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毕业论文:红外CO₂浓度传感器性能优化设计

发表时间:2013/9/5 18:23:52


毕 业 论 文
(科 学 研 究 报 告)
题 目 红外CO₂浓度传感器性能优化设计
院(系)别 机电及自动化学院
专 业 测控技术与仪器

摘 要
随着科学技术的不断发展和人们对温室气体关注的日益提高,在工业生产和日常生活等诸多方面都越来越需要对CO₂ 气体的浓度进行监测与控制。目前使用的CO₂ 气体浓度分析方法主要有电化学法、电气法、色谱法、光学吸收法等。其中红外吸收法因其灵敏度高,精度高,响应快,体积小,可靠性高,寿命长,可以实现连续分析等诸多优点正在成为目前CO₂气体浓度测量领域发展的新方向。
论文从CO₂浓度探测器的背景和现实意义开始,详细介绍了CO₂探测器的各个方面,探讨了研制CO₂浓度探测器的意义与基于NDIR的CO₂浓度探测器的实现原理。论文介绍了基于NDIR 的CO₂浓度探测器中的红外光源与红外探测器的选择,并详细介绍了红外光源与红外探测器的选择理由以及性能。基于NDIR的CO₂浓度探测器的_器件为MIRL17-900红外光源与TPS2534红外探测器。在这两个_器件的基础上,论文介绍了光源调制的选择,实验气室的设计,后续放大滤波电路的设计与制作,单片机系统设计以及扩展电路的设计。
本文通过分析CO₂浓度红外检测技术原理和方法, 给出了其硬件实现的系统方案。该装置采用了新型脉冲调制红外光源,减少传统光源不稳定性对系统精度的影响。并通过高精度的A/D 转换电路和放大电路对其产生的信号进行采集。以AT89C52单片机为中心的处理系统对信号进行处理后,将实时地显示出CO₂浓度值。

关键词:红外探测器,红外光源,非分红外,二氧化碳

ABSTRACT
Along with the development of science and technology and people to the attention of the greenhouse gases is increasing day by day, in the industrial production and daily life and many aspects that need more and more of the concentration of the gas CO₂monitoring and control. Current use of CO₂gas concentration analysis method mainly have electrochemical, electrical method, chromatography, optical absorption method, etc. Infrared absorption method of because of its high sensitivity, high precision, fast response, small size, high reliability, long life, can
……(新文秘网https://www.wm114.cn省略2152字,正式会员可完整阅读)…… 
..5
  1.4.1 本课题研究的意义................................................5
1.4.2 本课题主要工作..................................................6

第二章 红外CO₂气体探测基本原理 7
2.1 红外辐射及其特点 7
2.2 红外吸收原理 7
2.3 CO₂对红外光的检查原理 9
2.4 基于NDIR的CO₂探测器原理 11
    2.4.1红外吸收气体检查的构成..........................................11
2.4.2红外吸收原理的优点 ............................................13

第三章 CO₂探测系统结构及光路设计 14
3.1 红外光源............................................................14
3.1.1 系统机构设计..................................................14
3.1.2 激光红外光源.................................................16
3.2 气室设计............................................................16
3.3 红外探测器及选择....................................................22
3.3.1红外热探测器...................................................23
3.3.2红外光探测器....................................................23
3.3.3红外探测器的确定 23

第四章 检测硬件电路设计 25
4.1 信号检测电路与优化设计..............................................25
  4.1.1 光源驱动电路设计..............................................25
  4.1.2放大滤波电路设计................................................25
4.1.3 检测电路原理图.................................................26
4.2软件系统的原理图....................................................26

第五章 系统软件的设计 27
5.1 本设计的主程序流程..............................................27
5.1.1 软件系统原理图............................................28
      5.1.2 软件系统PCB..............................................29
5.2 系统各模块软件设计..............................................31
5.2.1 显示模块..................................................31
5.2.2 A/D转换模块..............................................33
5.3 软件调试........................................................35

第六章 实验总结与展望………………………………………………………..36


参考文献

附录

致谢









第一章 绪论
1.1 选题的背景和现实意义
随着人类社会的进步和科学技术的发展,人们的生活水平得到了迅速提高,工业生产规模也迅速扩大,但同时导致了二氧化碳的排放成倍增长,如温室效应,土地荒漠化程度加速等,严重影响并破坏着人类的生存环境。另外,二氧化碳是作物光合作用的主要原料,其含量合适与否直接影响作物的生长。近年来,随着人们环保意识的增强,科技进步的进步,如何快速检测二氧化碳的含量,削减二氧化碳的排放,已成为各级政府和广大有识之士特别关注的问题。
近百年来,全球地面平均气温增加了0.3摄氏度~0.6摄氏度,20世纪80年代成为20世纪最热的10年。全球气候系统在短时期内发生如此大幅度的变化,已经并将继续对自然生态系统造成重大影响,进而威胁到人类的生存和发展。例如干旱和半干旱地区干早加剧,海平面上升、厄尔尼诺现象发生频率和强度的增加,以及暴雨、冰雹、洪水等灾害性和极端气候事件影响范围的扩大等。全球气候变化将会给自然生态系统带来一系列的环境、经济、社会问题。
自1975年以来,地球表面的平均温度已经上升了0.9华氏度,由温室效应导致的全球变暖已成了引起世人关注的焦点问题。学术界一直被公认的学说认为由于燃烧煤、石油、天然气等产生的二氧化碳是导致全球变暖的罪魁祸首。温室效应会导致许多的可怕的后果,包括南北极冰川融化全球海平面上升等一系列严重的后果。全球海平面的上升将直接淹没人口密集、工农业发达的大陆沿海低地地区,因此后果十分严重。1995年11月在柏林召开的联合国《气候变化框架公约》缔约方第二次会议上,44个小岛国组成了小岛国联盟,为他们的生存权而呼吁。
此外,研究结果还指出,CO2增加不仅使全球变暖,还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。包括我国北方在内的中纬度地区降水将减少,加上升温使蒸发加大,因此气候将趋干旱化。大气环流的调整,除了中纬度干旱化之外,还可能造成世界其他地区气候异常和灾害。例如,低纬度台风强度将增强,台风源地将向北扩展等。气温升高还会引起和加剧传染病流行等。以疟疾为例,过去5年中世界疟疾发病率已翻了两番,现在全世界每年约有5亿人得疟疾,其中200多万人死亡。
所以说温室效应已是当今世界公认的环境危机,减少温室气体的排放改善全球的环境需要每一个国家的努力。相信大家携起手来一定能创造一个更加和谐更加美好的家园。
然而市场上绝大部分检测装置由于体积大、成本高而且经常需要校准,不能满足人们在日常生活中对环境中气体浓度检测的需求。所以也急需研制集成化、小型化和精度高的气体检测仪表,用以增强人们对环境的监测能力。因此研究并设计二氧化碳检测具有十分重要的意义。
1.2 气体探测的方法
气体分析的方法众多,除了光学吸收法(红外吸收法和紫外吸收法等)外,常用的
有:光干涉法,载体催化法,气敏半导体法;红外检查法,以下简要介绍:
1.2.1光干涉类型
利用光干涉检测原理,可以测定多种气体浓度,在煤矿中主要是测定甲烷和二氧化碳浓度。这类仪器利用甲烷的折射与空气的折射不同而制成。由同一光源发出的两束光
分别通过充有空气的参比气室和充有测量气体的测量气室后,再相遇时两束光会产生干
涉条纹。待测气体中瓦斯浓度不同,干涉条纹的位置就不同,根据干涉条纹的位置就可
以测定瓦斯的浓度。
光干涉型瓦斯检测方法已在煤矿中使用了半个多世纪。与载体催化型原理相比,光
干涉型仪器不存在高浓度瓦斯冲击或“激活”影响及中毒问题,使用寿命长。由于是采
用压力法校准,无需标注氧气,现场使用方便。
光干涉型瓦斯检测仪也存在一些缺点,如受氧气和二氧化碳含量的影响,选择性较
差;受温度与气压影响而产生误差等。目前,把干涉信号进一步变成电信号还有一些困
难,因此光干涉型瓦斯检测仪很少用于瓦斯遥测方面。
1.2.2载体催化类型
载体催化型检测原理:甲烷和氧气在载体催化元件表面反应,放出反应热,使元件
温度上升,元件的温度增量将引起元件的电阻增加,通过测量电阻增量就可以测定甲烷
浓度。载体催化原理是目前实际应用中性能较为有效和可靠的一种探测可燃性气体浓度
的方法。
20世纪80年代初,世界各产煤国均先后完成了从传统的光干涉型向载体催化型的过
度。该类仪器以其信号输出易于处理、灵敏度高、响应时间短、受湿度和温度影响小、
结构坚固、便于使用和价格低廉等一系列优点,成为目前国内外自动检测瓦斯的主要仪
器。但是也存在测量范围小、易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零点漂移和灵敏
度漂移等问题。
1.2.3气敏半导体类型
气敏半导体型瓦斯检测仪是近几年发展比较迅速的一种检测方法,它是利用某些会
属氧化物在特定温度下,吸附不同气体后电阻率将发生大i幅度变化这一原理制成的。气
敏半导体元件具有灵敏度高、能耗少、寿命长等优点,不存在载体催化元件中毒影响等
问题。
其缺点也较明显:一是选择性差,尤其是受水蒸气影响严重,虽然通过添加某些元
素或改变反应温度可以适当提高其选择性,但作用不大;二是线性测量范围窄,测量可
燃性气体浓度的精度较差。由于存在上述问题,目前在煤矿使用较少。
1.2.4红外检查类型
红外型瓦斯检测仪是基于光谱原理的检测仪表。光谱法通过检测样气透射光强或反
射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征。光源
的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收,吸收后的光强将发生变化,从谱
范围上可划分为红外光谱吸收法和紫外光谱吸收法。气体分子除了吸收谱外,还有其反
射谱。瑞利散射的强度只与分子的散射截面和浓度有关,光予的频率不会发生改变,而
喇曼散射除了强度与分子浓度有关外,光子的频率也会发生改变,称为频移。频移的大
小与分子结构有关,频移谱线的强度与分子浓度成J下比,通常把散射频率尽小于激发
光子频率fi的散射谱叫做斯托克斯谱,而把散射频率fs大于激发光子频率fi的散射
谱叫做反斯托克斯谱,喇曼散射检测技术广泛的应用于监测大气环境的激光雷达中。
红外气体分析法基于气体对特定波长的红外线有吸收,吸收满足Lambert Beer定律
I(λ)=I0(λ)e-k(λ)LC (1-1)
式中 I0(λ)——入射光的强度;
I(λ)——透射光的强度;
L——辐射通过气体层的厚度;
C——被测气体的浓度;
k(λ)——吸收截面,cm2•g-1,即每克吸收气体吸收系数,是波长λ的函数。
当气体吸收了特定波长的红外辐射,并由其产生特定的振动或转动运动从而引起偶
极矩的净变化,产生气体振动和转动能激发从基态到激发念的跃迁,使相应于这个区域的透射光度减弱。因此,特 ……(未完,全文共33599字,当前仅显示6043字,请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文:红外CO₂浓度传感器性能优化设计》