三气体红外光学传感器关键技术研究

摘要

随着社会和经济的发展，许多场合需要用到气体浓度测试技术，如矿井下的危险气体浓度测试、大气环境中的气体成分测试。传统的气体传感器单参数检测方式已经限制了应用场合和范围。在许多场合，被测气体是以混合气体的形式存在的。若使用单气体传感器，目标气体以外的有毒有害气体便无法检测，无法保障测试的安全进行。因此急需研制可用于多组分气体检测的微型传感器。
　　针对上述需求，本次基于红外光谱吸收原理，设计了一种多气体红外光学检测系统。本文重点对传感器光学系统的设计、多气体浓度处理算法和传感器检测系统硬件设计等关键技术进行了研究。首先在查阅国内外发展现状的基础上，根据红外光学检测的理论知识，研究了多组分气体的测量原理，建立了多气体检测模型。然后对气体传感器的光学系统进行设计，并利用Zemax软件进行了气室仿真优化。为了提高传感器的稳定性和测试准确性，对气室内壁进行镀金处理，并且对传感器进行了防护设计。将气室、光源和探测器按照一定的顺序组装，构成了微型气体光学系统。本文对传感器的检测系统进行了设计，重点进行了微弱信号放大电路设计和光源调制电路设计。为提高测试精度，对多气体检测函数模型进行修正，结合实际测试中温度和湿度对测试结果的影响，对气体浓度数学模型进行了温度和湿度补偿，最后建立了合适的数学模型。根据现有的实验条件，完成了传感器样机的组装，并进行了相关的测试实验。
　　本文对三气体红外光学传感器设计中的关键技术进行了阐述，文章所做的各项研究，对于以后开发多组分气体传感器提供了实用的参考价值。

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1 绪论

1.1 课题研究的背景、目的及意义

1.2 红外光学气体检测技术

1.3 红外光学气体传感器国内外研究现状及发展趋势

1.4 本课题主要研究内容

1.5 本章小结

2 红外光谱吸收气体理论

2.1 待测气体吸收谱线特性

2.2 多组分气体测量原理

2.3 三气体传感器检测模型

2.4 本章小结

3 三气体传感器光学系统设计

3.1 传感器光学系统总体设计

3.2 红外光源的选择

3.3 红外探测器的选择

3.4 气室结构确定

3.5 微型光学气室设计

3.6 防尘防潮措施

3.7 传感器光学系统集成

3.8 本章小结

4 三气体传感器检测系统设计

4.1 传感器检测系统总体设计

4.2 微弱信号滤波放大电路设计实现

4.3 光源调制电路设计与测试

4.4 微处理单元电路选择

4.5 电源和报警电路设计与实现

4.6 检测系统抗干扰措施

4.7 本章小结

5 多组分气体浓度计算与测试

5.1 多组分气体浓度计算与补偿方法

5.2 传感器的标定与测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢