基于ndir的co浓度探测器研制论.doc

华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计(论文) 毕 业 论 文 （科 学 研 究 报 告）题 目基于NDIR的CO浓度探测器研制（硬件）院(系)别专 业级 别2007 学 号姓 名指导老师 华 侨 大 学 教 务 处 2011年5月1 摘 要本论文的内容为基于NDIR的CO浓度探测器研制的硬件部分，具体内容可分为CO浓度探测器的现状、发展趋势和分类，基于NDIR的CO浓度探测器的原理，探测器的硬件设计，基于实验室条件下探测器的制作，以及探测器的性能调试。论文从CO浓度探测器的现状、发展趋势和分类开始，详细介绍了CO探测器的各个方面，探讨了研制CO浓度探测器的意义与基于NDIR的CO浓度探测器的实现原理。论文介绍了基于NDIR 的CO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CO浓度探测器的核心器件为MIRL17-900红外光源与TPS2534红外探测器。在这两个核心器件的基础上，论文介绍了配套的光源调制，实验气室，后续放大滤波电路的设计与制作，以及扩展电路的设计。论文中所制作的硬件部分均在实验室条件下完成，各个硬件在现有的制作条件下尽可能的达到理想效果。论文中还具体阐述了硬件制作过程和制作过程中的注意事项。制作的硬件系统经过测试与调试，根据实验中所阐述的方法制作出来的基于NDIR的CO浓度探测器符合实验要求，达到了预期目的。基于NDIR的CO浓度探测器硬件部分研制的实现证明了在实验室条件下也可以研制出CO浓度探测器，并且在这个基础上可以继续完善，使之成为一个可以在实际生产生活中广泛应用的产品。关键词：TPS2534，MIRL17-900，NDIR，COiii ABSTRACTThis paper based on the content of NDIR concentration of CO detector developed hardware, the concrete content can be divided into the concentration of CO detectors situation, development trend and classification based on the NDIR, the principle of concentration of CO detector, the probes hardware design, based on the laboratory condition of production, and detector probe the performance test. The concentration of CO detector papers from the current situation, development trend and classification start, introduces CO detector each aspect, discusses the significance of the concentration of CO detector developed based on NDIR with the realization of the principle of concentration of CO detector. This paper introduces the NDIR concentration of CO detector based on the infrared light source and infrared detector choice, and introduces the infrared light source and infrared detector reasons for choice and performance. Based on the NDIR concentration of CO detector for MIRL17 core device with infrared light TPS2534-900 infrared detectors. In these two core device basis, this paper introduces a matching lamp-house modulating, experimental gas chamber, the subsequent amplification filter circuit design and production, and expansion circuit design. The paper made in the laboratory hardware components are complete, under the condition of different hardware in the existing production conditions as far as possible to achieve the ideal effect. Paper also elaborated specifically hardware manufacture process and manufacture process in precautions. Making hardware system after testing and debugging, elaborate the according to experiment the method of making based on the NDIR out the concentration of CO detector conforms to experimental requirements, the expected purpose is reached. Based on the NDIR concentration of CO detector the realization of hardware components in developed proved laboratory conditions can also developed the concentration of CO detector, and on this basis can continue perfecting to become a living in practical production extensive application of products. Keywords：TPS2534，MIRL17-900，NDIR，CO目 录第一章 绪论11.1 气体探测器现状及发展趋势11.1.1气体探测器现状11.1.2气体探测器发展趋势21.2 CO浓度探测的意义31.3 CO探测传感器的分类41.3.1电化学气体传感器51.3.2催化可燃气体传感器51.3.3固态传感器61.3.4红外传感器61.4 基于NDIR红外分析现状7第二章 CO探测基本原理82.1 朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律82.1.1朗伯-比尔定律的两个重要参数82.2 红外光在电磁波谱中的位置92.3 CO对红外光的吸收102.4 基于NDIR的CO探测器原理11第三章 CO探测系统设计133.1 总体方案设计133.2 调制红外光源设计133.2.1红外光源的选择133.2.2调制红外光源的实现163.3 气室设计173.4 红外探测器及选择173.4.1红外热探测器183.4.2红外光探测器183.4.3红外探测器的选用183.5 整体电路设计203.5.1稳压源电路设计203.5.2放大滤波电路设计213.5.3模数转换电路设计23华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计(论文)第一章 绪论1.1 气体探测器现状及发展趋势 1.1.1气体探测器现状 探测工作场所的可燃气体和有毒气体从而来监控现场空气状况，从而来保证工作现场的安全可以追诉到隋代甚至更早，将鸡或鸟放到密闭的空间，观察它的的健康状况，从而确保现场的安全状况。这是采煤工人和探险人员一度采用的“高科技”方法。如今广大的工人和公众不必依赖敏感的鸟类，现代气体监控仪表要先进的多。气体探测和监控是当前比较热门的技术，已经在工业生产、医学诊断、环境监测、国防等领域得到了广泛应用。我国在上世纪50年代已有相关方面的研究，与发达国家相比，在时间上并没有绝对的差距（一般国际上气体探测器起始于上世纪50年代的电化学传感器产生），不过国际上最早的气体探测器起始于上世纪20年代的催化燃烧气体传感器产生。 气体探测器市场发展的最大推动力是国际上对爆炸性气体环境控制和有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，法规的建立降低由于在狭窄空间内危险气体的存在所造成的事故数量，同时使得人们对家庭中出现的有害气体污染和爆炸性气体的危险的关心程度大幅度增强，这就使得气体探测器有了广泛的市场，如今气体探测器已经广泛的运用到了工业、环保、国防等诸多领域。 仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国已有7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。目前我国已有黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市等发布文件。随着城市燃气化的扩大、政府立法和人民安全保护意识的提高，城市家庭安装气体报警器必将很快推广普及，一氧化碳、氢气敏元件探测器的需求量将会急剧增加。随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的探测和监测设备提出了较高的要求。气体探测器近年来得到了很大的发展。气体探测器的发展应用越来越广泛。 1.1.2气体探测器发展趋势 （1）气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 目前，气体传感器的发展趋势集中表现为提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了探测（0.110）106硫化氢低功耗气体传感器，英国CITY公司推出MICROceL微型传感器， 美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。 （2）气体传感器向智能化方向发展 增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。深圳特安电子有限公司的ESD3000系列产品就采用的智能传感器技术， 在传感器部门埋入微处理智能芯片，实现传感器的的智能化、多功能化和标准化。 （3）气体探测器技术与现代通讯技术和数字技术结合 现代通讯技术和数字技术的发展，带动了气体报警器技术的发展。现场一次仪表和二次仪表的通讯，二次仪表和其他仪表的通讯应用了485、Modbus和Hart的数字通讯技术， 提高仪表的智能化程度。 特安公司的ESC3000/ESD3000系列产品带有485、Modbus和Hart的数字通讯技术，是国内第一款具有Hart的数字通讯技术的气体探测器产品。 （4）产品的输出控制模块化 产品的输出控制单独模块化处理，和二次仪表之间使用现代通讯技术来管理和控制，智能管理和编组，实现智能化和多功能化。特安公司推出的ESC500型总线产品和日本新宇宙公司一款产品就具有此项功能。这一功能特别适合智能大厦的气体安全控制，上海金茂大厦气体控制就采用了此项目技术。 （5）现代电子技术的结合 随着现代电子技术和产业的发展，一些新的产品和技术被应用到气体探测器上，如彩色液晶显示屏，多层板和SMT技术等。 （6）多合一产品，集成化产品 随着用户对安全工作越来越重视，市场出现二合一、四和一产品，如英思科公司的四合一的便携产品，深圳特安公司的二合一的固定式产品。国家即将出台的新的法规规定石油化工企业探测有毒气体现场必须配备声光报警器，北京华德和深圳特安都有外置防爆声光报警器配备的气体探测器，深圳特安推出的一款ESD3000型的产品，把声光报警器集成到气体探测器内部，节省空间，降底故障率，这是将来的一个趋势。 （7）气体探测器标准规范化，和国际标准接轨 中华人民共和国国标GB15322-2003已于2003年12月1日起实施，老的标准执行到2004年7月30日止。GB15322-2003可燃气体探测器是在原国标GB15322-94可燃气体探测器技术要求及试验方法的基础上，结合了多年实施情况和我国可燃气体探测器的生产现状，参考了1999年版欧洲标准EN50054、EN50055、EN50056、EN50057和EN50058，制定了新标准的技术要求。国家标准和国际标准的接轨，推动中国产品向国际靠拢， 为中国产品走向世界奠定基础。 （8）产品的规范化，规模化 2006开始，公安部加强了对气体探测器产品的管制， 取缔了一些无牌无证的生产、销售单位。公安部消防产品型式认可中心（CCCF）定期在网站上公布合格企业名单，从最初的上千家单位，到目前为止，只有106家合格单位。一些小的企业，三无企业被淘汰出时常，规范了市场秩序，逐渐现成了一些规模化的企业。深圳特安电子有限公司目前是国内最大的一家可燃、有毒气体探测器设计、制造和销售的单位。 （9）产品的国际化 气体探测器产品的国际化，世界市场销售的产品，有相当部分都是在中国生产的。华瑞（RAE）和英思科（Idsci）在中国上海设厂，梅思安（MSA）在无锡设厂，美国通用探测国际公司（GM）和无锡格林通合作，霍利韦尔公司和深圳特安进行ODM合作。国内一些公司通过和外资企业的合作、合并促进了我国气体探测器的发展，是我国气体探测器达到国际水准。但是在这一过程中，一些原有的国内企业在合并中完全被外资控制，失去原有的品牌，让中国气体探测器产业控制在外资手中，这值得深思。国内厂商也开始走向国际市场，取得国际认证（CE认证和UL认证）。深圳特安电子有限公司是国内最早的一家走向世界的单位，国内第一家取得CE、UL认证的工厂， 产品远销售欧美，南美洲，中亚，西亚。1.2 CO浓度探测的意义CO是一种有毒的可燃可爆炸性气体。它给工业安全生产带来巨大危害，在煤矿井下,CO是引起瓦斯爆炸的主要气体之一。在化工生产中CO是一种有毒的危及工人生命安全的副产品。CO也是钢铁冶金工业生产中的有毒气体，在冶金企业的焦炉、高炉、铁合金矿热炉等冶炼生产中都有大量CO产生。在火灾的早期预测预报中，CO也被确定为监测的最重要气体之一；在日常生活中，CO是智能家居系统、大气环境污染监测等重要的参数指标。为了实现对CO的探测，装设可燃气体探测器，及时发现事故隐患、尽早采取补救措施是非常必要的。保证工业安全生产、工作和生活环境的空气质量而进行的有害气体浓度探测是非常复杂而重要的课题。以往采用探测管、电化学式和载体催化元件等方法，有测量精度低、容易中毒老化、探测范围小、寿命短等缺点。采用红外技术探测CO不但克服了以往探测方法的不足，而且还具有选择性好、连续分析、响应速度快等优点。这些优点除了适用于地面气体探测外，更能适用于矿井气体的探测环境，因此将红外技术应用于矿井CO的探测是具有重要的意义和良好的应用前景。在工业生产、环境保护、环境监测、日常生活、医疗卫生和防疫及军事等领域需要监测CO气体浓度。工业铝电解等产生大量的CO气体。目前随着城市煤气、天然气使用的迅速发展，城市鼓励液化气小区取代传统的家用液化气纲瓶以及城市里加油站的日益增多，这些因素都可能有大量CO出现，因而对CO气体的探测显得日益重要。在气体的生产、输送、储存和使用过程中，违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄露现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。实时、准确地测出这些场合CO气体的浓度，对有效防止CO中毒，火灾的早期预测预报、保障工业安全生产等方面具有十分重要的意义。 CO是一种有毒易燃易爆性气体，常温下无色、无臭、难溶于水，但易溶于氨水。由于相对密度约低于空气，故能均匀地扩散于探测环境中。在受CO的人们慢性中毒时完全意识不到它的存在，CO的这一特性更增加了它的危害性。CO随着空气豪无知觉的吸入人体肺部后，由于CO与血红蛋白的亲合能力比氧气和血红蛋白的亲和力大约高250-300倍，形成碳氧血红蛋白（COHb）。而且它们结合后不易分离，它们的解离速度只有氧和血红蛋白的1/3600。因而造成血红蛋白更能与CO结合而不容易与氧气结合，使输送到人体各组织器官的血液供养不足。甚至还能夺走人体内的氧气，导致组织低氧症，使人体脑及全身组织缺氧窒息而中毒。它主要对人体的中枢神经、心血管和血液系统三方面造成毒害。如果血液中50%的血红蛋白与CO结合，即可引起心机坏死，当空气中CO的含量达0.1%（体积比）时，就会引起中毒，导致低氧症，甚至引起心机坏死。低浓度长期暴露或反复发生轻度急性中毒可引起判断力障碍、手指感觉障碍、记忆减退、无力等症状。CO记性中毒主要造成精神衰弱，智力和精神障碍，植物神经功能衰乱等，同时还会造成心血管等疾患及心脑、肾等器官的损害。因此，CO是一种危害极大的空气污染物。在煤矿井下、化工厂、铁刚冶金等行业中往往都有大量的CO生成，日常生活的天然煤气也含有大量的CO。特别是当井下发生煤层气泄露、特殊煤层地质条件下，可能使矿井CO气体涌出局部积聚而超标。从矿井中涌出的CO气体，使得井下CO浓度局部过高，这也需要对浓度作正确的探测。因而探测CO对维护工业安全生产、预防中毒和保障工人生命安全具有重要的意义。1.3 CO探测传感器的分类 目前主要有以下四种CO探测传感器：电化学传感器、催化可燃气体传感器、固态传感器和红外传感器。 1.3.1电化学气体传感器 电化学式气体传感器主要有化学原理电池式、定电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。其中以化学原电池和定电位电解式的应用最为广泛。 在石油化工生产系统中，电化学传感器是使用最普遍的CO传感器。在CO自动监测系统中，电化学传感器占三分之二，而便携式探测仪则几乎全部为电化学式。电化学气体传感器的典型装置是由阴极和阳极组成的，阴极是探测电极，阳极和阴极之间充有一层薄的电解质，当气体与传感器电解液接触时，在探测电极表面发生氧化还原反应，反应产生的 电流大小与气体浓度成正比。 定电位式是通过测量电解时流过的电流来探测气体的浓度，它是在工作电极和参考电极之间加一特定电压，当敏感元件接触到环境中扩散的CO气体时，CO气体通过敏感元件透气膜扩散进入到具有恒定电位的工作电极上，在电极催化剂作用下与电解液中的水发生氧化反应，其电化学元件电池中发生电化学反应如下： 工作极上： 对极上： 总反应： 在工作电极上所释放的电子产生的电流与CO气体浓度成正比。定电位式是目前在市场上应用最为广泛的一种电化学式气体传感器。 电化学式气体传感器的主要不足是：除了与待测的气体发生化学反应外，而且对其他杂质气体也会发生反应，因而在有干扰气体存在的地方这类传感器的应用就受到一定的限制，电化学气体传感器需要定期标定，在使用1至3年后需要更换。使用电解溶液的传感器需要定期填充电解液。 1.3.2催化可燃气体传感器 催化可燃气体传感器探测元件是由经金属氧化物催化处理，（用氧化铝载体覆盖，上面涂以铂铝等催化剂）的铂丝螺线圈制成。可然性气体分子在金属线圈表面燃烧，引起温度升高，使铂线线圈阻值改变。CO在铂丝上燃烧产生的热量，使铂丝阻值上升，瓦斯浓度越高，燃烧产生的热量越大，铂丝阻值也越高，从而使原来平衡的电桥变得不平衡。铂线圈电阻改变的大小和气体浓度成比例，相应的得到一个与气体浓度成比例的电信号。 这类传感器的缺点是：有些化学品会使传感器的催化剂中毒，致使传感器失效。例如，硅化物、硫化物和氯等就能使催化剂中毒。不宜探测高浓度可燃气体，可燃气体浓度越高，在探测元件上燃烧产生的热量也越高，当热量超过一定限度后，就会烧坏探测元件。易受高浓度CO和硫化物的侵蚀，使用一段时间后，零点产生漂移，灵敏度下降，因此每隔一段时间就要用标准气体进行零点和灵敏度的校正。不能排除其他杂质的干扰气体与探测元件发生反应，因而选择性差。 1.3.3固态传感器 固态传感器的工作敏感元件是由一种或几种过渡金属氧化物组成的，金属氧化物通常为SnO、SnO2、Fe2O3三类材料。这些金属氧化物通过制备和加工成珠状或薄片型传感器，将加热置入传感器中使它保持在最佳探测温度上。工作原理是当加热器将感测材料升到高温，氧气会被吸附在感测材料表面，然后从感测材料的导带捕获两个电子而形成氧离子，造成感测材料的电阻值上升，而当还原性气体，如CO吸附在感测材料的导带，便造成电阻值下降，电阻值的变化与气体体积分数具有函数关系，当探测气体出现时，金属氧化物将气体电离成带电的离子或复合物，从而导致电子的转移。由置入金属氧化物中的偏置电极可测出传感器电导率的变化，传感器电导率的变化与气体浓度成比例。 固态金属氧化物传感器的缺点是：它的选择性很差，对可能造成误触发报警的干扰和背景气体敏感，易受其他还原性气体等挥发性有机物的干扰，误警概率明显高于其他技术。需要一直处于工作状态，否则固态金属氧化物传感器将氧化而进入“睡眠”状态，因而不能用于气体泄漏的探测，固态金属氧化物传感器提供的是非线性输出，与具有线性输出的电化学传感器相比，不易标定。 1.3.4红外传感器 红外吸收式气体传感器的探测原理是基于朗伯比尔定律。当有红外光照射气体分子时，被测气体分子就会吸收自己相应波长（特征吸收频率）的红外光。气体的特征吸收频率的红外光是由分子种类决定的。气体吸收红外光能量的多少与气体浓度相关，因而可以通过测定红外光被吸收能量的多少来测定气体浓度。通过分析红外光被气体吸收频率（吸收带）和能量多少来确定它的成分和浓度。红外吸收气体传感器具有灵敏度和准确性高的优点。相比于催化燃烧型，它的反应速度极快。没有消耗件，后期维护费用远远低于其他方法。红外吸收气体的传感器结构简单，适用于工作区空气质量探测，可探测高浓度的CO、CO2气体和碳氢化合物气体等。传感器元件、光学器件等不与气体直接接触，不受气体本身影响。没有传感器老化、疲劳或烧坏等问题，容易实现满足防爆要求的结构，这在煤矿、井下等要求防爆的场合特别适用，不受铅、硫等有毒物质的影响，没有催化燃烧型的中毒现象，有很高的稳定性和可靠性。准确度不受氢化合物气流速度的影响，不会因探测气体浓度过高而导致误测量的现象。同时它内部无化学反应发生，在测量中不需要氧气和空气，适用于缺氧地区（低于10%），甚至可应用于惰性气体环境中浓度探测，尤其适用于对某一频带红外线有较强吸收能力的碳氢化合物，如甲烷、乙烷、丙烷等。采用防尘罩、防溅罩和镜面加热等技术，使之更能适应十分恶劣的探测环境。红外吸收式气体传感器可以探测多种气体，而具有灵敏度高、气体选择性好、可靠性好、相应速度快等优点。红外吸收气体传感器与计算机结合，可以实现连续测试分析气体。实现自动校正、自动运行的功能。1.4 基于NDIR红外分析现状 NDIR为英文Nondispersive Infared的缩写，意为非分光红外。基于NDIR红外分析技术作为一种快速准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍。国外NDIR仪器占有率在70%左右,国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用国际上20世纪80年代初的红外气体分析方法,如采用镍锘丝作为红外光源、电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等。由于采用电机机械调制,仪器功耗大、稳定性差、造价也很高；同时采用薄膜电容微音器作为传感器使得仪器对震动十分敏感,因此不适合便携测量。此类仪器一般为合资生产,在我国价格为38万元,价格因素也限制了NDIR仪器在我国的广泛使用。随着红外光源、传感器及电子技术的发展,NDIR红外气体传感器在国外得到了迅速的发展。主要表现在无机械调制装置,采用新型红外传感器及电调制光源,在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统,使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有很大的优势。第二章 CO探测基本原理2.1 朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律当某物质受到红外光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转换为另一种能量，即分子的振动和转动能量。在吸收过程中，分子的振动频率与分子的特性有关，辐射只是在这些频率对应的波长处被吸收。利用这一点可以测量物质对红外辐射的吸收。非对称双原子和多原子分子气体（如CH4、CO、H2、SO2、NO和CO2等）在红外波段均有特征吸收峰，所以具有红外活性的分子可以通过其吸收光谱来辨别，即所谓的指纹区。在214.5m的红外吸收光谱范围内，混合物的成分可以很容易地区分。正是在这个波长范围内，物质对红外辐射的吸收是有选择性的。当红外辐射通过被测气体时，其分子吸收光能量，吸收关系遵循朗伯-比尔（Lamber-Beer)定律，如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应谱线处会发生光强的衰减，气体对红外辐射的吸收遵循朗伯-比尔吸收定律I()=I0()e-k()LC (2-1)式中 I0()入射光的强度；I()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()吸收截面，cm2g-1,即每克吸收气体吸收系数，是波长的函数。从式（2-1）可以看出，只要确定了L与K()的值，通过入射光和透射光的强度就能测出气体浓度。气体分子对红外辐射有选择地吸收是红外吸收光谱气体检测仪的理论与技术基础。它的工作波长是预先确定的，测量对象是一种或几种预先确定的物质，可以做连续的定量分析。2.1.1朗伯-比尔定律的两个重要参数通过以上对朗伯-比尔定律的分析，可以发现吸收截面系数k()和气室长度是该定律中两个重要的参数。对气体的定量检测，首先需要确定这两个因素。它们是气体定量检测的基础。以下就对这两个重要因素进行了简单的分析。（1） 朗伯-比尔定律吸收截面系数k()气体吸收红外光的能力与气体吸收截面系数k()有关。从理论上讲，吸收截面系数k()是一个只和气体有关的量。但是它受检测环境温度、压强、湿度等因素的影响，因此需要根据不同的检测环境对吸收截面系数k()进行修正。如何修正气体的吸收截面系数k()，是一个很重要的问题。它本身是一个与波长相关的参数。因此在计算时，需要根据不同的波长参数选择相应的吸收截面系数。但是气体吸收红外光在一个波长范围内（吸收带）比较明显，因此在这个吸收带内具有不同的截面吸收系数。（2） 吸收气室长度与检测量程的关系除了吸收截面系数k()是红外定量检测仪需要讨论的问题外，传感器气室长度的确定也是一个重要的问题，因为它直接关系到朗伯-比尔定律光程长L的计算。一般来讲，传感器气室长度是根据仪器检测量程来优化确定的。光程长L表示光在气体中穿过的实际长度。当红外光从气室一侧穿过达到另一侧探测器时，程长与气室长度相同。若气室中设计有反光镜时，红外光在气室中有反射，此时的程长计算应当乘上相应的倍数。可见，光学路径值与气室长度也密切相关。同时，对不同气体浓度范围应该选择不同L值。由朗伯-比尔定律可以知道，气室长度和吸收截面系数k()是该定律检测气体浓度的两个重要参数。仪器气体浓度检测范围是和设计的检测仪量程相关的。因此需要根据不同的检测量程，设计并选择最优的、适合仪器检测量程的吸收气室长度。2.2 红外光在电磁波谱中的位置红外光谱是一种电磁波。在电磁波谱中，它是比微波波长短，比可见光波长长的电磁波。通常谈及的光是指人眼能够感受的可见光。紫外光区和红外光区都是人眼无法感受的电磁波区域。红外辐射（Infrared radiation）实际是0.781000m的电磁波，所占的频率范围是在 = 3101141014Hz之间。由于0.781000m的波段位于可见光和微波之间，并且比红光的波长更长，所以红外辐射也称为红外线。图2-1表示了红外光在整个电磁波谱中的位置。图2-1 红外光在电磁波谱中的位置2.3 CO对红外光的吸收大气中的各种气体成分对红外线都有一定的吸收，但是每种气体吸收的红外线波段都有所不同。表2-1列出了几种气体的主要吸收波带。表2-1 大气中主要吸收组分的红外吸收带红外吸收带中心波长/mH2O0.941.11.381.872.75.26.27CO21.41.62.02.74.34.85.29.410.415O34.78.99.614N2O3.94.054.57.78.617.1CO2.34.6CH43.316.57.65由上表可知，CO对红外线的吸收集中在中心波长为2.3m与4.6m的波带内，没有其它气体对这两个波带的红外线进行吸收。由研究可知，CO对在中心波长为2.3m的波带的红外光为弱吸收，而对在中心波长为4.6m的波带的红外光为强吸收。图2-2表明了CO对红外光的吸收强度。图2-2 CO对红外线的吸收谱线由上图可知，CO对在中心波长为4.6m的波带的红外光有着极其强烈的吸收，吸收率接近90%。通过以上阐述，从原理上肯定了基于NDIR的CO浓度探测器的可行性，为探测器的研制打下了基础。2.4 基于NDIR的CO探测器原理基于NDIR的CO探测器核心装置为红外光源与红外探测器。红外光源发出特定波长的红外线，红外线通过气室照射在红外探测器上。气室为圆筒型，其中心与红外光源、红外探测器的中心在同一轴线上。基于NDIR的CO探测器核心装置原理图如图2-3所示。图2-3 基于NDIR的CO探测器核心装置原理图在上图中，气体分子扩散进传感气室。红外光直接穿过气室照在探测器上。探测器上有一个滤光片，只有CO分子能够吸收的4.6m波长的光能通过，其它的气体分子不吸收这种波长的光，只有CO分子能影响到达探测器的光强度。到达探测器的4.6m光的强度与传感气室的CO浓度有反向的联系。高浓度的CO分子比低浓度的要吸收更多的红外光。当传感气室的CO浓度为零时，探测器将“看到”所有强度的光。当CO浓度增加时，到达探测器的光强度显著的降低。红外光强和CO浓度之间的精确的联系是确定的，它可以用纯氮气(0 ppm CO)以及已知CO浓度(1000 or 5000 ppm)的校准仪表来确定。探测器的光强可以用比耳原理来描述:I=I0ekp （2-2）式中 I照射到探测器的光强度的测量信号I0表示0 ppm CO浓度时的测量信号K一个系统常数PCO的浓度 因为NDIR CO传感器通常使用的红外光探测器对光强的变化是敏感的，而对光的绝对强度不敏感，所以通常要使用一个调制红外光源。红外光源通过微处理器来脉动式开和关，灯丝能被加热和降温在毫秒级。假设你近距离的观测CO传感气室，你可以看到光开和关时的闪烁。脉冲红外源通常采取一个干涉滤波窗口，典型用来滤掉要求波长之外的发光。同时, 脉冲红外源减少带外发射(尤其短波，可见光)以致在整个测量过程，灯丝保持暗，而且根本不产生可见光。在气体传感器中, 它减少探测器, 放大器和其它元件的寄生热，极大提高系统的SNR和稳定性。通过提供适当的吸收带宽的高发射率和带宽之外的低发射率, 将最大化有用带宽的比率，因此使灵敏度最大化了。这个最大化对CO气体是特别重要的，当它只有一个很微弱的红外吸收信号时，必须保证在非常低浓度时被测量到。第三章 CO探测系统设计3.1 总体方案设计总体方案设计框图如图3-1所示。图3-1 总体方案设计框图如框图所示，气体通过扩散进入气室，气室两端分别装载红外光源与红外探测器。红外光源经过调制发出一定频率的脉冲，红外脉冲信号经过气室到达红外探测器。红外探测器接收到红外脉冲信号，发出相应的输出信号。红外探测器输出信号经过放大电路放大，再经过模数转换进入单片机。单片机对输入的数字量进行处理，输出到显示部分，成为我们可读的信息。在图3-1所示的各个步骤中，调制红外光源、气室和放大滤波电路的设计与红外探测器的选择为整个系统方案的关键步骤，这四个步骤直接决定了CO探测器的稳定性与精确度。3.2 调制红外光源设计3.2.1红外光源的选择辐射能量按照波长分布是红外光源（辐射源）的一个重要性质，它表征了光源的辐射本领。理想的光源是绝对黑体，它能完全吸收各种波长的辐射而又以相同的速度发出各种波长的辐射能。现实生活中，绝对黑体是没有的，实际的辐射源只有灰体和选择体。因此，选择红外光源时，应该使选择波长范围内的辐射光源尽可能接近黑体。在红外气体传感器中，经常用到的红外辐射光源主要有标准的黑体辐射源、热激发的固体辐射源（能斯脱灯、硅碳棒、钨丝灯等）、发光二极管和激光器。红外光源是红外检测中的重要设备。发光二极管是常用的小型辐射光源。发光二极管产生的单色红外辐射条纹比较宽，为了得到所需精度更高的检测频率，在某些要求比较严格的单色红外检测系统中，可以使用红外激光器来获得精度更高的单色红外辐射。在红外气体传感器中对红外光源的要求主要有以下两点：（1） 辐射的光谱成分要稳定。由于气体对红外吸收具有选择性，同时气体对红外的吸收能力也是随波长而变化的。因此辐射光谱成分的稳定有助于测量系统的稳定。辐射光谱成分主要受光源功率变化的影响，因此对光源加热电流要控制稳定。在电路设计中，往往采用稳压器。（2） 光源的辐射波长应当尽量在气体的吸收波段内。这样才能够使气体具有较大的吸收能量，提高测量灵敏度。如第二章所述，CO对波长为4.6m的红外线有着最强烈的吸收，因此，应选择发出主要波长为4.6m红外光的红外光源。综上所述，经过查找和筛选，选择了一种较理想的红外光源MIRL17-900。MIRL17-900是INTEX公司生产的一种能在高频率下工作，高强度输出的微型脉冲红外光源。发射光谱是一个灰体。它以无定形碳材料作为多层热电阻薄膜，通过电流后发热，产生红外辐射。它的高发射率，高热传导性，以及很低的热驻留特性，使它在高频脉冲工作时，能快速地加热和冷却。能在连续工作模式以及脉冲模式下工作，温度范围可高达750。MIRL17-900红外光源如图3-2所示。 产品特性：l 宽光谱输出l 快速应答性l 高脉冲速率l 高调制速率l 高效、低功耗l 使用寿命长，性价高l 为用户定制设计：有多种封装选择。图3-2 MIRL17-900红外光源MIRL17-900红外光源参数如表3-1所示。表3-1 MIRL17-900参数表参量参数光谱输出范围发射器的表面积电阻值驱动电压（脉冲，双极性或直流）5.0V驱动电流正常运作时温度调制频率功率消耗整合的功率发射加温时间衰减时间寿命 hours at 750 hours at 600 hours at 500从表3-1可以看出，MIRL17-900红外光源的光谱输出范围在1.020m，包含了测量CO浓度所需要的4.6m的红外线，同时有着较大的发射面积，较小的阻值和较宽的调制频率，对于CO浓度的测量是十分理想的红外光源。对于MIRL17-900红外光源的使用要科学细致，光源的温度分布与辐射角分布是必须考虑的。l MIRL17-900红外光源温度分布无定形碳薄膜是一个面积尺寸为2.3mm2.3mm，层叠硅结构。薄膜自由悬挂部分的合成尖晶石面积是1.7mm1.7mm。由于热量传递到框架，温度会从中心到底部逐渐减低。薄膜的两端堆叠硅结构是不辐射热的；以点固定的侧边缘也更冷却。薄膜的温度分布由微型高温计测量，如图3-3所示，中心最大温度为。中心最热区域（）形成椭圆形。在较低温发热区域形成带有圆心的矩形。图3-3 MIRL17-900红外光源温度分布图l MIRL17-900红外光辐射角分布MIRL17-900红外光源带有抛物反射光学元件，辐射角为0时的辐射强度是最大的。辐射角分布如图3-4所示。图3-4 MIRL17-900红外光源辐射角分布图由上图可知辐射角的不同，辐射强度有着明显的变化，这就要求MIRL17-900红外光源的中心要与红外探测器的中心在同一轴线上，这样才能使得红外探测器接收到的红外光强最大，最大限度的提高CO浓度探测器的灵敏度。3.2.2调制红外光源的实现由第二章可知，因为NDIR CO传感器通常使用的红外光探测器对光强的变化是敏感的，而对光的绝对强度不敏感，所以通常要使用一个调制红外光源。红外光源通过微处理器来脉动式开和关，灯丝能被加热和降温在毫秒级。图3-5为调制红外光源电路图。图中，红外光源一端与场效应管D角相连，另一端接稳压电源正极。场效应管的S极与地相接，G极通过电阻R1与单片机的P1.0口相接。当单片机P1.0口没有任何信号发出时，场效应管的D极与S极处于断开状态，红外光源两端无电压，处于暗状态。让单片机的P1.0口发出幅值为+5V，频率为1Hz的脉冲，使得场效应管的D极与S极以相同的频率通断。这样，红外光源就会以1Hz的频率亮暗，实现了红外光源的调制。图3-5 调制红外光源电路图在这里，选择单片机型号为STC89C52，场效应管型号为IRF540N。此型号的场效应管导通电压为+4V，单片机发出的+5V电压可以使其导通。单片机发出的脉冲选择1Hz的频率是为接下来所选择的红外探测器有正确的信号输出。3.3 气室设计红外CO传感器气室的结构一般采用圆筒形，两端都采用氯化钠（NaCl）、溴化钾（KBr)等溴化物晶片密封。气室内壁要求光洁，不吸收红外光，化学稳定性好，对待测气体没有吸附作用。气室内壁的光洁度对检测仪器的灵敏度影响比较大，为了较小反射，要求气室的轴线和红外光线平行。气室一般选用玻璃镀金或铝合金的材料。气室的内径一般要求2030mm，太粗会使测量滞后增大，也增加仪器的重量，过细则会削弱光强，降低仪器的灵敏度。气室结构设计如图3-6所示。图3-6 气室结构设计图如上图所示，气室为圆筒形，内径为25mm。由于CO的分子量为28，空气的平均分子量为29，CO的分子量比空气的平均分子量小，所以气室底部设有一个进气口，气室顶部设有一个出气口，使得CO气体能顺利的进出气室。图中的软管可以使针筒把气体顺利注入气室而不触碰气室，把软管取出可以使气体扩散进气室。红外光源、红外探测器与气室三者的轴线平行，尽量减少了红外光在气室内的反射。由于实验室条件所限，不可能对气室的要求过高，只能在实验室现有条件下尽量把气室制作得符合CO浓度探测条件需要。3.4 红外探测器及选择 红外探测器实质是一种光电转换器件，它把入射的红外光信号转换为电子线路可以测量的电信号。常用的红外探测器按探测过程的机理主要分为热探测器和光探测器。3.4.1红外热探测器红外热探测器利用了红外光的热效应。热探测器主要有热敏电阻、热电偶、热释电等类型的探测器。当红外光照射到探测器上被吸收后，吸收体（检测元件）的温度就会有所升高，产生与温度有关的物理参数变化。如温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化等。测量这些物理性质的变化，就能够测量被吸收的红外辐射功率。利用这些特点，人们制备了多种探测器。例如，利用温差电动势原理的热电堆红外探测器、利