（物理电子学专业论文）红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 利用甲烷气体对红外辐射有选择性吸收且吸收强度是甲烷浓度的函数这一关系，研 制了红外吸收型煤矿甲烷检测仪。该检测仪将红外辐射强度转化为电压信号，实现对甲 烷浓度的测量。 本文采用商用红外吸收型甲烷气体传感器i r 3 2 b c 作为敏感探头，并根据该传感器 的特点，设计了合理的光源调制电路和信号调理电路；采用t i 公司的1 6 位单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为检测仪的核心处理器，完成正弦信号峰峰值的采集、数字滤波处理、 浓度计算等功能；以单片机为基础，设计了温度采集模块、液晶显示模块、数据存储模 块、串口通信模块、标准输出模块和报警模块等接口电路，通过对单片机编程实现各模 块功能。当甲烷浓度超过预先设定的报警阈值时，则产生声光报警信号：为了防止系统 掉电时数据丢失，采用e e p r o m 保存报警闽值、最新浓度值等重要数据；由于仪表的 输出信号为4 2 0 m a 标准制式，可以很方便与其它设备互联，并且在一定程度上提高 了信号传输距离；通过单片机内部集成的异步通信模块u s a r t l 和计算机串行接口 r s 2 3 2 ，检测仪将浓度值和原始信号采样数据实时地传送到计算机，并以数据表的格式 保存在数据库中，以满足测试标定时采集和处理大量数据的需要。 在实验室条件下，对该检测仪进行了标定，实验结果表明，该仪表实现了在 5 0 0 0 0 p p m 范围内对甲烷气体浓度的检测，分辨率为5 0 0 p p m ，精度为7 3 3 p p m ，在误差 范围内有较好的重复性。 在上述工作的基础上，本文还设计并通过实验对红外吸收型甲烷气体传感器进行了 研究，对如何确定红外光源的调制频率和采样气室长度两个关键参数做了探讨，并对传 感器的反应时间、稳定性和灵敏度进行了测试和分析。 关键词：红外吸收；检测仪：单片机；传感器 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制 d e v e l o p m e n to fi r a b s o r b i n gm e t h a n ed e t e c t i n g i n s t r u m e n tf o rc o a l m i n ea p p l i c a t i o n a b s t r a c t m e t h a n eh a sas i g n i f i c a n ta b s o r p t i o nt oi rr a d i a t i o na tac h a r a c t e r i s t i cw a v e l e n g t h ，a n d t h ea b s o r p t i o ni sr e l a t e dw i t hc o n c e n t r a t i o no fm e t h a n e t h ei r a b s o r b i n gm e t h a n ed e t e c t i n g i n s t r u m e n ti sd e s i g n e db yc o n v e r t i n gi rr a d i a t i o nt ov o l t a g es i g n a l ，s ot h eg a sc o n c e n t r a t i o ni s c a l c u l a t e d u s i n gc o m m e r c i a li r a b s o r b i n gm e t h a n eg a ss e n s o r - i r 3 2 b c ，r e a s o n a b l el i g h t s o l a c em o d u l a t i o nc i r c u i ta n ds i g n a lh a n d l i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d ；m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，w h i c hi sa 1 6 - b i ts c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，i st a k e na st h ec o r eo ft h ei n s t r u m e n t s a m p l i n go f p e a kv a l u eo fs i n ew a v e ，d i g i t a lf i l t e r i n ga n dc o n c e n t r a t i o nc a l c u l a t i o ne t ca r cc o m p l e t e d w i t ht h es c m ，s i xe x t r ap e r i p h e r a lm o d u l e ss u c ha st e m p e r a t u r em o n i t o r i n g ，l e dd i s p l a y ， d a t as t o r a g e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，s t a n d a r da n a l o go u t p u t ，a l a r mw i t hl i g h ta n ds o u n da r e a l s od e s i g n e d ，a n dt h ef u n c t i o n sa r cr e a l i z e dt h r o u 【g hp r o g r a m m i n gw i t hm s p 4 3 0 f 1 4 9 w h i l e t h ed e t e c t e dg a sc o n c e n t r a t i o n sa r eo v e rt h ew a r n i n gl i m i t ，w h i c hw a ss e tb e f o r e ，l i g h ta n d b e e pa l a r ms i g n a li sg e n e r a t e d i m p o r t a n td a t as u c ha sw a r n i n gl i m i ta n dl a t e s tc o n c e n t r a t i o n s a r es a v e di n t oe e p r o mi nc a s eo fp o w e rb r e a k i ti sc o n v e n i e n tt oc o n n e c tt h ei n s t r u m e n t w i t ho t h e re q u i p m e n t sb e c a u s eo ft h e4 2 0 m as t a n d a r da n a l o go u t p u t ，b e s i d e st h ed i s t a n c e o fs i g n a lt r a n s i m m i s i o ni sl e n g t h e n e da tac e r t a i nd e g r e e w i t ht h es e r i a lp o r tr s 一2 3 2 ，t h e i n s t r u m e n ts e n d sd a t ao fc o n c e n t r a t i o n sa n do r i g i ns i g n a lt oc o m p u t e r ，a l lt h ed a t aa r es t o r e d i nd a t a s h e e t sw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g yt om e e tt h en e e do fs a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gm a s sd a t a w h e nt e s t i n g u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，t h ei n s t r u m e n ti st e s t e da m o n gt h er a n g eo f5 0 0 0 0 p p m t h e r e s u ai n d i c a t e st h a t ，t h er e s o l u t i o no ft h ei n s t r u m e n ti s5 0 0 p p m ，a n dt h ea c c u r a c yi s 7 3 3 p p m ， w i t h i nc e r t a i ne r r o r , t h ei n s t r u m e n th a sg o o dr e p e t i t i o n o nt h eb a s i so fa b o v ew o r k ，i r - a b s o r b i n gm e t h a n es e n s o ri ss t u d i e da n dd e s i g n e d ，t w o k e yf a c t o r ss u c ha sm o d u l a t i o nf r e q u e n c yo fl i g h ts o u r c ea n dl e n g t ho fg a sc h a m b e ra r e d e t e r m i n e dw i t he x p e r i m e n t a lm e t h o d t h ep e r f o r m a n c eo ft h es e n s o rs u c ha sr e s p o n s et i m e ， s t a b i l i t y ，s e n s i t i v i t ya r ea l s ot e s t e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：i r a b s o r b i n g ；i n s t r u m e n t s c m ；s e n s o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：囱筮日期：之竺五垒! 兰塑如日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：舌一窈炙 导师签名城 至竺年三月主旦日 大连理工大学硕士学付论文 1 绪论 我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源。近 年来，重大、特大瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越耐”。避免瓦斯爆炸事故 的一个重要措施就是要做好瓦斯的检测工作，提前掌握煤矿瓦斯的变化情况，一旦出现 异常，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。 1 1 课题背景 瓦斯是煤矿开采的伴生物，矿井瓦斯是对煤矿井下各种有害气体的总称，其主要成 分是甲烷( c 地) ，二氧化碳( c 0 2 ) ，一氧化碳( c o ) 等。在这些有毒有害气体中， 甲烷的含量占了8 0 以上，所以人们习惯上将甲烷称为瓦斯。 瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，与空气混合在一起后，既看不到，摸不着， 也闻不出来。瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，而使人窒息， 当空气中的瓦斯含量达到4 0 以上时，能使人, - r n 死亡1 2 1 。 新鲜空气中，瓦斯浓度达到5 1 6 时，就达到爆炸浓度，也称爆炸极限。当瓦 斯浓度在5 以下时，遇到火源能燃烧，不能爆炸，当瓦斯浓度大于1 6 时，在混合气 体中遇到火源不能燃烧，也不会爆炸，如有新鲜空气供给，在混合气与新鲜空气的接触 面上，遇火就会燃烧，其浓度在5 1 6 时，遇火源就会爆炸，在9 5 时，爆炸能力 最耐3 1 ，由于矿井内涌出的可燃性气体不仅仅是甲烷，还有一部分重碳氢化合物，重碳 氢化合物分子量越重，其爆炸下限越低。在新鲜空气中，瓦斯的引燃温度为6 5 0 7 5 0 。c ， 而点燃的香烟头的温度都在千度以上，所以明火、吸烟、电火花、放炮产生的火焰以及 摩擦火花，都可以引起瓦斯爆炸。 瓦斯爆炸是一种激烈的化学反应，瓦斯爆炸后会产生大量有毒有害气体，使空气中 的含氧量大大降低，瓦斯爆炸时产生大量的热量，形成火焰，温度可达1 8 5 0 2 6 5 0 。c ， 这样的高温及火焰能使人员被烧伤，还会引起煤尘爆炸及矿井火灾。由于空气温度的骤 然升高，使爆炸源附近空气压力急剧增大，因而形成强大的冲击波。这种直接冲击波， 使爆炸源附近的气体以每秒几百米甚至几千米的速度向外传播，从而造成井巷、设备及 人员伤亡。瓦斯、煤尘爆炸后，由于空气稀薄，在爆炸源附近形成低压区，因而又形成 了爆炸波的反向冲击，对井巷、设备会造成更大的破坏，对人员也构成更大的威胁1 4 j 。 发生瓦斯事故的原因是多方面的，煤矿瓦斯综合治理工作任务艰巨、责任重大。除 了从管理机制、政策等方面治理瓦斯，加强矿井内瓦斯的早期可靠性检测监控，可以起 到非常重要的防范作用，也是防止瓦斯事故的一个重要方面。因此，煤矿瓦斯气体检测 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制 仪表对保证煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前 景十分广阔。 1 2 煤矿甲烷检测技术概述 由于煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，因此对煤矿瓦斯的检测可以转化为对甲烷的检 测。一个完整的煤矿甲烷气体检测仪表同普通气体检测仪表一样，一般由四个基本部分 组成：气体传感器，即能感知环境中某种气体及其浓度的装置或器件，它能将与气体种 类和浓度有关的信息转换成电信号；处理器及显示器，根据测量信号，运用一定的算法 计算出待测气体浓度并显示出来；报警器，当检测气体浓度超出设定报警阈值时，就给 出报警信号；标准模拟输出信号，一般采用1 5 v 电压信号或者4 2 0 m a 电流信掣研， 标准输出信号需要与被测气体浓度成线性关系。其技术参数还有存储数据功能、传输数 据功能、使用寿命与可靠性、低功耗等。 气体传感器是气体检测仪表的关键部分，就其原理可以分为四大类：电学类气体传 感器、光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器【6 】。利用材 料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。 这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中电阻式气体传感器主要有接触 燃烧式、热导式和半导体式等，而非电阻式气体传感器则通常是利用材料的电流或电压 随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括m o s 二极管式、结型二极管式和场 效应管式等。利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感 器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光 式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性 质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电解式、伽伐尼电池式、固体电解质等 种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、 浓差电池式、声表面波式、石英振子式等 7 - 9 1 。 目前应用于煤矿井下甲烷气体的检测方式主要有载体催化燃烧式、热导式、光干涉 式、红夕 吸收式1 1 等。 ( 1 1 热催化原理的甲烷检测仪 热催化原理的检测仪是利用催化物能使低浓度甲烷在低温度下持续燃烧( 氧化) ， 因不同浓度的甲烷在燃烧时产生的热量不同，用温度变化来测量甲烷浓度的一种检测 仪，又称为催化氧化式或接触燃烧式。最初测量甲烷的传感元件是用纯铂丝线圈制作， 纯铂丝线圈既是加热器，又作为电阻温度计来完成热量到电量转换，由于甲烷在铂丝线 圈燃烧时产生的温度高达9 0 04 c ，铂丝因表面蒸发直径变细，因而使阻值增加导致传感 大连理工大学硕士学位论文 器零点严重漂移。所以目前使用较普遍的是载体催化元件，载体的作用是提供较大的接 触反应表面，这种载体元件能在较低温度下使甲烷催化燃烧，铂丝线圈仅作为加热器和 电阻温度计，不再直接暴露在甲烷氧化区，大大降低了蒸发损失。这种检测原理的缺点 是抗中毒性较差，从而导致其使用寿命短，测量高浓度甲烷时会给出致命的错误信息， 甚至威胁安检人员的生命安全。其优点是输出信号大，线性好，信号处理和显示都比较 方便，从而使电路和仪器的结构简化。利用这种原理的检测仪器，是当前国内外测量低 浓度甲烷使用最普遍最成功的一种【1 1 。1 3 1 。 ( 2 ) 热导原理的甲烷检测仪 热导原理的检测仪器是利用所测气体与空气的热导率之差来实现对气体浓度检测 的。热导式气体检测仪将待测气体送入气室，气室中有热敏元件，如铂丝或钨丝，对热 敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，热量更容易从热敏元件上散发， 使其阻值减小，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化可得到被测气体浓度值。这种检测原 理的优点是热敏元件工作温度低( 低于2 0 0 ) ，工作电压也不高，所以极易制成矿用 本质安全型，而且热敏元件为半永久性元件，使用寿命长。其缺点是检测低浓度甲烷时 输出信号小，且易受水蒸气( 湿度) 和二氧化碳等气体的影响。 ( 3 ) 光干涉原理的甲烷检测仪 光干涉原理的甲烷检测仪是利用光波在空气和瓦斯中的传播速度不同，产生的光程 差引起干涉条纹的移动来测量甲烷浓度的。一束入射光经过适当的光学系统后被分解为 两束相干光，一路通过被测气体气室，另一路通过参考气室，由于满足相干条件，两者 相遇就会产生干涉条纹。光干涉检测仪在使用前，需要“调零”，参考气室和采样气室 均充满新鲜空气，此时干涉条纹的位置作为零点；测量时，气样室吸入被测气体，光路 中引入附加光程差，条纹发生移动，移动量正比于甲烷浓度，从而确定甲烷浓度1 1 “”。 光干涉原理的检测仪是1 9 2 7 年在日本制造成功的，目前我国不但可以大批生产，而且 在品种、质量和规格上都处于比较先进的行列。其缺点是浓度指标不直观，受气压、温 度、湿度影响，特别是当空气中的氧气不足和氮氧比例异常时，测量将出现误差。 ( 4 ) 红外吸收原理的甲烷检测仪 红外吸收型甲烷检测仪是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度 与气体浓度有关的事实来检测甲烷浓度的。红外吸收型气体分析检测仪一般由红外辐射 源( 白炽灯或者红外l e d ) ，测量气样室，波长选择装置( 滤光片) ，红外探测装置( 如 热电探测器，热电池) 组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过 被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐射被探头测出，通过测 量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度。红外线气体检测仪的优点是测量范围 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制 宽、选择性好、防爆性好，尤其是当被测气体浓度过高时，不会像载体催化元件那样发 生中毒现象。 1 3 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的国内外研究概况 基于气体对红外辐射有选择性吸收的原理，用于矿井下的红外光谱分析仪已在法 国、美国等国家研制成功。法国的l e l 5 6 1 0 型气体分析仪就能检测c 1 4 4 、c 0 2 、c o 混 合气体，并且具有自检功能；美国西屋电气公司研制的红外瓦斯遥测仪能在4 0 m 内确定 工作面周围的平均瓦斯浓度。目前进入国内市场的主要有美国英思科公司m d u 4 2 双量 程甲烷检测仪和罗斯蒙特公司的8 1 5 e x 红外吸收气体分析仪，这些仪表都采用红外传 感器技术，性能可靠，安全防爆、轻便且易于携带，具有数据采集功能，而且能够提供 标准模拟电压或者电流输出信号，具体应用在环境监测和工矿安全检测。 十多年来，国内的有关单位也一直致力于用于矿井气体分析的红外检测仪的研究工 作。如中国矿业大学朱志英等人设计开发了双探测器、双光源的煤矿红外瓦斯检测仪； 武汉四方光电科技有限公司在红外气体传感器关键技术的研究上有了重大突破，并推出 了用于煤矿的红外瓦斯检测仪；哈尔滨工业大学王书涛等人研究了一种高灵敏度光谱吸 收型光纤甲烷检测仪，利用光纤作为传播介质，实现了甲烷气体浓度的谐波检测【1 6 j 。 红外气体传感器是红外检测仪表的灵魂，红外光源和红外探测器是红外气体传感器 的关键部件，也是成本的主要构成i l ”。九十年代以来由于微电子产业的发展，带动了微 机电系统( m e m s ) 技术的迅猛发展，德国微传感执行器和系统研究所、波兰化学研究 所、瑞士微系统研究所都利用m e m s 技术设计了可直接调制的红外辐射源。国内中科 院微系统所、复旦大学等单位也开展了脉冲调制的m e m s 脉冲辐射源的研制，并己取 得了一定成果。红外热电堆探测器是红外传感器中常用的探测器件，相比于其他红外热 电器件，成本更低，使用更简便，性能更可靠。目前国外大的传感器公司如美国 p e r k i n e l m e r 和h o n e y w e l l 等都已大量利用红外热电堆制作传感器。中科院上海技术物 理研究所开发的热释电红外器件是民用产品中的佼佼者，但是由于热释电探测器测量的 是红外信号的变化量，其电路复杂，成本较高。 一直以来，我国都采用热催化元件来对瓦斯浓度进行检测，其检测精度不高，易老 化且易发生致命错误等缺点在应用过程中逐渐显露出来，因此，迫切需要一个新的方法 来解决这个问题。随着红外光谱技术在各行各业日益广泛的应用，目前，国内外用于精 确测定和标定气体浓度的分析仪基本上采用红外技术，因此研制一种矿用红外瓦斯分析 检测仪对于提高我国煤矿安全监测水平，防止煤矿瓦斯事故发生，保障我国煤炭事业的 可持续性发展有着重要的现实意义【”】。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文开展的主要工作 针对目前我国煤矿气体检测仪的现状和发展阅读了大量文献，在分析和比较各种检 测仪表优缺点的基础上选择使用红外吸收的光学方法对煤矿中的甲烷进行浓度检测。 本文主要工作分为三部分： ( 1 ) 设计了红外吸收型煤矿甲烷检测仪的硬件和软件实现方案。设计了合理的传感 器调制电路和信号调理电路，将红外辐射转化为电压信号输出，以单片机为核心，设计 了液晶显示、数据存储、串口通信、标准输出、超限报警等外围模块。软件方面采用模 块化编程方法，充分利用单片机低功耗的特性，采用定时中断方式完成a d 采样和数据 处理，并通过对单片机编程实现各个外围模块功能。 但) 在对红外吸收型煤矿检测仪研制基础上，尝试性地研制了红外吸收型甲烷气体 传感器。采用白炽红外光源i r 7 1 5 和热释电红外探测器l h l 8 1 4 分别作为传感器的红外 辐射发射源和红外辐射接收器，通过实验的方法，确定了红外光源调制频率和采样气室 长度这两个关键性参数，并在实验室条件下，对传感器的稳定性、响应时间和灵敏度进 行了测试和分析。 ， ( 3 ) 编写了数据采集记录软件。在检测仪和传感器的测试和标定过程中需要采集和 处理大量数据，虽然单片机本身具有采集数据的功能，但是其存储空间有限，因此，需 要利用计算机强大的处理能力来完成数据的汇总和分析。本文基于v c + + 6 0 编程环境编 写了上位机软件，可以实现检测仪在线与否检测、传感器采样信号的数字化和图形化显 示、e e p r o m 中历史浓度数据的读取、浓度报警限的设定和修改等功能，并结合数据 库技术，将采样值保存在数据库中，以数据表的格式保存。 5 红外吸收犁煤矿甲烷检测仪的研制 2 红外吸收型气体传感器的工作原理 非对称双原子和多原子分子气体( 如c i - 1 4 ，c o ，h 2 ，s 0 2 ，n o 和c 0 2 等) 都有吸 收红外辐射能量的性质。这种性质是具有红外活性物质本身固有的一种属性，如同人类 的指纹，具有唯一性，不会因环境、温度等条件的改变而改变【1 9 - 2 0 1 ，因此可以利用这一 特性来对物质进行定性和定量分析。图2 1 表示某种气体对红外辐射的吸收示意图。 红 咎 号 。厂 l 0 l2345678 9 1 0i i1 21 3 波长瑚l 图2 i 气体吸收红外辐射示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po f g a sa b s o r p t i o nt oi rr a d i a t i o n 不同的气体有着不同的吸收光谱，例如，甲烷在3 3 9 # m 处有一个吸收峰，二氧化 碳在4 2 6 t m 处有一个吸收峰【2 1 i 。吸收光谱是由一定频率范围内的谱线组成的，是有一 定带宽的，带宽内各个频率点的吸收强度也是不一样的。如果气体的吸收波段在红外辐 射光谱范围内，那么当红外辐射通过气体时，在相应频率处就会发生能量强度衰减，衰 减程度与气体浓度有关，通过分析红外辐射的衰减量，即可推算出气体浓度。 2 1b e e r - l a m b e r t 定律 衡量气体吸收的基本定律为b e e r - l a m b e r t 定律，其内容为：对于能量为而的一束单 色入射光，透过长度为工的气体吸收介质以后，在不考虑散射的情况下，其透射光强， 可以表示为【2 2 1 ： i = f o e ”“ ( 2 1 ) 其中，表示通过待测气体前的光强； 而表示气体吸收后的透射光强； 口表示吸收系数： c 表示待测气体浓度； 一6 一 大连理 大学硕士学位论文 工表示光路长度，即光线在待测气体中穿过的有效路径长度。 由2 1 式可知，透射光强，是气体浓度c 、气体吸收系数a 和路径长度的函数，被 测气体浓度越大，气体的吸收系数越大，气体穿过的路径长度越长，能量衰减得越强烈。 吸收系数a 与被测气体的性质、传感器的结构等有直接的关系，它一般通过实验的方法 来求得。路径长度是指光在气体中的有效长度，路径长度越长，气体吸收越充分。 2 2 红外吸收型气体传感器的结构 红外吸收气体传感器一般包括红外光源、采样气室、滤光片和红外探测器四部分【矧。 为了减小红外光源的背景干扰，一般采用两路信号的结构，一路作为测量信号，一路作 为参考信号，如图2 2 所示。 量信号g a s 考信号r e f 图2 2 红外吸收型气体传感器结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fi n f r a r e ds o r p t i o ns e n s o r 测量滤光片允许目标气体吸收频带范围内的红外辐射透过，因此，测量信号反映被 测气体浓度的情况；参考滤光片则允许其他波段的红外辐射透过，对应的参考信号不受 目标气体和其他气体影响。根据朗伯一比尔定律，两路信号都与当前光强成正比，假设 两个通道的比例因子分别为t 和k 。对于气体测量信号：g a so ck x , r o e ”“，对于参考 信号：r e fo c k 2 1 0 ，由于光强很难准确测量，为了消除光强因子的影响，对测量信号 g a s 和参考信号r e f 求比值，从而消除了光源的影响，提高了测量的准确性。 2 2 1 红外光源 为了最终得到有效的测量信号，红外光源在气体强烈吸收红外辐射的波段处应具有 较高的辐射能量，也就是说，它必须提供测量所需的足够的光强。目前，市场上有多种 红外线发射管，广泛应用于遥控安防，人体探测等场合，由于其发射能量大都集中在近 红外区域，而且发射能量有限，均不能用在红外吸收气体传感器的设计中。也有一些中 红外区域的大功率红外线发射管，但是价格偏高，红外气体传感器一般采用以钨丝为灯 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制 丝的白炽灯作为红外光源，此种光源与普通照明的白炽灯有着显著的区别：红外光源主 要将电能转化为红外辐射能，而普通照明白炽灯则将8 0 的电量转化为光能【刎。 2 2 2 红外探测器 热释电红外传感器是一种光电转换器件，它是一种p z t 晶体结构的表面电荷极化随 其温度变化而变化的传感器。 自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的富有电荷保持平衡状态，受到红外线照射 后，其内部温度将会升高，内部的极化状态便随之降低，表面电荷浓度也相应降低，这 就相当于“释放”了一部分电荷，这种现象称为电解质的“热释电效应”，从外部将释 放的电荷取出，就变成传感器的输出电压。需要指出的是，如果红外辐射持续下去，铁 电体的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡，这时它就不再释放电荷， 也就不再有信号输出了。由图2 3 可以看出，当红外辐射从无到有突变时，探测信号相 应有明显的变化，从稳定的基准值到峰值的时间称为反应时间，如果红外辐射持续下去， 由于热释电传感器内部极化达到平衡，释放的电荷逐渐减少，探测信号逐渐回到基准值 瞄。2 6 j 。图2 4 中的红外辐射在一定频率下有规律地变化，探测器则输出类似正弦信号， 当红外辐射由d a r k 状态到l i g h t 状态阶跃变化时，电压信号由基准值开始增加，直 至峰值；当红外辐射由l i g h t 状态到d a r k 状态阶跃变化时，电压信号则由基准值减 小到谷值，信号频率与红外辐射变化的频率相同。 准值 若射 c o n s t a n tl i g h t a r k 图2 3 红外辐射阶跃变化时的探测信号 f i g 2 3d e t e c t o rs i g n a lf o ras t e pc h a n g ei ni n f r a r e dr a d i a t i o n 一8 一 大连理1 = 大学硕十学位论文 f|、r e 值 。 l i g h t l i g h t l i g h d a r k d a r k 图2 4 探测信号随红外辐射有规律地变化 f i g 2 4d e t e c t o rs i g n a la saf u n c t i o no fi n f r a r e dr a d i a t i o n 因此，对于热释电红外传感器，只有在红外辐射不断变化，它的内部温度随之不断 升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为恒定值，即热释 电红外传感器只对红外辐射相对变化有反应，而对红外辐射的绝对值没有反应。因此在 应用热释电传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器输出的信号有效， 为了满足这一要求，须将红外光源按一定频率进行调制。 2 2 3 红外滤光片 红外光源发出的光覆盖很宽的频谱，光源发出的光被气体吸收以后，到达探测器的 时会包含多个气体的吸收线。为了确保传感器对待测气体的高选择性，防止混合气体的 干扰，须将其他气体的吸收线“拒之门外”，采取的方法是，将气体吸收后的透射光通 过以待测气体特征吸收波长为中心波长的红外滤光片，使该波段内的红外辐射得以通过 到达探测器，而其他波段的光强受到很大程度的抑制，可以忽略不计。探测器检测到的 即为被测气体特征吸收线处的光强。参考光路使用的红外滤光片的中心波长选在绝大多 数气体的吸收谱线都不会涉及的波段，通常为4 0 9 m 。 2 3 红外甲烷气体传感器ir 3 2 b c 本文在设计红外煤矿甲烷检测仪所使用的是i r 3 2 b c 红外吸收型甲烷气体传感器， 它采用白炽小灯泡作为红外光源，热释电探测器作为红外探测器，红外滤光片与探测器 封装在一起。采样气室采用铝合金制作，呈圆柱状，红外光源和红外探测器均固定在气 室的底部，气室的顶部留有让气体自由扩散的小孔，红外光源发出的光经过气室内壁多 次反射而到达探测器，在有限的空间内增大了光程，使红外辐射能够被气体充分吸收， 有利于提高分辨率。传感器实物见图2 5 。 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制 图2 5i r 3 2 b c 的实物图 f i g 2 5a c t u a lp i c t u r eo fi r 3 2 b c 传感器的基本参数如下： 量程：o 5 目标气体反应时间： 5 年 工作电压 推荐：+ 5 v 最大：+ 1 5 v 光源工作电压 最大电压：+ 5 v ( 6 0 m a ) 推荐调制频率：4 h z ，5 0 占空比 探测器负载电流：1 0 # a 工作温度：一1 0 5 0 工作湿度：0 1 0 0 大连理亡大学硕士学位论文 3 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的设计 3 1 设计概述 本检测仪的核心功能是实现体积分数为o 5 ，即爆炸下限范围内甲烷浓度的检 测，同时本着方便应用的原则，仪表应具备以下功能： ( 1 ) 浓度显示。将当前所测浓度直观地显示出来。 ( 2 ) 声光报警。当前所测浓度超过预先设定的浓度报警限时，提醒井下作业工人。 ( 3 ) 串口通信。由于在测试仪的标定过程中，需要采集和处理大量数据，采用串口 通信使检测仪的测量数据直接传到计算机上，利用计算机强大的数据处理能力，完成数 据处理。 ( 4 ) 人机交互。在串口通信的基础上，编写良好的人机交互软件，可以直观地显示 信号数据和波形，实现检测仪参数的设定和修改。 ( 5 ) 数据存储。当检测仪脱离计算机使用时，为了防止系统掉电导致数据丢失，将 测得的浓度值保存到检测仪的e e p r o m 中，以供后期测试分析。 ( 6 ) 标准信号输出。为了与其他仪器设备兼容和提高系统的传输性能，该检测仪输 出4 2 0 m a 国际标准模拟信号。 整体设计由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括系统电源电路、传感器信号 调理电路、显示电路、数据存储电路、串口通信电路以及标准信号输出电路等；软件部 分主要包括与硬件接口的应用程序、数据处理程序和串口通信程序等。 3 2 单片机的选择 单片机是智能仪表的核心，其优越的性能使仪表的电路设计变得简洁、可靠。通过 分析比较目前广泛应用的m c s 5 1 系列单片机与1 1 公司的低功耗1 6 位m s p 4 3 0 系列单 片机，并根据设计要求，本文最终选定了1 1 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。 3 2 1m s p 4 3 0 系列单片机与m c s - 5 1 系列单片机的比较 首先，m c s 5 1 系列为8 位单片机，其指令采用被称为“c i s c ”的复杂指令集，共 有1 1 1 条指令。而m s p 4 3 0 单片机是1 6 位的单片机，采用了精简指令集“r i s c ”结构， 指令分为内核指令和模拟指令。内核指令只有2 7 条，均为单周期指令，功能强大，运 行速度快。大量指令则是有更高效率的模拟指令，模拟指令利用c p u 的结构和内核指 令实现，众多的寄存器和片内数据存储器都可参加运算。 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制 其次，m c s 5 1 单片机的电源电压为5 v ，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。 正常工作时的电流为2 4 m a ，在掉电状态下，其耗电电流仍为3 m a 。m s p 4 3 0 系列单片 机工作电压为1 8 3 6 v ，运行在1 m h z 时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0 1 4 0 0 , u a ，m s p 4 3 0 系列单片机在低功耗方面的优越之处，是m c s 5 1 系列所不能比拟的。 再者，m c s 5 1 系列单片机，由于其内部总线是8 位的，其内部功能模块基本上都 是8 位的，虽然经过各种努力，其内部功能模块有了显著增加，但是受其本身结构的限 制很大，尤其是模拟功能部件的增加更加困难。m s p 4 3 0 系列，其基本架构是1 6 位的， 同时其内部的数据总线经过转换变为8 位数据总线，对于这种架构来说，无论是扩展8 位的功能模块还是1 6 位的功能模块，都是很方便的，这也是m s p 4 3 0 系列产品和其功 能部件迅速增加的原因 2 7 - 2 s 1 。 最后，在开发工具方面，对于m c s 5 1 来说，如何实现在线编程还是一个很大的问 题。而对于m s p 4 3 0 系列而言，由于引进f l a s h 型程序存储器和经过j t a g 技术，它 的开发工具无论是结构还是操作，都要简单得多，而且价格相对低廉。 3 2 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 属于m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列，其系统结构如图3 1 所示。 x m mm m 8 ip1 图3 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 系统结构 f i g 3 1s y s t e ms m m m r co fm s p 4 3 0 f 1 4 9 大连理工大学硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用存储器一存储器结构，即使用一个公共的空间对全部功能模块寻 址，同时用精简指令对全部功能模块进行操作。m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部集成的主要模块有： 基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c o ) 和2 个晶体振荡器；看门狗定时器w a t c h t i m e r ；2 个通用1 6 位定时器t i m e ra ，t i m e rb ：2 个具有中断功能的1 6 位并行端口： p 1 、p 2 ；4 个1 6 位并行端口：p 3 、p 4 、p 5 、p 6 ；模拟比较器c o m p a r a t o r _ a ；1 2 位a d 转换器a d c l 2 ；2 个串行通信口u s a r t 0 与u s a r t l ；1 个硬件乘法器；6 0 k b + 2 5 6 字 节f l a s h ，2 k 字节r a m 2 6 i 。 本文利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的1 6 位定时器t i m e ra ，实现了传感器调制信号的产生； 利用其内部集成的1 2 位采样模块a d c l 2 完成对传感器信号的采样；利用该单片机丰富 的端口优势，采用并行方式扩展了1 2 2 x 3 2 的字符液晶模块，实现了测量数据的直观显 示；采用1 2 c 总线接口的芯片a t 2 4 c 6 4 ，实现了数据的存储；利用单片机串口通信模块 u s a r t 0 和a d 公司的1 6 位d a c 芯片a d 4 2 1 实现了4 2 0 m a 标准模拟信号的输出； 利用单片机串行通信口u s a r t l 模块和m a x i m 公司的m a x 3 2 2 1 电平转换芯片，基于 串行通讯协议，实现了检测仪和计算机之间的串行通信。 3 3 系统硬件设计 硬件电路设计在本文中占有很重要的位置，硬件电路的合理性是仪表可靠性的最根 本保证，本文在保证实现所有功能的基础上，考虑以下几个设计原则1 2 9 1 ： ( 1 ) 尽量选择一些典型芯片，有典型的应用电路，这样可以保证电路设计的正确性， 为系统的标准化和模块化打下基础。 ( 2 ) 尽量减小硬件电路的复杂性，能在片内实现的功能，最好不要外接电路，多选 用集成度高的芯片。 ( 3 ) 注意整体系统中各器件之间的匹配。 ( 4 ) 进行p c b 版设计时，考虑系统的可靠性和抗干扰措施。 ( 5 ) 在功能实现的前提下，应尽量提高系统性价比，以提高产品竞争力。 根据本章第一节的讨论，该检测仪采用2 2 4 节所述的i r 3 2 b c 红外甲烷气体传感 器作为敏感探头，选用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为核心处理器件，系统硬件原 理框图如3 2 所示。 红外吸收犁煤矿甲烷检测仪的研制 厂 m s p 4 3 0 f 1 4 9 、 仁掴 涸 蕤 单片机 堙 巨垂 o仁魉 臣萨 蚜面研刮订 图3 2 系统硬件原理框图 f i g 3 2b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mh a r d w a r e 外接的4 m h z 和3 2 7 6 8 h z 晶振分别为单片机提供主时钟和辅助时钟，主时钟提供给 c p u ，辅助时钟由单片机内部的基础时钟模块分频处理后，为其他外围模块提供工作时 钟。i r 3 2 b c 的光源调制信号由单片机内部的定时器t i m e ra 和光源调制电路共同产生； 室温信号及经过调理后的传感器输出信号送到单片机进行a d 采样和数据处理；l c d 显示模块负责将当前的浓度值和温度值实时显示在液晶显示屏上；为了与其他仪器设备 兼容和提高系统的传输性能，将浓度信息线性转化为4 2 0 m a 电流信号输出；如果当 前所测浓度超过事先设定的浓度报警限，则给出蜂鸣声和l e d 闪烁两种形式的报警信 号；同时通过数据存储模块来实现测量数据的纪录；串口通信模块完成本检测仪与计算 机的数据传输。 3 3 1 系统电源电路 该检测仪的系统电源主要分为两部分：v i n l = 9 v 和v i n 2 = 1 2 v ，两者互相隔离，由 外部直流电源提供。v i n l 通过线性电压基准器件l m 3 1 7 、t l 4 3 1 、t p s 7 6 3 0 1 及其辅助 电路输出不同的电压值，为传感器、放大器、a d 转化等提供工作电压和参考电压，电 压转化电路如图3 3 所示。v i n 2 为标准输出模块提供工作电压，该模块的核心器件采用 a d 公司的1 6 位模数转换芯片a d 4 2 1 ，单片机系统等+ 3 3 v 系统的工作电压由a d 4 2 1 内部集成的+ 3 3 v 电压基准来提供，具体介绍见3 3 7 。 大连理工大学硕士学位论文 图3 3 电压转换电路图 f i g 3 3c i r c u i td i a g r a mo f v o l t a g ec o n v e r s i o n l m 3 1 7 是n i 公司生产的稳压电源芯片，输出电压范围为1 2 5 v 一3 7 v ，最大负载电 流为1 5 a ，输入电压与输出电压之间的最大压差可达4 0 v 。l m 3 1 7 有三个引脚，在玳 端( 引脚3