微星红外气体检测仪的技术.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 i 页 微型红外气体检测仪的设计 摘 要 随着世界各国大力发展重工业,与有毒有害气体泄漏相关的事故日益增加。这使得 探测有害气体在管道中泄漏成为我们所面临的一个重要问题。目前国内用于有害气体 探测的设备比较落后,使得这些设备探测范围小,反应时间慢,且目前的检查设备由于体积 大、成本高、需要经常校准,不能够满足人们在日常生活中对一些有害气体检测的需求。 急需研制集成化、小型化、免维护的新型光学气体监测设备,增强人们的安全监测能力。 针对上述需求,本设计基于红外光谱吸收原理,设计了一种红外气体检测系统。该检测 系统将红外辐射强度转化为电压信号,实现了气体浓度的测量。 本设计重点介绍了红外 探测系统的总体设计思想以及检测系统的软、硬件设计,对如何应用高集成度混合型芯 片作微控制器,来完成数据的采集、处理判断等一系列功能作了重点的分析和阐述。微 控制器的应用使整个系统很简单地通过一个单片机就控制起来,从而使整个系统功耗大 大降低、体积微型化，而针对目前大多数设备体积大、成本高、需要经常校准等不足， 本设计具有设计简单、测量准确、响应快速、稳定、可靠性高等优点。 关键词： ：红外吸收光谱;红外探测器;热传感器;can 总线 the design of the micro-infrared gas detector 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 ii 页 abstract in company with the development of the heavy industry in the world, the leakage accident about harmful gas increased with each passing day. its becoming serious problem that how to detect the methane and fuel leakage in industrial zone. we find that the methane detection equipment of our countrys is mostly fall behind. so its detection area is small and its reaction time is slowly, frequently calculation is needed also. these features limited the usage of these equipment for detecting the harmful gas in our daily life. a new highly integrated, small and maintenance free detect equipment is necessary to enhance peoples safety monitoring capability. the feed the above requirement, an infrared gas detection system, base on the principle of infrared absorption spectrum, is developed in the article. the system make the signal of infrared into voltage, and then realize the measurement of gas consistency. the article introduced the structure of detection system and its hardware and software, especially focus on the usage of micro-processor for data acquisition, calculation functions. the usage of the micro-processor make the whole system easily controlled by a single chip. this feature makes the system have the lower power consuming and smaller size. comparing with the normal equipments feature as big, expense, difficult to handle, the new design has the advantages as simple, acurate, fast response, stable, highly reliable. keywords: infrared absorption spectrum;infrared detector; thermopile sensor; can bus . 目 录 1 绪论1 1.1 引言.1 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 iii 页 1.2 研究的目的和意义1 1.3 国内外研究现状.2 1.4 主要研究内容4 2 气体浓度检测及传感器理论基础6 2.1 气体浓度的红外检测6 2.1.1 气体浓度检测的基本原理6 2.1.2 特征红外吸收波长7 2.1.3 非色散红外气体浓度检测技术的介绍7 2.2 红外传感器的介绍8 2.2.1 红外传感器的工作原理.8 2.2.2 lambertbeer 定律8 2.3 红外吸收原理优点分析10 2.4 本章小结10 3 红外吸收型气体传感器的设计12 3.1 热电红外气体探测器的原理.12 3.1.1 传感器测控系统.12 3.2 温度对测量的影响及补偿措施13 3.2.1 温度对测量的影响13 3.2.2 测量中的温度补偿技术.14 3.3 红外探测器的选型15 3.3.1 常见的红外探测器15 3.4 本章小结16 4 红外吸收型气体检测系统设计17 4.1 电源模块电路设计17 4.2 光源调制驱动电路设计.18 4.3 信号调整电路设计19 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 iv 页 4.4 微处理单元的选择20 4.5 数码管显示驱动电路的设计.29 4.6 can 总线传输设计33 4.6.1 can 总线的数据传输方式.33 4.6.2 集成的 can2.0b 控制器的应用33 4.7 本章小结34 结论.35 致谢.36 参考文献37 附录.38 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1 绪 论 1.1 引言 许多工业生产过程都存在危害性气体，如电焊、电镀、冶炼、化工、石油等行业。 这些气体多具有腐蚀性，经呼吸道进入人体可造成急性中毒，危害人类健康。针对在 生产、存储，运输领域不时的发生的有毒有害气体泄漏事故，国家进行了多方面的投 入，其中增强对有害气体的检测能力是解决问题的基础。 现在国内外都在加大对环境监测设备研发的投入，在国外，发达国家对气体在检 测仪器研究和应用方面较早，现已研制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理 的传感器都在气体检测中起到了推动作用，已经有许多成熟的气体检测产品和人员救 护设备出售。目前，我国大量使用的是催化式传感器，该传感器易受恶劣现场环境影 响，采集精度差，零点漂移严重，每隔一定时间需人为校正，既增大了维护成本，又 降低了数据采集精度。同时，由于催化式传感器容易产生催化剂中毒现象，因此该传 感器的使用寿命短。而红外气体传感器利用红外光谱对目标气体进行检测，基本上不 受工业现场环境的影响。其采用的双通道采样技术，可以自我抑制零漂。相对于催化 式气体传感器，红外气体传感器具有更高的精度和可靠性。 本课题着重于结合实际，针对化学气体在汽车、船舶、铁路等存储、运输过程的 特殊情况，利用红外探测原理及 mems 技术，提出一种能够适应被探测气体浓度高， 测试环境条件恶劣，具有防爆、防尘、防震功能的高精度气体检测器。其研究成果在 科学、生产领域有广阔的应用空间，同时设备的研制成功将对推动我国 mems 技术的 迅速发展，加速我国的 mems 的产业化进程，具有重大的意义。因此我们研制的具有 自主知识产权的 mems 红外气体浓度探测具有广阔的市场背景，研制成功后将对国计 民生产生重大影响。 1.2 研究的目的和意义 在气体运输中，一般以液氯、液氨、醇类、笨类、石油、柴油、煤油、冰醋酸、 酮类、烯、烃等主要化工原料居多，而这些物质大都具有易挥发，有毒性，易爆性等 特点，一旦泄漏环境问题严重，对人类的危害极大。为了有毒有害的安全存储和运输， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 国家在多方面进行了投入，九五、十五期间也进行了一些相关的研究，取得了一些突 破性的成果。现在总体上中国的化学储运安全技术保障体系已经基本形成，但储运过 程中气体泄漏事故仍然时有发生。许多泄漏事故未能及时检测到，有时检测到了又不 能及时得到处理。因此，越来越引起人们关注。 提高对有害气体的检测能力是解决问题的基础。在国外，发达国家对有害有毒化 学气体探测器的研究和应用方面起步较早，其传感探测器精度高但是价格昂贵。国内 有毒有害气体检测仪的研究现在也取得了一定的成果，但总体来说和国外相比差距仍 然较大，普遍有测量精度低、寿命短、体积大等缺点。针对化学气体在汽车、船舶、 铁路等运输过程的特殊情况，我们需要的是一种能够准确测量气体泄漏源和气体浓度 高低，耐高温，高冲击等恶劣环境具有防爆、防尘、防震功能的检测仪，从而提高气 体储运过程中的安全性，方便预警，为人员提供事故预先的生命保障。 基于以上特征，利用微型集成技术将微型红外发光源、气室、窄带滤波片、红外 探测器集成为一体，实现在恶劣环境下气体的准确探测。研制微型红外气体浓度检测 仪来对气体运输中常见的化工原料进行检测，具有现实意义。结合我国气体运输业的 特点，主要进行以下两个方面的研究： 1）利用红外光学原理设计气体探测器图模型。 2）运用基于参比光子自校准检测原理，研究高稳定性红外气体检测技术和温度补偿技 术。 1.3 国内外研究现状 早在 20 世纪 70 年代，德国就研制出防爆型红外一氧化碳检测仪 sigma-co，并 在 1992 年研制了其改进型 sigma-co-y.该仪器具有较高的灵敏度和选择性，其测量 范围为 00.01%co，精度士 6%，测量周期 60s，用于输送带的早期探火和矿井大气 中 co 的检测。但其体积较大（质量为 77） ，更换过滤器频繁，使用不方便2。 80 年代初，法国研制的 lel-5610 防爆型红外二氧化碳探测仪，可用于防爆危险 环境 co2气体的检测。测量范围 00.1%co2,零漂小于 3%（无积累） ，响应时间 8s， 重复性优于 2%，输出 420 ma。该检测仪采用敞开式气室，直接接触所检测气体， 具有自检测功能，可消除零飘；在检测过程中，对红外光源老化、探测器老化、镜头 堆积灰尘引起的误差可自动补偿；仪器设计能够满足井下恶劣的环境要求，可与监测 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 系统连接，与检测系统连接时电阻负载小于 400，能对矿井大气中二氧化碳进行检测 3。 20 世纪 90 年代初，俄罗斯研制了 cntma-co-b 型矿用一氧化碳检测装置。能自 动检测和校零，不准标准气就可以检查气体灵敏度和技术情况。测量范围 00.01%co，选择性强、灵敏度高，精度士 6%；在 1992 年对 cntma-2m 型矿用红 外甲烷传感器的防爆原理进行了 ，提出了红外辐射器在正常和故障情况下安全温度和 本安电流的计算公式及螺旋丝与反射器内表面的关系3。 英国 servomex 2500fm2 和 2500uk2 防爆系列红外气体传感器可测量 hcl、co 和 no,能检测到极低浓度，并且具有很强的选择性。仪器采用单光路（时间 双光束）结构，单片机控制，采用气体滤波技术，但仪器需要用泵抽气，气体进入气 室前需要过滤、干燥，因此，整个仪器结构复杂、功耗较大。 1995 年，波兰的 michalunioa 等人通过分析红外气体传感器的辐射损失与装置几 何尺寸的关系，在寻找本安型节能办法中建议采用抛物面和椭圆聚焦的光学装置。 在国内，只是在近些年才在矿用红外气体检测方法的研究方面有所开展，1996 年， 山西矿院对现有红外传感器光路结构的探讨，设计了适于井下的光学系统，并改进了 斩波技术，信号处理采用以单片机为核心的软件处理技术同年，合肥煤炭科学研究院 对法国 lel-5610 防爆型红外二氧化碳检测仪进行了分析，并提出了几种国产化方案。 2004 年由武汉四方光电科技有限公司所承担的研究项目，非分光红外（ndir）气 体传感器技术方面，取得了新的进展。中北大学微纳米技术中心艰苦努力，通过研究 红外光学气体检测方法和技术，在利用 mems 红外传感器实现 ch4气体探测方面有了 可喜的成果。由于红外气体检测技术在各个经济领域日益显示出了重要作用，各工业 发达国家都在积极研究中。随着通信技术的发展。使得以往研制红外气体传感器需要 的器件成本大大下降，新技术、新材料、新元件、新工艺的发展，使得新型红外气体 检测仪的研制得到了技术上的有力保障。 近二十年来，在光学结构上，也进行了不断的改进和革新。在光路系统上，国内 外多数产品还采用不分光型双光路系统。但是随着光干涉滤光片制作技术日趋完善， 计算机技术的普及，使以红外半导体探测器为接受元件的红外气体传感器产生了巨大 的活动。国外很多厂家都采用了以半导体器件为接受元件的单光路（也叫时间双光路） 结构的红外气体传感器2。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 随着科学技术的进步，特别是近些年来红外发光器件和红外探测技术获得了长足 的发展，高效、低电压、体积小的器件不断出现，为小型红外气体检测技术的研制创 造了条件。主要趋势如下： （1）取消活动零部件：采用电源调制代替电动机调制器，加强探测器的耐震、耐冲击 性能，扩大用途。 （2）采用新型探测器：如采用德国西门子公司 ultramt 型流式探测器产品、美国 perkinermer 公司采用 insb 光电导探测器及集成电路。 （3）采用小型窄带辐射源（红外发光二极管）：国外进行了一些研究，采用辐射区与 待测气体吸收趋向温和的小型乍带辐射源和选择性探测器，可检测出大气中存在的 ch4、co2、no2 。我们可以针对某一气体的吸收光谱，选用对应的红外光源和探测器， 使三者合拍，这样传感器结构简单、体积小、红外辐射功耗小、耗电少，而且供电简 单，实为发展方向。 （4）计算机控制的可变波长滤波片多组分红外气体传感器：多组分红外气体传感器的 技术已经取得了很大成就，特别是分光红外技术和计算机控制的可变波长滤光片多组 分红外气体传感器的应用，使得产品有了更高的灵敏度和技术水平。 （5）采用激光光源：激光是高度相干、高亮度的光源，所以采用激光光源的气体传感 器具有高灵敏度，能检测到 110-9的气体浓度，并具有很好的分辨能力，能够区分与 红外吸收光谱重叠的气体。它在大气污染分析中非常有用，是近些年来的新技术。但 激光光源不适用于井下气体的连续监测。 1.4 主要研究内容 对于甲烷气体的检测在环境监测、工业控制等领域都非常重要，人们对发展快速、 灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。传统的传感器大多数通过其探头的电阻 或电容的变化来测定气体浓度，其灵敏度低，抗干扰能力差。在工业生产自动控制中 则主要采用气相色谱仪与计算机联用来检测气体，由于现场环境恶劣，其检测效果不 好，而且该设备十分昂贵增加了生产的成本。由于红外传感器具有体积小、抗干扰能 力强、测量精度高等优点，因此能可靠用于现场条件的红外气体传感器日益得到了人 们的重视3。 进入 90 年代，随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器的要求 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 也不断提高。在煤矿、钢铁厂、化工厂等场合，都需要检测气体浓度，对于某些有毒 气体，要求能检测到很低的浓度。由于红外气体传感器具有本质安全、抗电磁干扰、 灵敏度高、动态范围大、响应速度快等特点，因此，红外气体传感器的研究和发展前 景广阔，对于社会和现代经济的发展具有十分重要的意义。它的应用也将会越来越广 泛，其产生的社会价值也是无法估量的。 综合本设计主要提出以下几个具体内容： （1）重点阐述了红外探测原理，对红外吸收原理作了重点的介绍，并与以往探测方法 和技术做了比较。 （2）对气体检测方法和技术也作了重要的分析和论述，对热传感器进行了简单的介绍。 （3）对红外检测系统总体设计思想和方法作了重点论述，并对电路进行了较为详细的 设计。 本章小结:本章对课题研究目标进行了介绍，主要是分析光谱吸收型红外气体传感 器的原理、特性及其工作特点，并且对探测的基本原理红外传感器探测系统的设计思 想和方法、数据的传输和显示，电路的设计等内容进行了阐述。对本设计研究的目的 和意义作了简要说明，并分析了国内外的现状，提出了研究的必要性。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 2 气体浓度检测及传感器理论基础 2.1 气体浓度的红外检测 2.1.1 气体浓度检测的基本原理 气体浓度红外监测的基本原理，是依据每种气体分子都具有特定的红外吸收波长 及 lambertbeer 红外吸收定律，由气体对某一特征吸收波长的红外吸收强度，确定被 测气体的浓度。 红外气体浓度监测，其吸收的波段在红外光范围（0.761000m） ，式 2.1 描述了 红外电磁波辐射的速度、频率和波长之间的关系： = 1 有定义为： = 1 （2.1） 式中，为波数，单位为-1，它表示电磁波在单位距离（）中的振动次数。中 红外区是各种有机化合物和气体分子红外吸收的最重要范围，目前常用红外光谱测量 仪器的测定范围为 4000650-1或 4000400-1。由现代商品红外吸收光谱仪所绘制 的谱图其横坐标均为波数线性刻度，红外吸收的强弱则在纵坐标方向反应。纵坐标一 般会采用透过率，但也有的采用吸收光度表示，如图 2.1 所示光谱图： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 图 2.1 ch4 红外吸收光谱 从经典力学考虑。当分子振动伴随有偶极矩的变化时，偶极子的振动会产生电磁 波，它和入射电磁波发生相互作用，产生光的吸收，所吸收的频率即为分子的振动频 率。从经典力学或从量子力学都有同样的结论：即双原子分子吸收的频率决定于折合 质量和化学键的力常数。 2.12 特征红外吸收波长 红外吸收源于分子的振动，红外吸收频率对应着分子的振动频率。但是，要将繁 多的红外吸收都归属于什么样的振动是很困难的，然而，化学家通过大量的标准样品 的测试，从实践中总结出了一定的官能团总对应有一定的特征吸收频率，归纳出了各 种官能团的特征频率表。而具有对称结构的、无极性的双原子分子气体，例如 o2、h2、n2、cl2等，以及单原子分子气体，例如 ne,he,ar 等，在红外波段内没有特 征吸收频率所对应的波长，即为某化合物或气体分子的特征吸收波长。 2.1.3 非色散红外气体浓度检测技术的介绍 红外气体浓度测量方法，主要有色散型红外吸收光谱法、傅立叶变换红外光谱法 和非色散红外吸收法。其中，色散红外吸收光谱法、傅立叶变换红外光谱法均采用分 光元件和扫描方式，在很宽的红外波段，对气体浓度进行测量分析虽然测量精度高， 能同时对多种气体进行测量分析，但是由于设备价格昂贵，只适用于在实验室进行气 体分析，而非色散红外吸收法与光谱法相比，具有结构简单、体积小、重量轻、价格 低廉和可靠性高等特点，非正常适合生产过程气体浓度的在线测量和安全检测场所对 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 气体泄漏的监测5。 非色散红外气体浓度测量方法，按照常理光束的数目可分为时间双光束结构和空 间双光束结构。非色散红外气体浓度监测是根据气体对红外光的吸收特性，选择气体 对红外光吸收最强的吸收峰处的波长为测量波长，而另选择一个对红外光不具有吸收 能力的波长为参比波长，部分气体对红外光的吸收特性如图 2.2 所示。 这种参比处理能有效地消除光源不稳定、光电器件的零点漂移等对测量精度的影 响，使得非色散红外吸收气体浓度测量具有较高的精度。如图 2.2 所示： 图 2.2 部分气体对红外光的吸收特性 2.2 红外传感器的介绍 2.2.1 红外传感器的工作原理 通常，一束红外光的强度在通过一个气体容器时将会减少，而光强度损失是一定 体积内活动气体分子数量的函数，它将用来表示气体浓度的函数。 而气体与红外光电相互作用只在红外光的特定波长发生，与这一事实想结合，可 以设计一种强有力的工具用来测量特定气体浓度，即使在有别的气体存在的情况下也 可以实现该功能。 2.2.2 lambertbeer 定律 光是由一系列单色光组成，红外光即是由一系列处于红外频率的单色光组成。如 图 2.3 所示大部分非对称双原子和多元子分子气体 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 （ch4、h2o、nh3、co、c2h2、so2、no 和 no2等）在红外区都有自己的特征频率 的吸收频率。每种气体都有吸收自己对应频率红外光能量的性质，气体吸收红外光最 强的频率就称作该气体的特征吸收频率。光穿过气体时，特征频率谱线光能就会被气 体吸收，从而使该频率的光的能量减弱4。每种气体在红外辐射波段都有一条或若干条 自己的特征吸收谱线。 图 2.3 气体吸收峰原理图 表 2.1 给出了部分气体的特征红外吸收波长的数值。 表 2.1 部分气体的特征红外吸收波长表 气体特征红外吸收波长气体特征红外吸收波长 co4.65mso27.3m co22.7m，4.24m，14.4mnh32.3m，2.8m，9m ch42.4m，3.3m，7.65mh2s7.6m no5.3mhcl3.4m no26.13mhcn3m，6.25m，16.6m n2o4.53mhbr4m 对应于表 2.1 有如图 2.4 所示： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 图 2.4 几种气体的吸收频带 特征频率并非一个单一频率的光线，它是由一定频率范围内的光组成的。也就是 说，特征吸收频率是由宽带的。宽带范围内的各个频率吸收的程度也是不一样的，计 算红外光穿过气体被吸收的能量，需要计算带内各个频率光线被吸收能量的总和，因 而建立了各种吸收模型。光线能量减弱的程度与气体浓度和光线在气体中经过的路程 成比例，而这个关系服从 lambertbeer 定律。 2.3 红外吸收原理优点分析 （1）选择性好：每种气体都有自己的特征红外吸收频率。在对混合气体检测时，各种 气体吸收自己对应的特征频率光谱，他们是互相独立、互不干涉的。这为测量混合气 体中某种特定气体的浓度提供了条件。因此采用红外吸收检测气体具有选择性好的优 点。 （2）不易受有害气体的影响而中毒、老化：每种仪器都有自己的测量范围，当待测气 体浓度过高地超过测量范围时，会造成载体催化类元件中毒失效，测量结果发生很大 的偏差。甚至有时再回到正常浓度也不能正常工作，造成检测元件的永久中毒。采用 红外吸收原理检测气体，不会受有毒气体的影响而中毒、老化。 （3）响应速度快、稳定性好：气体检测系统在开机后，都要预热一段时间才能正常工 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 作。采用红外吸收原理检测气体，在开机相对短的时间内就能正常工作。当浓度发生 变化时，也比其它检测方法能及时做出响应。某些气体检测方法的检测元件工作时， 会因为检测元件发热温度升高等因素使得测量不准确。而红外吸收原理检测气体是采 用光信号，自身不会引起检测系统发热。测量系统不会受温度的变化而受影响，系统 工作稳定好。 （4）防爆型好：红外吸收原理采用信号作为检测工作信号小，有用信号明显，系统的 信噪比高。同时系统具有零点自动补偿与灵敏度自动补偿功能，因而不用定时校准， 具有使用寿命长的优点。 （5）应用范围广：红外吸收原理除了可以应用于气体检测，在石油、纺织行业中对石 油成分和比例分析，纺织产品的定性、定量分析：以及在红外热成像技术，红外机械 无损探测探伤、物体的识别都得到广泛的运用：在军事上的红外夜视，红外制导、导 航，红外隐身，红外遥测遥感技术等方面都取得到了很好的效果6。 2.4 本章小结 气体的红外吸收光谱测量涉及的知识范围较广，因此不可能全面的进行介绍，本 章只针对本文中所涉及到的基本原理和方法进行了简单的介绍，包括传感器和红外光 谱等相关基本的知识。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 3 红外吸收型气体传感器的设计 3.1 热电红外气体探测器的原理 探测器的光敏层由锂、钽酸晶体化合物组成的薄板电容器组成，锂、钽酸锂等是 热释电晶体，当它被加热时便反向承载，产生热释电效应7。 如图 3.1 描述的是红外辐射线变成为电信号的过程，通过一个窗口或红外过滤器， 传输率 t 的射线到达热释电晶体，该射线被吸收并在热电装置中产生一个温度t。由 热释电晶体转化为一定的极化电荷，并通过 fet 变成电压量的输出。 图 3.1 红外光转换成电信号的过程 3.1.1 传感器测控系统 为了实现 ndir 气体传感器的测量、控制以及自动化标定功能，需要一个适合的 微控制来管理传感器。传感器测控系统通过采集红外输出信号及测量标准气体曲线， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度，并通过测控系统的窜口每一秒向 外部设备发送测量浓度数据，同时也可以根据传感器测量量程和实际测量数据，通过 测控系统的 d/a 控制，输出与浓度成正比的 12 位精度电压信号。 为便于采用此传感器组成完整的气体分析仪，在测控系统多余的数据线和地址线 的基础上，设计了液晶显示驱动模块、微型打印驱动模块、键盘输入模块、no 测量模 块、o2测量模块、油温测量模块、转速测量模块、湿度测量模块、气压测量模块、 eeprom 信息存储模块、上位机通讯模块、气泵控制、报警等接口，通过设计这些标 准模块，快速形成一种完整的汽车尾气分析仪测量系统。 通过设计采用以上技术，ndir 红外气体传感器的结构比以往仪器将大大简化，仪 器功耗也大幅度降低（只有以往的） ，传感器的成本也达不到以往技术的。此类传 4 1 4 1 感器可以实现模块化和标准化，因此更加适合在我国的广泛使用。 3.2 温度对测量的影响及补偿措施 3.2.1 温度对测量的影响 测量技术最经常考虑的和处理的干扰是温度，它不仅直接对传感器系统本身，而 且对其它引起测量误差的干扰量产生影响，而这些干扰量对测量量和处理模块产生影 响。 （1）温度特性所涉及的相关概念： 温度补偿：为减少温度的变化引起（温度）测量误差所采用的补偿方法； 温度误差：在规定的范围内，由于温度变化引起的被测量值输出的误差； 温度漂移：随周围温度变化，传感器的输入输出特性变动的现象或变动值； 居里温度：居里温度被定义为超过或低于此温度时热电晶体就会停止热电效应的温度。 （热电晶体：具有自发极化并呈现热电效应的晶体。因为自发极化的大小是由温度确 定的，温度的变化引起晶体偶极矩之间的变化，产生外电场。 （2）问题产生原因： 栅极电阻与温度的关系：高性能的栅极电阻有很好的负温度系数随温度上升而栅 极电阻阻值降低。栅极漏电流和 jfet 场效应管的电流噪声将随温度的增加而迅速增加， 特别是在高温时，呈指数增长。 虽然栅极电阻的温度漂移仅影响信号源的工作点，电时间常数和噪声，但是任何 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 微小的改变都会影响温度系数和信号电压。 （3）温度与传感器的稳定性： 在大多数实际的应用场合的环境温度是相当低的，其内在温度系数和热电晶体电 容值与温度的关系约为+0.05%/k，这在温度环境经常改变的系统设计中是非常重要的 量，它可明显的反应自身的温度漂移特性。 如前所述，很小的温度变化会产生一个明显的低频信号，电压模式可轻易反映这 种温度变化，并且产生的信号能通过提高时间常数的工作范围来限制选择放大器的产 生的不利影响。传感器的电时间常数和热时间常数越长，对这种温度变化越明显。 因为电时间常数和热时间常数由传感器的结构所决定，通过设计它可被降低，但 不能完全除去，在非补偿传感器中，预期的温度指标被改变，非补偿传感器和补偿传 感器保额不过适应特殊工作环境，尽管改变发热时间常数要比改变电时间常数要复杂 的多。 （4）红外窗口的过滤器与温度的关系： 热电传感器涂有黑色的吸热材料，它的光谱特性不由温度决定，但为了改变其探 测等级，所有窗口和光学元件，滤光片都要随温度变化。 当涂有红外光学材料时，温度变化仅影响它的传递损失。 增加修正电压与栅极漏电流及高温增加信号源的偏移电压，而增加的栅极漏电流 和减少的栅极电阻又会导致传感器的噪声会在低频时影响性能。在实际中系统设计中 我们不仅要注意这些，还要注意信号源，探测范围等。 3.2.2 测量中的温度补偿技术 对于上述这类热电红外气体探测器，温度补偿的方法有两种：串行补偿、并行补 偿，如图 3.2，图 3.3 所示。串行补偿可提供双倍的信号，而并行补偿可在长时间的猛 烈温度波动下表现的更加稳定。所以应首先补偿的元件被封装是完全避光的，可用电 容作用于电路产生补偿以使传感器有良好的线性特征。 可行性方案：1. 通过恒温处理、排除随温度影响 2. 测量温度用数学修正 3. 采用修正环节排除随温度影响的变化 4. 使用差动或补偿方法 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页 图 3.2 串行补偿 图 3.3 并行补偿 3.3 红外探测器的选型 3.3.1 常见的红外探测器 红外探测器是利用探测器红外辐射的。红外探测器的种类很多，按红外辐射与物 质相互所呈现的物理效应来分，分为光热探测器和光子探测器两大类8： （1）光热探测器 光热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起 温度升高，进而是某些有关的物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化 来确定探测器所吸收的红外辐射。光热探测器主要有热释电型、热电堆型、热敏电阻 型。 （2）光子探测器 光子探测器是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改 变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。根据所产生的不同 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页 电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种， 后者又分为光电导、光生伏特和光磁电传感器三种。 常见的光电探测器有 ge、pbs、ingaas、pb 等探测器，总的来说，光电探测器灵 敏度高、响应速度快、具有较高的相响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工 作。如表 3.1 是常见的探测器的性能。 由表中我们可以看出，与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽，无需制冷，响应范围 可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。热探测器中， 热释电探测器较热电堆探测器响应度高。 在本项目开发过程中，我们选择热释电探测器，红外特征波长为 3.3m。 表 3.1 国内外红外气体探测器性能 探测器 材料 工作 模式 工作温 度/k 相应波段 /m 探测率/ .hz1/2 相应度 /v.w-1 响应时间 /s 灵敏元 面积 litao3热电释3000.2-5003*108104-1061*1041.8mm*1.8 mm tgs热电释3000.1-3001093*1035*1041 热敏 电阻 热敏电 阻 3000.1-3002.5*1081*1031.3*1084 pbs光导3001-3.58*10105*1032000.1-10m2 pbs光导1951-42*10113*1031*1031 pbse光导3001-52*1086*10334 pbse光导1951-62*10111*103300.5 mm2 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页 insb光伏3002.71.5*10112*1030.14 insb光伏771-63*10112*1030.20.3-3.0mm2 hgcdte光伏3002.50.5*10112*10310.01- 0.2mm2 hgcdte光伏1938-140.5*10112*10310.1-0.2mm2 hgcdte光伏777-140.5*10116*1035*10-31 hgcdte光伏777-140.5*10116*1035*10-30.3-1mm2 tesnhg光伏382.142.4*10111050.10.1-10mm2 3.4 本章小结 本章主要介绍了红外探测的光学原理及探测器的设计。对红外光产生的物理机制， 红外光的吸收原理，在此基础上重点介绍了热释电探测器的原理及结构以及控制器的 选择，分析并推到了理论在气体浓度检测方面的应用。在此基础上，利用光学仿真软 件设计了气室。 4 红外吸收型气体检测系统设计 本章主要介绍红外吸收型气体传感器检测电路及软件设计。硬件方面主要包括电 源模块电路、红外光源驱动电路、信号调整电路、数码显示驱动电路、单片机控制电 路和本质安全电路。软件方面主要包括单片机主控程序设计、数据采集、光源控制和 数码显示程序设计，系统工作原理如图 4.1 所示。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页 图 4.1 系统工作原理 4.1 电源模块电路设计 本检测电路电源模块主要分为：1、7v 模块，在电路调试中发现，依据合同要求 5v 供电时，电源端出现于调试频率相同的干扰。当外接 7v 通过 max1695 转 5v 对电 路供电后，干扰得到改善，因此利用 mc34063 芯片将 5v 升到 7v，在由 max1695 转 到 5v 电路供电；2、5v 模块，系统有两个 5v 模块，由于 irl715 的理想工作电压为 5v，电压的稳定性直接影响着光源输出红外光的稳定性，因此其中一个电源模块专为 光源调制电路供电；3、3.3v 模块。为单片机提供电源。 mc34063 是一单片机双极性线性集成电路，mc34063 有以下特点：其电路原理 图如下图所示： 如图 4.2 为 mc34063 升压电路原理图，其中： （1）内部工作频率由 c1=4.510-5ton决定； （2）输出电压纹波由 c3（ioutton）/vripple决定； （3）输出电压为 vout=1.25（1+r1/r2） ； （4）电感应用电流较大的线绕铁粉芯电感，二极管要使用速度较快的肖特基二级管 （schottky）如：1n5819、1n5818、1n5820 等。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页 图 4.2 mc34063 升压电路原理图 在设计中选用美信公司的恒压芯片 max1695 提供 5v 电压，max1658 提供 3.3v 电压，器连接电路图如下 4.3 所示： 图 4.3 max1695、max1658 电路原理图 4.2 光源调制驱动电路设计 红外探测器只对红外辐射的变化有反应，因此需要对光源进行调制，使其按一定 频率在反光和不发光的两个状态切换。根据红外热释电传感器使用手册，以及前一章 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页 对调制频率的分析，红外光源的调制电压定为 2hz 的脉冲信号，占空比为 50%，低电 平0v，高电平5v，高低电平之差4v，以保证红外探测器输出规则的正弦信号。 由于光源调制会给探测器信号的输出带来干扰，因此采用光耦对电路进行隔离， 光耦输入端由单片机产生的脉冲信号进行驱动，光耦输出端接 irf9410 的栅极，为保 证光源使用寿命，使用 r35 作为光源的限流保护。 图 4.4 光源驱动电路设计 4.3 信号调整电路设计 热释电传感器输出信号为十几毫伏，需要对该信号进行放大和滤波，如图 4.5 为测 量信号和参考信号的调整电路。放大器选用集成运算放大器 lm358，其内部包括有两 个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于单电源使用，也适用于双 电源工作模式。放大电路输入端 active 为红外传感器检测信号通道，ref 为红外传感 器参考信号通道。以测量信号通道为例，输入信号首先经过隔直电容 c1，滤除原始信 号中不稳定的直流偏置电压，同时由于放大器同相端的直流电位被偏置到+1.3v，因此 原始信号的直流电压也被钳制在+1.5v。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页 图 4.5 信号调理电路 放大器输出信号为一平滑、稳定的正弦信号，直流偏置为+1.5v。为了将信号真实 的传给后面的数据采集单元，放大后的信号送入电压跟随器，电压跟随器的输出信号 再送入单片机内部的 12 位 adco 采样模块进行数据采集。adco 共有 9 个采样通道。 测量信号和参考信号分别占据 ain0 和 ain1 两个通道，参考电压由内部参考电平 vref 提供，输出值在 2.362.48v。实际使用中，需根据 vref具体输出值，在软件中进行校 对。 4.4 微处理单元的选择 为了减少系统功耗和体积，依据测试仪器设计的三大原则：集成化、微型化、微 功化，设计时选用了 silicon laboratories 公司的高集成度的混合集成芯片 c8051f040 单片机，该款单片机具有内部高集成 a/d 转换器、集成 can2.0 控制器等功能，是一 种混合型高集成度芯片，它能够完成多路数据的采集、判断处理、以及数据的传输等 功能，如此使整个系统由一个单片机就控制起来了，这样使整个仪器的体积和功耗达 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页 到了微型 化，功耗也大大降低了。c8051f040 的内部结构如图 4.6 所示。 图 4.6 c8051f040 内部结构功能图 c8051f040 系列器件是完全集成的混合信号片上系统 mcu，具有 64 个数字 i/o 引脚，片内集成了一个 can2.0b 控制器。 下面列出来一些主要特征： 高速、流水线结构的 8051 兼容的 cip-51 内核（可达 25mips） 控制器局域网（can2.0b）控制器，具有 32 个消息对象，每个消息对象有其自己的 标识 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） 真正 12 位、100ksps 的 adc，带 pga 和 8 通道模拟对路开关 允许高电压差分放大器输入到 12/10 位 adc（60v 峰-峰值） ，增益可编程 真正 8 位 50ksps 的 adc，带 pga 和 8 通道模拟多路开关 两个 12 位 adc，具有可编程数据更新方式 64kb 可在系统编程的 flash 存储器 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页 4325（4k+256）字节的片内 ram 可寻址 64kb 地址空间的外部数据存储器接口 硬件实现的 spi、smb/i2c 和两个 uart 串行接口 5 个通用的 16 位定时器 具有 6 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 片内看门狗定时器、vdd 监视器和温度传感器 具有片内 vdd 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的这一系列器件，是真正能独 立工作的片内系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件便能禁止和配置。flash 存 储器还具有在系统重新编程的能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。 片内 jiag 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品 mcu 进行非侵入式 （不占片内资源） 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器， 支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用 jtag 调试时，所有的模拟和数 字外设都可以全功能运行。 （1）数据采集时 a/d 转换器的应用 对于经过信号的处理、放大提取以后，得到与检测气体浓度有关的有用信号：参 考通道信号、气体通道信号、温度信号等。这几路信号经过调理以后，信号幅度范围 都在 03.3v，满足单片机的输入信号范围，几路信号接单片机的单端输入通道，进 12 位 a/d 转换器。选用的单片机的内置 a/d 转换器为 12 位的，各输入通道通过软件 设计，进行开关配置，实现多路数据 a/d 的采集通道切换功能。如图 4.7 所示， c8051f040 的 adco 子系统包括一个 9 通道的可编程模拟多路选择器（amuxo） ，一 个可编程增益放大器（pago）和一个 100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型 adc，adc 集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页 图 4.7 12 位 adc 功能模块 （2）多路数据采集时模拟多路开关的应用 模拟多路器可以从 4 个外部模拟输入引脚（ain0.0ain0.3） 、p3 引脚（可以被 配置为模拟输入引脚） 、高压差分放大器或片内温度传感器中选择去 adc 的模拟信号。 可以将 amux 输入对编程为工作在差分或单端方式。根据需要，对每个通道可选择最 佳的测量技术，甚至可以在测量过程中改变方式。在系统复位后 amux 的默认方式为 单端输入。有 3 个与 amux 相关的寄存器：通道选择寄存器 amxosl、配置寄存器 amxocf 和端口引脚选择寄存器 amxoprt。pga 对 amux 输出信号的放大倍数由 adco 配置寄存器 adcocf 中的 ampogn20 确定。pga 增益可以用软件编程为 0.5、1、2、4、8 或 16，复位后的默认增益为 1。 （3）adc 作方式设计 adco 的最高转换速度为 100ksps，其转换时钟来源于系统时钟分频，分频值保存 在寄存器 adcocf 的 adcsc 位。adc 的启动转换方式：adc 有四种转换启动方式， 由 adcocn 中