基于红外传感器的气体浓度测量系统设计

摘要

随着科学技术的快速发展，越来越多的领域需要对气体浓度进行快速、准确、在线地测量。传统的气体浓度测量方法，如气敏传感器、气相色谱法等无法满足上述需求。本文研究了一种基于红外传感器的新型气体浓度测量系统，利用红外吸收光谱原理，可以实现对气体浓度的在线、非接触测量，同时具有气体选择性好、稳定性好、灵敏度高、响应速度快等优势。
　　 本文以CO2气体为目标气体，分析了红外光谱吸收原理和朗伯-比尔定律，建立了红外CO2吸收模型并求出了浓度计算方法，确立了NDIR(Non-DispersiveInfrared)测量系统的总体设计方案。在系统的设计和开发中，主要包括三个部分。
　　 1.光学部分。对光学系统所涉及的光源、探测器、气室等部件进行了讨论和比较，选择了合适的部件，设计了系统光路，完成了光学系统的设计和安装。
　　 2.硬件部分。结合光源和探测器的信号特征，在硬件电路功能分析的基础上，实现了功能硬件模块化设计，包括：光源驱动、信号处理、A/D转换、控制、显示、温控几个功能模块，并针对干扰因素进行了系统抗干扰设计。
　　 3.软件部分。基于PIC单片机和PICC语言，结合硬件电路的信号特征和功能要求，编写了主程序、数据采集子程序、数据处理子程序和显示输出子程序，并进行了调试。
　　 在设计好系统三个部分之后，对系统的各功能模块进行了调试，完成了系统标定的理论推导，实现了系统的初步实验验证，提出了切实可行的实验方法，最后进行了误差理论分析。实验结果表明，系统可以达到预期性能指标，实现对气体浓度的快速、准确、在线测量。