS工藝的發(fā)展，上述三個部分不再是分離的了，三個部分被很好的集成到了一個固定的光學氣室內(nèi)，這樣更使結(jié)構(gòu)緊湊，減小了以前因三部分分離而可能帶來的一些對測量精度的影響。下圖即為采用MEMS工藝將紅外雙路敏感元件及濾光片制作成探測頭，然后通過微封裝技術(shù)進行可靠性封裝，再利用微小集成技術(shù)

15、將探測頭、紅外光源、過濾網(wǎng)集成在鍍膜氣室內(nèi)，使其具備防塵、防爆等功能，且這種探測器使用也更加方便靈活了。圖2.3集成光路氣室、探測器、光源探測器結(jié)構(gòu)圖2.4雙通道紅外探測器光路氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計光路氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常關(guān)系到該檢測系統(tǒng)的性能好壞，所以尤為重要。而對于目前的大型機械調(diào)制式紅外分析儀，其設(shè)計的氣室光路結(jié)構(gòu)十分復雜，而且功耗和體積都特大，不太適合于便攜式使用，只適合于實驗室使用，其總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2.5機械調(diào)制式的紅外分析儀的原理圖在本設(shè)計中氣室設(shè)計目的是使整個系統(tǒng)微型化、低功耗，因此以電調(diào)制技術(shù)代替機械調(diào)制方式，使儀器體積和功耗降低，下圖是在設(shè)計過程當中，所采用的氣室光路結(jié)構(gòu)。在氣

16、室設(shè)計中把紅外光源和探測器，封裝在鍍金反射式氣室中（如圖6所示），頂部以帶氣孔的圓型蓋片為反射面。熱釋電探測器封裝上固定安裝有干涉濾光片，通過檢測透過的紅外光的強度，來反映被測CH4氣體的濃度。為了使氣體紅外吸收信號具有較好的分辨率，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，依據(jù)實驗確定氣室長度和粗細，當口CL較大時儀表刻度是非線性的，為了實現(xiàn)線性刻度，應(yīng)使口CL1，在此前提下盡量加長光程，以保證有一定的靈敏度。其設(shè)計采用了擴散反射式，不僅可增加光程，還避免了傳統(tǒng)封閉式氣室需要氣泵抽送氣，而帶來的檢測儀體積和功耗的增加。為匯聚光線，將氣室內(nèi)壁加工成拋物線，光源和探測器分布于拋物線焦點處，通過在氣室內(nèi)壁做鍍金處理，來增

17、加反射率。同時，通過系統(tǒng)內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測工作環(huán)境溫度，用于瓦斯數(shù)據(jù)的溫度補償。通迢通二遼圖2.6氣室結(jié)構(gòu)圖百度文庫-好好學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向上- #- 第三章紅外吸收型氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)本章主要介紹紅外吸收型氣體傳感器檢測電路及軟件設(shè)計。硬件方面主要包括電源模塊電路、紅外光源驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、數(shù)碼顯示驅(qū)動電路、單片機控制電路和本質(zhì)安全電路設(shè)計。軟件方面主要包括單片機主控程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采樣、光源控制和數(shù)碼顯示程序設(shè)計,系統(tǒng)工作原理如下圖所示：圖3.1系統(tǒng)工作原理圖3.1電源模塊電路設(shè)計本檢測電路電源模塊主要分為：1、7V模塊，在電路調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，依據(jù)合同要求5V供電

18、時，電源端出現(xiàn)與調(diào)制頻率相同的干擾。當外接7V再通過MAX1659轉(zhuǎn)5V對電路供電后，干擾得到改善，因此利用MC34063芯片將5V升壓到7伏，再由MAX1659轉(zhuǎn)到5V為電路供電；2、5V模塊，系統(tǒng)有兩個5V模塊，由于IRL715的理想工作電壓為5V,電壓的穩(wěn)定性直接影響著光源輸出紅外光的穩(wěn)定性，因此其中一個電源模塊專為光源調(diào)制電路供電；3、3.3V模塊，為單片機提供電源。MC34063是一單片機雙極型線形集成電路，專用于DC/DC變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換

19、器、降壓式變換器和電源反向器。其電路原理圖如下圖所示，MC34063有以下特點：百度文庫-好好學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向上!il47iifl1.5A7M311)63VAlHMDITlb鄧19員C.lISk11百度文庫-好好學習，天天向上百度文庫-好好學習，天天向上- - 3.2光源調(diào)制驅(qū)動電路設(shè)計紅外探測器只對紅外輻射的變化有反應(yīng)，因此需要對光源進行調(diào)制，使其按一率在發(fā)光和不發(fā)光的兩個狀態(tài)切換。根據(jù)紅外熱釋電傳感器使用手冊，以及前一章對調(diào)制頻率的分析，紅外光源的調(diào)制電壓定為2Hz的脈沖信號，占空比為50%,低電平20V,高電平W5V，高低電平之差24V，以保證紅外探測器輸出規(guī)則的

20、正弦信號。由于光源調(diào)制會給探測器信號的輸出帶來干擾，因此采用光藕對電路進行隔離，光藕輸入端由單片機產(chǎn)生的脈沖信號進行驅(qū)動，光藕輸出端接IRF9410的柵極，為保證光源使用壽命，使用R35作為光源的限流保護。圖3.4光源驅(qū)動電路設(shè)計3.3信號調(diào)理電路熱釋電探測器輸出信號為十幾毫伏，需要對該信號進行放大和濾波，圖4.5為測量信號和參考信號的調(diào)理電路。其中：放大器選用集成運算放大器LM358,放大器增益由式4.1表示：加=1+用口+處ADC0單片機內(nèi)部集成的12位采樣轉(zhuǎn)換器ADC0輸入模擬信號Vsignal與轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量D之間的關(guān)系下式表示：圖3.5信號調(diào)理電路圖微處理單元的選擇設(shè)計時選用了S

21、iliconLaboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040單片機，該款單片機具有內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器、集成CAN2.0控制器等功能，是一種混合型高集成度芯片，它能夠完成多路數(shù)據(jù)的采集、判斷處理、以及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?，如此使整個系統(tǒng)由一個單片機就控制起來了，這樣使整個儀器的體積和功耗達到了微型化，功耗也大大降低了。C8051F040的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4.6所示：圖3.6C8051F040內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖IEomcRJCMWHP)II54KB/32KB1ISPFLA&H船52B胡出1TTAGI20卞中BiiS時軸電JW斑i竝k數(shù)碼顯示驅(qū)動電路的設(shè)計對于數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片的選擇，常

22、用的專用數(shù)碼管顯示電路有8279和MAX7219，在使用性能上，后者相對使用方便靈活，連線簡單，不占用數(shù)據(jù)存儲器空間，在實驗設(shè)計中，我們主要選用了這種數(shù)碼管進行實驗設(shè)計。DIOO1114CJMD-J一DTGtiIHtJ?_*IJ：|03DIQ7.OND-2me5DKrl10衛(wèi)MDGUTMAXIMMAX7219LOAD12(/CS)圖3.7MAX7219封裝圖MAX7219與51系列單片機連接采用三線串行接口，典型電路如圖4.8所示，操作者只需要編程發(fā)送16位數(shù)據(jù)包，就能簡單地操作LED的位選以及段I,IVI圖3.8MAX7219典型應(yīng)用電路MAXIMLOADSEGA-GCUDIGSDIG2DI

23、CEDIG?canDIGSDIG1&UK7219IDOTUTSEG-DSEGDPSEESEGC3X113圖3.9MAX7219驅(qū)動的顯示電路模塊連接圖3.6CAN總線傳輸設(shè)計對目前的大多數(shù)氣體檢測設(shè)備一般都只具有顯示或只具備報警點的設(shè)置功能，而沒有傳感器的信號數(shù)據(jù)的傳輸，這種檢測設(shè)備就具有一定的局限性，不適合于遠距離以及統(tǒng)一管理，通常在使用過程中受到許多限制。本節(jié)將主要針對CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸方式介紹紅外傳感檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式的設(shè)計。圖3.10CAN控制器原理框圖3.7外型結(jié)構(gòu)設(shè)計綜前所述，外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計在考慮以下幾個方面設(shè)計的：1）在結(jié)構(gòu)上采用單腔式的，因為這樣就避免了爆炸時因另一腔的壓力聚集而使未爆的一腔壓力增得更大，造成更嚴重的爆炸；2）在形狀上采用長方形的，從爆炸壓力角度考慮，