基于弛豫铁电单晶热释电红外探测器的非分散红外线气体监测系统

摘要

随着全球范围内空气污染的加剧以及人们对空气污染问题重视程度的提高，气体传感器和气体检测仪器的发展已成为全球关注的焦点。国内外各大研究机构和公司也相继开发了多种污染物排放检测技术与设备，其中对固定污染源、特别是CO2、VOCs等气体排放的在线检测尤为关注。目前市场上主要的气体检测器多为催化燃烧式、电化学式、光电子式以及红外吸收式，其中红外吸收式气体检测器因其稳定性好、使用寿命长、响应时间短、精度高、不易中毒而成为市场发展的主要方向。针对高精度气体检测系统的发展和应用需求，本论文设计并研制了非分散红外线（NDIR）气体检测系统，主要包括：设计气体检测系统的光路结构；制备基于弛豫铁电单晶的高性能热释电型红外探测器，并将其应用于系统光路设计中；设计气体检测系统的硬件结构，使用C语言编写模块化程序；对完整的气体检测系统进行吸收实验，对实验结果数据进行处理，误差分析及标定。 在系统的光路部分，为了验证系统整体的可行性，我们首先分析了气体吸收的光谱特点。通过研究CO2气体的中心吸收峰波长及峰宽，结合Lambert-Beer定律，确定了CO2气体的红外吸收模型，并借助差分检测方法，进一步修正模型，减小理论误差。经过筛选最终确定光路部分红外光源的工作条件为3.3V、5Hz的方波驱动，密闭气室选用自行设计的多重反射镀金气室。系统的研究了光路部分的重要组件—红外探测器，通过对弛豫铁电单晶性能的调控以及灵敏元制备工艺的优化，制备出了高性能的热释电型红外探测器，探测器的比探测率高达1.5×109 cmHz1/2/W，是基于TGS、LiTaO3单晶的商用探测器的2倍以上。 系统电路部分主要由光源驱动电路、信号处理电路、单片机电路组成。使用晶体管作为开关，控制红外光源激励信号；使用液晶显示屏作为显示单元，简单高效的完成电信号采样、处理、分析、显示等功能。在系统的主体程序中，首先系统开机后首先进入主程序，然后各个模块进行初始化，等待中断触发ADC采集，将数字信号经过处理，计算出浓度值并输出显示。其中通过对CO2气体浓度与探测器输出电信号之间Lambert-Beer定律的实验修正，开发了适用于系统的CO2气体浓度反演算法。 在系统性能部分，我们首先建立了NDIR气体检测系统精度的计算模型，估算出了系统的理论精度约为7 ppm，远高于市面上主要产品的精度。另一方面，测试并计算出系统的实际精度约为23 ppm。详细分析了影响实际精度的因素，发现光源的频谱特性、光源发射功率的不稳定性、光源与探测器的失配、杂散光辐射、温度漂移等是造成实际精度偏低的主要因素。 本论文所设计的基于弛豫铁电单晶热释电红外探测器的非分散红外线气体检测系统实现了对CO2气体浓度的在线检测，精度高达23 ppm，量程为0–2000 ppm(可增大至5000 ppm)。该系统不仅精度高，而且成本低、体积小，将在医疗预诊断、智能穿戴、工厂废气监控、家居检测等领域具有广阔的应用前景。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 气体检测技术概述

1.3 红外探测器概述

1.4非分散红外气体检测系统的国内外研究现状

1.5 本论文选题依据和主要研究内容

第二章 非分光红外气体检测系统的工作原理

2.1 Lambert-Beer定律

2.2 差分检测方法介绍

2.3非分光红外气体检测系统优势

2.4本章小结

第三章 基于弛豫铁电单晶热释电红外探测器的制备

3.1 弛豫铁电单晶性能调控

3.2 弛豫铁电单晶的光学特性

3.3 弛豫铁电单晶灵敏元的制备

3.4电流模式探测器的制备与性能优化

3.5本章小结

第四章 非分光红外气体检测系统的设计制备

4.1系统的总体设计

4.2 系统的光路结构设计

4.3 系统的硬件电路设计

4.4 主程序流程

4.5气体浓度标定分析

4.6 温度漂移分析

4.7 本章小结

第五章 系统的实验结果与误差分析

5.1 系统精度理论计算

5.2 实验结果得出

5.3 误差分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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