基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制

摘要

煤炭资源是目前我国的主要基础能源，在开采过程中所产生的瓦斯气体其主要成分是甲烷。虽然国家对安全生产工作，常抓不懈，但是由于瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故，却从未中断。甲烷气体尽管不是大气的主要成分，它对温室效应造成的影响却远比二氧化碳大得多。无论从环境保护角度，还是安全生产方面，对甲烷气体的实时精确检测都显得尤为重要。
　　为了了解目前的研究动向及进展，对国内外红外检测技术进行了调研分析。自二十世纪七十年代末开始，欧洲就有学者利用光谱吸收法对大气污染进行监测。随后又有科研工作者从红外光谱理论、椭球形光学气室、光学热敏元件、优化探测器布局、信号调理、激光发射器等多方面进行了研究，而且取得了重大的进展，已经将实验室技术推广到了工业应用。国内红外检测技术，起步晚，发展迅猛，从光学吸收池、光路信号、检测系统、分子光谱理论等多角度进行了研究，取得了一定的进展，但距离工业应用还有一定的差距。
　　从分子光谱理论角度，对红外检测甲烷气体进行了理论分析，在基础理论之上对空气中常见气体分子，使用HITRAN Database进行了红外光谱图的模拟，得出理论上红外技术检测甲烷气体的可行性。针对朗伯-比尔定律，提出吸收截面系数、光程长度、光的强度难以精确测量的三个检测问题，经过一系列理论推导、论证，建立了基于反射光模型的红外甲烷传感器模型。
　　在模型基础上，借助已有的传感探头，设计了用以控制整个传感器的主控电路板，负责电源供给的电源电路，提供相关电压转换的电路，设计了传感探头接口电路，处理微弱信号的放大滤波电路，调试接口JTAG接口电路。在完成了电路板的焊接之后，对信号处理电路进行了性能分析比较。
　　为了进行标定实验，搭建了标定实验平台，以1-Wire总线通信协议将标定实验数据写入、读出DS2431芯片，配合单片机进行了浓度计算模块的设计，并进行了实验测试。
　　在排除其他干扰的实验测试基础上，得出温度对传感器精度的影响最大，基于传热学理论基础，对光学气室进行了导热、对流的热分析数值模拟，
　　并提出了实用的温度补偿计算算法，经实验验证：该算法在0-4％浓度范围内，相比未补偿前，具有较高的精确度及稳定性。