（光学专业论文）双光束嵌入式瓦斯检测系统研究.pdf

摘要 煤矿安全生产一直是工业生产中的一个重中之重，是一个亟待解决的重大科技问 题。世界各国都投入了大量人力和物力研究开发相关设备。文章将光学技术、嵌入式技 术、光电子技术相结合，基于红外吸收的瓦斯检测系统工作原理，研究设计了一种具有 较高实用价值的双光束比对嵌入式红外瓦斯检测系统，该系统设计了两种串口通信接 口，使上位机可以实时监测瓦斯浓度、对数据进行处理及进行智能预测，实现了瓦斯的 监测实时化和智能化。论文所研究的主要内容和完成工作如下。 对目前国内外瓦斯检测技术及现状进行了分析展示，对于不同类型的瓦斯检测设备 的优缺点进行了分析与比较，提出了基于气体红外吸收原理、嵌入式技术与光电检测差 分技术相结合的一种双光束智能型瓦斯检测设计方案； 研究分析了甲烷的吸收光谱，应用朗伯比尔定律，推导出在单波长双光束差分 检测下气体浓度的表达式，设计了种双光束吸收型瓦斯检测系统； 分析研究了不同光源和探测器的特性和问题，确定了本方案中的光源和探测器，完 成设计了检测系统、单片机控制系统、供电电路、信号调理电路、通信电路、浓度显示 与声光报警等电路系统，研究设计了双光束嵌入式红外瓦斯差分检测系统。 研制开发了检测、通信、报警等相关电路的驱动程序。 对该瓦斯检测系统进行了实验研究，通过实验可以表明，本系统设计达到了较高精 度的瓦斯气体检测设计要求。 创新点：采用单波长双光束检测方法，减少了由于发光光源不稳定或者器件零漂等 导致的测量误差；整个设计都采用的是低功耗的嵌入式系统，使气体浓度计算的更为精 确，同时完成瓦斯浓度液晶显示、浓度超限声光报警等控制功能。 关键词 嵌入式技术，双光束，瓦斯检测，智能化，研究设计 a b s t r a c t c o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o ni ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nh a sb e e nae r i t i c a li s s u e i sa l lu r g e n t n e e dt oa d d r e s st h em a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l dh a v ei n v e s t e d h e a v i l yi nh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e st or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n te q u i p m e n ta s s o c i a t e d w i t hi t u s i n gt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , o p t o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dt h ep r i n c i p l eo f i n f r a r e da b s o r p t i o ng a sd e t e c t i o n ，ap r a c t i c a lv a l u eo ft h ee m b e d d e dd u a l - b c a mi n f r a r e dg a s d e t e c t i o n s y s t e r nh a sb e e nd e s i g n e d t h es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e do ft w os e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，s ot h a tp cc a l lb er e a l t i m em o n i t o r i n go fg a sc o n c e n t r a t i o na n d p r o c e s s i n g d a t at of o r e c a s t s oi te n h a n c e st h e s e c u r i t yo fp r o d u c t i o na n dr e a l i z e st h e i n t e l l i g e n tg a sm o n i t o r i n g t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s t h ew o r l do fg a sd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h es t a t u sq u oh a v eb e e ns h o w na n da n a l y z e d f o rd i f f e r e n tt y p e so fg a sd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fi n f r a r e da b s o r p t i o ng a s e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d d i f f e r e n t i a lp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，ad o u b l e - b e a mi n t e l l i g e n tg a sd e t e c t i o nd e s i g n i d e aw a sr a i s e d t h e a b s o r p t i o ns p e c t r ao fm e t h a n eh a sb e e nr e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h el a m b e r t b e e r s l a wi sd e r i v e dt h ee x p r e s s i o na b o u tt h es i n g l e w a v e l e n g t hd o u b l e b e a md i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n a n dad u a l - b e a ma b s o r p t i o n t y p eg a sd e t e c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h eh a r d w a r eo fe m b e d d e dd u a l b e a md i f f e r e n t i a li n f r a r e dg a sd e t e c t i o ns y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t sa n dd e t e c t o r s ，t h el i g h ta n dd e t e c t o r so f t h ep r o g r a mh a v eb e e nd e t e r m i n e d ，a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h ed e t e c t i o ns y s t e m ，m c u c o n t r o ls y s t e m ，p o w e rs u p p l yc t r c u l t s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gc t r c u l t s ，c o n l m u n l c a t l o n sc i r c u i t s ， d i s p l a ys y s t e ma n d t h ea l a r ms y s t e mc i r c u i t s t h ed r i v e r sa b o u tt h ed e t e c t i o ns y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a l a r ms y s t e ma n do t h e r r e l a t e ds y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h e g a sd e t e c t i o ns y s t e mw a ss t u d i e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a n di tc a nb es e e nt h a tt h e d e s i g no ft h es y s t e mh a sr e a c h e da na c c u r a c yo fg a sd e t e c t i o nd e s i g nr e q u i r e m e n t s i n n o v a t i o n ：as i n g l e - w a v e l e n g t hd o u b l e b e a md e t e c t i o nm e t h o dr e d u c e dd e t e c t i o ne r r o r c a u s e db yz e r od r i f to ri n s t a b i l i t yo fl i g h td e v i c e s ；t h ew h o l ed e s i g nw a st h eu s eo f1 0 w p o w e r e m b e d d e ds y s t e m s ，s ot h a tg a sc o n c e n t r a t i o n sc a l c u l a t e dm o r ep r e c i s e a tt h es a m et i m et h e g a sc o n c e n t r a t i o nd i s p l a y ，a l a r m ，a n do t h e rc o n t r o lf u n c t i o n sw a sc o m p l e t e d k e y w o r d s e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，d o u b l e b e a m ，g a sd e t e c t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，r e s e a r c ha n dd e s i g n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 立i 指导教 姗7 年占月f y 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：芷 思0 学位论文作者签名：j 勘 加7 年z 月r 日 西北大学硕士学位论文 1 1 瓦斯简介 第一章绪论 瓦斯属于煤矿开采时的伴生物，其主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少 量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰 性气体，如氦和氩等。在所有这些气体中，由于甲烷的含量占8 0 以上，所以习惯上也 将甲烷称为瓦斯。甲烷是一种易燃易爆气体，一般认为，甲烷在空气中遇火而引起爆炸 的范围的下限为5 ，上限为1 5 。但是上述甲烷的爆炸界限也不是固定不变的，还受压 强、温度以及煤尘、其它可燃性气体的存在等环境因素的影响。 甲烷的化学分子式为c h 4 ，其分子结构如图1 所示。一个碳原子位于正四面体的中心， h h 图1甲烷分子结构 四个氢原子位于正四面体的四个顶点。碳原子的四个价电子进行s p 3 杂化，分别与四个氢 原子形成四个等效的共价键。c i - h 分子具有球对称性，其分子构型属于t d 对称群n 】。 1 2 瓦斯检测技术概况 1 2 1 催化型瓦斯检测仪 催化型瓦斯检测仪是目前使用最广泛的瓦斯检测仪。如图2 ，当把催化型瓦斯检测 仪放置于含有瓦斯气体环境中，测量元件会在催化剂的作用下，在测量元件的表面发 图2 催化燃烧型瓦斯检测仪 第一章绪论 生催化反应使电桥失去平衡然后输出电压信号，因此可以测量瓦斯浓度。 催化型瓦斯检测仪优点是【3 】：可以检测浓度为o 铴的低含量瓦斯；输出电压与浓 度的线性关系吻合较好，准确性也比较高、仪器装置简单，使用方便。 该类型瓦斯检测仪的缺点主要有包含几个方面： ( 1 ) 抗中毒性较差。空气中的部分气体会导致元件中毒，使得仪器的灵敏度下降甚 至不反应。 ( 2 ) 只适用于低浓度瓦斯检测。由于敏感元件的线性输出特性是在0 - - 一5 的瓦斯浓 度范围内。瓦斯浓度超过1 0 ，会出现“元件的双值特性”的现象，输出电压一般会对应 着两个浓度不同检测值，如图3 ，容易导致误判。 1 2 2 热导原理的瓦斯检测仪 甲烷浓度 图3 元件的双值特性 基于热导原理的瓦斯检测仪正是根据热导系数的变化来对瓦斯气体的浓度进行检 测【4 1 。将检测仪的传感器置于含有瓦斯气体的气室中央，如图4 ，用恒定的电流将传感 ( 1 ) 导謦传l 唠( 2 ) 气耋 图4 热导式瓦斯检测装置示意图 器加热，传感器通过经气室气体向气室壁散热，输出电压的变化可以反映待测气体热导 系数的变化，从而实现对瓦斯气体浓度的检测【5 1 。 此类传感器的优点主要在于【6 】：检测范围大，最高检测浓度可达1 0 0 ；因为热敏 元件为半永久性元件，所以使用寿命较长；结构简单，价格较为便宜，维护也较为方便。 2 一 西北大学硕士学位论文 此类传感器的缺点主要有如下几方面： ( 1 ) 精度差 除气体的热传导以外的其他任何散热方式散失的热量都会影响检测的精度，气体的 热导系数也是随温度的改变而改变的，因此检测出的气体浓度也不准确。 ( 2 ) 灵敏度低 由于传感器稳态时的温度受热传感和热辐射两种作用的共同影响，如果没有消除热 辐射影响，气体热导系数变化所引起的温度变化要比实际预期值小，即使采取提高后续 电路增益的等方法，也不能明显提高此类检测系统的灵敏度。 ( 3 ) 温度漂移大 环境温度发生改变，混合气体热导系数也会发生改变，从而使检测输出发生变化导 致误差。目前仍没有哪种补偿方法可以实现对环境温度变化的完全补偿。 1 2 3 光干涉原理的瓦斯检测仪 光的折射率与气体的密度有关，光干涉瓦斯检测仪【7 】【8 】有标准气室和待测气室两个 气室。把两个气室充入相同密度的空气时所产生的干涉条纹设置为零值，然后给待测气 室充入待测瓦斯气体，通过测量干涉条纹的位移大小就可以得到瓦斯的浓度值。工作原 理如图5 所示。 图5 光电转换装置原理图 附注1 ：1 激光器；2 聚光镜；3 平面镜；4 ，5 空气室；6 待测气实；7 ，8 三棱镜；9 放大镜； 1 0 光电池；1 1 放大器；1 2 显示报警器；1 3 输出线 光干涉瓦斯检测仪的优点有：不存在类似于催化型瓦斯检测仪的中毒问题；寿命较 长。光干涉瓦斯检测仪的缺点如下：仪器安装困难，耐振性差；检测选择性较差，不同 的气体有其不同的折射率，因此检测结果会因为有多种气体与待测瓦斯气体同时存在而 产生误差，而且环境因素也对检测结果有较大影响。 3 第一章绪论 1 2 4 红外吸收原理的瓦斯检测仪 基于红外吸收原理的瓦斯检测仪是利用红外吸收光谱作为其检测的原理。一般此类 检测仪设计思路是：首先确定瓦斯气体的红外吸收谱线，找出符合设计要求的吸收峰， 然后再设计出检测部分的系统结构，而选择设计合理的检测技术与信号处理方法是设计 高性能红外吸收型瓦斯检测仪的关键【9 】。 红外吸收原理的瓦斯检测仪的优点主要有【1o 】：选择性好、寿命长、不易中毒、响应 快、稳定性好、信噪比高、测量精度高、防爆性好等。 综上所述，相对其他瓦斯气体检测仪，在准确性、测量精度，稳定性、使用寿命等 方面，红外吸收型瓦斯检测仪都具有非常明显的优势。因此研制和开发红外吸收型瓦斯 检测仪对于提高瓦斯的安全检测水平有着十分重要的现实意义。 1 3 国内外红外吸收型瓦斯检测系统的研究概况 2 0 世纪7 0 年代德国首先在气体红外吸收检测的基础上，研发了红外c o 气体检测 仪【l l 】。近年来，基于红外吸收检测的研究有加速发展的趋势 1 2 】。 在1 9 9 1 年，ys h i m o s e ，to k a m o t o ，am a r u y a m a 等人【1 3 】采用1 6 6 肛n 的激光二极 管光源，利用红外吸收检测原理对甲烷气体进行了浓度检测。利用光纤传感检测技术， th d u b a n i e w i c z ，jec h i l t o n ，hd o b r o s k i 等人【1 4 】设计了可以在矿井下检测c 凰以及c o 气体的红外吸收型瓦斯检测系统。1 9 9 5 年，法国的s u h l u m b e r g e r 工业公司j s i l v e i r a 等人【1 5 1 采用1 3 1 肛md f bi n g a a s p 设计完成了甲烷检测光学传感器，此传感器采用的是 甲烷在1 3 1 2 1 x m 处的r 9 吸收谱线，在光程长度为3 0 c m 时，检测仪的分辨率为0 1 。 并且该传感器在进行精确的气体浓度测量的同时，还可以通过自动校准来消除甲烷气体 以外的因素所导致的发光幅度的变化。 2 0 世纪末俄罗斯i o f f e 物理研究所m a t v e e 等人【1 6 l 研制出了用于甲烷气体检测、性能 优良的中红外l e d 和光电二极管光耦传感器，最低可以检测出浓度为1 7 0 p p m 的甲烷气 体。俄罗斯科学院的n a d e z h d i n s k i i 等人【1 7 1 研制了一个便携式的自动化高分辨率气体检 测仪。该仪器应用了一个3 m w 发射功率、5 0 m a 阈值电流、1 6 5 0 n m 工作波长的l d ， 能检测出甲烷在泛频带2 3 的吸收谱线。该检测仪的甲烷探测的灵敏度最低为3 0 p p b 。 2 0 0 0 年dgl a n c a s t e r ，rw e i d n e r ，dr i c h t e r 等人【1 8 】采用了一种能够将近红外激 光光谱转移到中红外谱区里的d f g 技术，设计实现了一个便携式甲烷检测仪。d f g 技 4 西北大学硕士学位论文 术的优点是可以在室温下获得中红外光源，本征频率稳定，光学噪声低，灵敏度高。缺 点是设计复杂，只能获得p w 量级的中红外光功率。2 0 0 3 年德国s i e m e n s 公司o l i v e r h e n n i g ，r a i n e rs t r z o d a 等人1 1 9 】研制了一个用来检测天然气中甲烷、乙烷浓度的手持式检 测仪。检测性能参数：甲烷的检测范围为l o p p m - - - l o o v 0 1 ，在低浓度瓦斯下8 小时内仪 器的稳定性为+ 2 0 p p m 。 国外采用红外吸收检测技术测量瓦斯气体浓度，仪器采用的光源的波长也从近红外 区发展到中红外区，并且出现了直接吸收光谱技术、光声光谱技术以及光纤气体传感技 术等多种测量方法，其中直接吸收光谱技术是应用的比较广泛的一种检测方法【2 0 1 。 国内一直以来都在从事载体催化型瓦斯检测技术研刭2 。但是催化元件固有的抗中 毒性差以及容易发生致命错误等缺陷，在生产实际使用中逐渐显露出来，随着红外光谱 技术在各行各业日益广泛应用，研制一种红外吸收型瓦斯检测仪对于提高瓦斯监测水平 有着非常重要的现实意义【2 4 1 。 1 9 9 8 年，曹茂永等【2 5 】探讨了利用差分吸收法消除光源不稳定及光电器件的温漂、 时漂对测量准确度的影响。同时采用函数拟合和线性插值两种方法进行线性校正，进一 步提高测量准确度的方法。2 0 0 1 年，王一丁等设计具有新型光路和电路结构的便携 式红外瓦斯气体检测仪，取得了较好的实验效果。2 0 0 6 年，张雷等【2 7 】采用开腔气室结 构，在实验室里通过对不同浓度的瓦斯气体进行测量，得到了其浓度反演式，在实验测 量中，在当瓦斯浓度小于2 2 时，测得误差为0 1 ；当瓦斯浓度超过2 2 时，测得误 差小于1 。2 0 0 8 年，郑州大学的毛晓波等设计了红外吸收型瓦斯传感器检测系统， 该系统具有标定周期长等特点。同年，陈晓宁等【2 9 】结合了气体滤波技术和相关检测技术， 实现了对微弱光谱信号的调制和检测，从而达到了瓦斯气体实时、快速在线检测目的。 近几年，安徽光机所也在光谱吸收气体检测方面做过许多研列3 3 1 ，采用激光长程吸收 和波长调制技术相结合的方法，来实现瓦斯气体浓度的测量。 1 4 论文的研究意义及内容 我国的煤炭年产量已超过1 9 亿吨，在一次能源消费构成中，煤炭占到7 0 以上，是 世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上受瓦斯危害最严重的国家。据统计，瓦 斯矿难约占全国煤矿矿难的7 9 t 3 4 1 。在2 0 0 9 年2 月，山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿发 生瓦斯爆炸事故，死亡7 4 人。屯兰矿年产煤5 0 0 万吨，是高瓦斯矿井，此次爆炸部分原 5 第一章绪论 因是由于矿井内瓦斯探测器探头失灵，未监测到瓦斯气体，导致瓦斯爆炸。 摆脱矿难阴影的途径，一是制订并执行严格、全面的煤矿安全法规，比如美国规定 煤炭行业每间隔2 0 分钟就要进行一次检测，或者在煤矿作业期间增加监测的频率【3 5 】。二 是要推广和采用新技术，方能够有效预防煤矿安全事故。 长期以来，我国主要采用的是催化型瓦斯检测仪，此类检测仪的双值特性容易使工 作人员对瓦斯浓度产生误判，而且仪器容易中毒老化，使得灵敏度下降甚至不反映。而 其他热导型瓦斯检测仪与光干涉型仪器，测量值受环境影响较大。红外吸收型瓦斯检测 仪虽然拥有瓦斯检测的诸多优点，但是很多红外检测设备则都是采用机械调制方式，体 积庞大，功耗也都很大，且需要高电压供电，小型化、集成化、价格低廉的相关产品的 研制明显不足。 本文应用气体的红外吸收原理、嵌入式技术和光电检测技术，设计了一种双光束的 智能瓦斯检测系统。论文首先对气体红外吸收原理、单波长差分检测技术等给予了分析 介绍。在此基础上，采用嵌入式技术，应用s i l i c o nl a b 公司的c 8 0 5 1 f 0 1 5 作为微控制器， 设计完成了包括光源管理、数据的采集处理、远距离通信、气体浓度显示及报警等模块 的硬件电路和软件设计。此设计可以达到高精度瓦斯气体的检测要求，同时具有小型化 集成化等特点，具有较高的实用价值。 1 5 本章小结 本章通过对瓦斯检测技术的分析比较，展示了红外瓦斯检测技术的优势。针对国内 外红外瓦斯检测的技术现状和不足，提出了课题的研究内容及意义：应用红外吸收原理， 结合光电检测技术和嵌入式技术，设计一种智能瓦斯检测系统，该系统具有小型化、集 成化和智能化等特点。课题的研究符合国民经济发展的需要，具有产业化应用前景和重 大的现实意义。 6 西北大学硕士学位论文 第二章红外吸收型瓦斯检测原理 每一种气体都有自己的特征吸收谱，会在气体吸收谱与光源发射谱重叠的部分产生 吸收，吸收后光强将会发生改变，且吸收的强度与气体的浓度相关。因此可以把红外辐 射通过气体的分子吸收光谱作为一种工具，来测定气体的成分和浓度。 2 1 分子内部运动与分子能量 分子的内部复杂的运动状态形成复杂的分子光谱，分子内部的运动状态可以分三部 分来描述： ( 1 ) 分子的电子运动状态和电子能级 在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场中运动，在分子中电子 的运动和原子中电子运动类似，也会形成不同的状态，每一个状态具有一定的能量，分 子的电子态能级之差与原子能级之差相仿。如果分子的电子能级之间有跃迁，产生的光 谱一般在可见和紫外区域。 ( 2 ) 构成分子的诸原子之间的振动和振动能级 双原子分子沿着轴线振动，多原子分子的振动则是多种振动方式的叠加。振动的能 量是量子化的，振动能级的间隔比电子能级的间隔小，如果只有振动能级的跃迁，而没 有电子能级的跃迁，所产生的光谱是在近红外区，波长是几个g m 的数量级。 ( 3 ) 分子的转动和转动光谱 这是分子的整体转动。对双原子分子要考虑的转动时转动轴通过分子质量中心并垂 直于分子轴的转动。对于多原子分子的转动，如果分子的对称性高，也可以进行研究。 转动能量也是量子化的，但比前二中能量要小得多。 如果用反、e 、磊分别代表上述三种运动状态的能量，分子的能量可以表作t e = e e + 臣，+ 日( 2 1 ) 分子中上述各种内部运动之间并非完全独立无关的。把分子总能量写成式( 2 1 ) 的形 式，只是为分析分子光谱的结构所作的近似表示。其实，分子内任何一种运动形式的变 化，都会影响到其余两种运动的状态发生改变。 2 2 分子光谱的形成 7 第二章红外吸收型瓦斯检测原理 因为分子的每一种运动能量都是量子化的，所以，当分子从状态e 。改变到状态e ( e ，) 时，将发射电磁辐射，其频率v 由下式确定阳： v = e n 一- e t = l t l ：+ e ：+ e ：) 一( e + e ：，+ ：，) 】 ，l ， = 竺+ 堡+ 堡 ( 2 2 ) hh h 、。 - - v p + ，v + v 7 与分子中某两个电子能级之间的跃迁相应的是在基线两侧出现一个个光谱带，带的 中心频率分别为( r e + 1 ，) 和化一v ，) ，其中匕将因不同振动能级之间的跃迁而异。这些 光谱带构成一个光谱带系，不同的两个电子能级间的跃迁形成分子光谱的不同光谱带 系。 2 3 产生红外光谱的条件 由于分子中不同轨道电子能量差常在1 - 2 0 e v ，因此分子中电子能级间跃迁产生的电 子光谱网，除少部分处于近红外区以外，主要处于紫外到可见区。 从式( 2 2 ) 可以看出，如果分子的电子能量和振动能量都没有变化，只有转动能量发 生了改变，那么分子吸收的辐射频率为 ，：竽：v ， ( 2 3 ) ，= ：二= v ， l 厶j j ，z 即只有分子的纯转动光谱。由于分子转动能级间隔丝，一般小于o 0 5 e v ，甚至d , 3 01 0 4 e v 以下，因此分子的纯转动光谱处于2 5 o o o a m 的远红外或微波区。 如果分子中的转动和振动能量都有改变，此时形成分子的振动转动光谱。因为分 子的振动能量差一般在0 0 5 - - - l e v 之间，所以分子的基频振动一转动光谱处于2 5 2 5 9 r n 的中红外区。而振动的泛频带、组合频率带可出现在o 7 5 2 5 p m 的近红外区。 因为分子振动态的变化必然引起分子转动惯量和转动能量改变，所以，通常观察不到分 子的纯振动光谱。 对于多原子分子，产生纯转动光谱的条件仍要求分子具有固有偶极矩，但能否产生 红外振动光谱的条件并不取决于有无固有偶极矩，而决定于状态改变时有无偶极矩的变 化。因多原子分子结构和振动运动的复杂性，有些振动方式可改变分子的正负电荷中心， 引起瞬时偶极矩的变化，这种振动方式叫做红外活性的振动，并可产生红外光谱。然而， 8 西北大学硕士学位论文 某些振动方式不会改变电荷分布的对称性，故不引起1 i t 时偶极矩的变化。这种振动方式 称为非红外活性振动，因此不产生红外光谱。 若分子的瞬时偶极距，在三个+ 1 1 i 垂直坐标方向的分量为m ，m ，m ：，并把它 们在分子振动平衡位置的值用下标“0 ”表示，若引入简正坐标系，则对于足够小的位 移墨、乃、z ，可将m 工，m ，m ：表示成 炉”防 。寿 m y = m 肋+ h _ ( 虿d m v j l 。 ( 2 4 ) 炉 潞j 。磊 振动时偶极矩与振动状态以相同频率变化。从方程式( 2 4 ) 看出，多j - j 1 子分子产生红外振 动光谱( 即红外活性振动) i i l 条件，只要求偶极矩分量相对于简正坐标t t = 个导数中至少 有一个不等于零，而不取决于分子有无固有偶极矩。 综上所述，多原子分子结构的对称性对它的红j l - 振动光谱有重要影响。 2 4 多原子分子的红外光谱 多原子分子光谱不仅与分子运动状态特征有关，而且还与分子结构特征的对称性 也有很大关系。 2 4 1 多原子分子的转动光谱 多原子分子的转动光谱不仅取决于它们的转动惯量的大小，而且取决于分子的对 称性。设想由质量分别为m ，的个原子组成一个刚性的分子系统，则它绕某转轴的 转动惯量为 x i l = 2 ( 2 5 ) 式中厂f ，为第f 个原子与转轴的垂直距离。分子的对称性也就表征了它的转动行为。 具有不同对称性的分子，应该具有不同的转动光谱。 若分子三个主转动惯量全相等，即i a = 4 j r = i c = i ，称为球型陀螺分子，如c 儿。对 于球形陀螺分子，转动常数b 鼍西岛，其中c 为光速，可以得到球形陀螺分子的光 第二章红外吸收型瓦斯检测原理 谱项 f ( j ) = b j ( j + 1 )( 2 6 ) j - - o ，土1 ，- 4 - 2 ，- 4 - 3 为振动量子数。真正的球型陀螺分子必然无固有偶极矩，故不 会有纯传动光谱，只有偶然是球型陀螺的分子才有纯转动光谱。 2 4 2 多原子分子的振动光谱 多原子分子的每种简正振动也是量子化的。对于非简并的第，种简正振动方式， 其振动能量为 e u = h v i ( v f 十三1 ) ( 2 7 ) 式中1 ，= 0 , 1 ，2 ，是第f 种非简并简正振动的振动量子数。如果某第种简正振动是d j 重简并的，则由量子力学得到它的振动能量为 e v j = 鹕( v ，+ ) 。 ( 2 8 ) 因为简并的振动具有相同的基频和能量，所以，只用振动量子数吁并不能把属于该振 动能级的不同振动方式区分开来，故必须用表征振功角动量的量子数乃来区分。在谐 振子近似下，分子的任何振动状态均可用所有各种可能简正振动方式的适当线性组合 表示出来。因此，分子的一个振动能级总可以表示为各简正振动的能量之和 民= 气= y h v ：+ ) ( 2 9 ) 或写出振动光谱项为 ) - 卜刳 亿 有时为简单起见，只用一组振动量子数( k ，屹，) 表示某一振动态。 若设分子内作简正振动的各振子之间独立无关，即在任一时刻只有其中一个量子 数，n - - f 以改变，则从简正振动跃迁选择定则= 1 及式( 2 9 ) n - 丁以得到相应红外振动 光谱带中心波数为 秽= v j ( 2 1 1 ) 1 0 西北大学硕士学位论文 应该指出，上述讨论只是对多原子分子系统振动态的谐振子近似，实际的分子振 子将具有一定的非谐振特性。因此，得到的多原子分子振动光谱将比式( 2 1 0 ) 给出的 结果复杂得多。 2 4 3 多原子分子的振动转动光谱 与多原子分子纯转动或振动光谱类似，不同对称性分子的振动一转动光谱，也有 不同特征。给出对于球形陀螺分子，如果不考虑离心影响，振动一转动光谱也可以用 纯转动与振动光谱项之和来近似 g ( v ，j ) = r ( v l ，v 2 ，) + f ( j ) ( 2 1 2 ) 此时转动常数应由下式表出： 唧一。一( v ，+ 刳 ( 2 1 3 ) 式中对所有振动求和，简并振动只考虑一次。啦表明b 与振动量子数h 的依赖关系。 2 5 谱线的线型与线宽 光谱的吸收或发射线【3 8 】并不是出现在某一准确的频率，而是有一个可测宽度。在光 谱学中，用谱线的线型函数g ( v ，v o ) 来描述这条曲线，其中v 为频率，v o 为线型函数的 中心频率，g 一，v o ) 为辐射强度的相对值。不同的光谱线具有不同形式的g ( v ，v o ) ，即有 不同的线型。线型函数g 一，v o 定义为：若一条光谱线的总辐射强度为而，而在频率州+ 咖 范围内的辐射强度为i c y ) d r ，则有 z c v ) a r v = i o g ( v ，v o ) d v( 2 1 4 ) 所以 g ( v ) a v ：_ i ( v ) d v ( 2 15 ) 1 0 这样表示的线型函数g ( v ) 应该满足归一化条件。由( 2 1 3 ) 式可以得到 i o = 亡，( v ) 咖= 亡厶g ( y ) d v = i oe g ( v ) 咖 ( 2 j 6 ) 归一化条件为 艮( v ) a v = l ( 2 1 7 ) 第二章红外吸收型瓦斯检测原理 线型函数g 一，w 当v = v o 时，有最大值g ( v o ，训= g m 瓤。若有频率1 ，= 1 ，1 ，耽时， g ( v l ，吲= g 似，谢2 孙以( 2 1 8 ) 定义谱线宽度v = i v 2 一v 。l 。 根据谱线展宽形成的主要原因，可以把光谱展宽分为以下三种。 1 ) 自然展宽。经典物理学认为，辐射的发射与吸收过程，就是带电阻尼振子与辐 射场交换能量的过程。光谱线的自然展宽完全是由于分子在激发态上的平均寿命或能级 的自然展宽引起的。辐射的光谱强度为 m ) = 鲁瓦衢 ( 2 1 9 ) ，) ，r k “( v 0 ) 2 盖 垒2 垃为光谱线半宽度，一般用口表示。由式( 2 1 9 ) 洲= 等2 罢丽1 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 上式为光谱线自然展宽的线型函数，为洛伦兹分布函数。 2 ) 碰撞展宽。因辐射分子与干扰分子相互碰撞而引起的谱线展宽称为碰撞展宽。 碰撞展宽和谱线展宽的起因，都取决于粒子在激发态的平均寿命。所以它们的线型函数 形式相同辐射光谱强度为 m ) 。i i o f 号可 仁2 2 ) 吼表示碰撞展宽半宽度，式中的谱线总强度，。与发射辐射的分子种类、跃迁能级和气 体温度等因素有关。此外半宽度口：还受周围分子的种类及气体压强的影响。 3 ) 多普勒展宽。多普勒效应是辐射分子在全部速度连续变化范围内的统计分布的 结果。多普勒展宽的谱线半宽度为 = v o ( 2 k t h 2 1 j ( 2 2 3 ) ，、 ，儿 ， 其中k 、t 分别为玻尔兹曼常数和气体的绝对温度，所为分子的质量，c 为光速。多普 1 2 西北大学硕士学位论文 勒线宽的谱线强度为 m ，= 毒( 警) ；唧 - l 咙r 1 2i 、 v 飞，2 ( 2 2 4 ) 按线型函数的定义，多普勒线型函数为 如，：去呼) j 斗等2 亿2 5 ， 由( 2 2 4 ) 矛- 1 ( 2 2 5 ) 式可以看出多普勒展宽具有高斯分布的数学形式。 2 6c h 4 气体分子的吸收光谱特点 c h 4 分子的4 个基频处于中红外波段【3 9 1 ，分别为v 1 = 2 9 1 3 o c m ，v 2 = 1 5 3 3 3 c m ， v 3 = 3 0 1 8 9 c m ，v 4 = 1 3 0 5 9 c m - 。，对应波长分别为五= 3 4 3 t m 、五= 6 5 3 z m 、 五= 3 3 1 , t # n 、 = 7 6 6 , u m 。图6 为c h 4 在九1 ：3 3 1 1 m i 处吸收带的吸收强度分布。 图6甲烷在3 3 1p m 处吸收光谱强度分布 图7 为甲烷气体在1 3 3 9 m 和1 6 6 1 a m 附近吸收带的吸收强度分布。 第二章红外吸收型瓦斯检测原理 。 址_ 。址“j l l i l _ 。一 图7 甲烷在1 3 3 t t m 和1 6 6 t m 吸收光谱强度分布 由于甲烷气体对波长3 3 l i m a 的吸收强度分别是是1 6 6 1 m a 的1 6 0 多倍，1 3 3 a a 的1 3 0 0 多倍。因此，可以选择3 3 1 9 m 作为检测的吸收波长。并且瓦斯中的其他气体 包括：一氧化碳( c o ) ，二氧化碳( c o ：) 和水蒸气( h ：o ) 等，它们的强吸收峰均在 1 5 2 u m 至1 6 2 9 i n ，所以选择3 3 1 9 r n 作为检测的吸收波长，受其它气体成分吸收干扰 也最小。 2 7 朗伯比尔定律 每种气体都有自己的特征红外吸收频率，比如c h 4 吸收峰在3 31 p r o 。物质对红 外光能量吸收的程度和物质的浓度有关，之间的关系满足朗伯比尔定律。 朗伯吸收定律认为入射光的强度和辐射被吸收的程度无关，如果强度为，的平行 单色光通过无限小的均匀吸收层刃，则入射光强度的减弱量刃与入射辐射强度和吸 收层的厚度成正比 一谢( 五) = k ( 2 ) x ( 2 ) a r t( 2 2 6 ) 式中k ( a ) 为吸收界面系数，z 为光程长度。 当入射辐射通过吸收层厚度为z 时，强度由i 。减小为x ，则对( 2 2 6 ) 式的积分 i ，t o 黑i ( 2 叫( 旬f 讲 1 7 由 两边积分得 1 4 ( 2 2 7 ) 西北大学硕士学位论文 1 1 1 缫：k ( 2 ) t ，( 五) ( 2 2 8 ) 朗伯定律描述了吸收度与红外光在吸光物质中穿过路程之间的关系。比尔定律则 描述了物质对单色光吸收的强度以及与吸光物质浓度之间的关系。如果吸收层厚度一 定，光被吸收的程度与吸收物质浓度c 之间成正比关系，即 l n 墚：m ) c ，( 力) 一 ( 2 2 9 ) 础灿器叫名) c t ( 2 3 。) ( 2 3 0 ) 式为朗伯- 比尔定律，由此定律可知红外吸收程度与在吸光物质中的光程以及吸 光物质浓度成正比。因为每一种物质在不同波长处的l i l 毒等不同，所以红外吸收度 应该也依赖于波长五。由( 2 2 9 ) 式可以求出气体浓度的表示式 c ：上l n 尝 ( 2 3 1 ) k ( 2 ) t，( 力) 、 2 8 单波长双光束差分检测原理 本文应用的单波长法差分检测技术，是在一般的红外吸收探测甲烷的基础上加了一 个参考气室，如图8 。 分束镜 图8 单波长差分检测法原理图 光源采用发光波长在待测气体吸收峰处的单波长光源，发出的光经过分光器分为两 路，一路通过含有待测气体的待测气室，另一路通过不含待测气体的参考气室，将参考 1 5 第二章红外吸收型瓦斯检测原理 气室与待测气室的信号对比，减少了由于发光光源不稳定或者光器件零漂等导致的测量 误差，提高了检测仪的灵敏度。 设经待测气室输出信号为厶，经参考气室输出信号为与，假设两路通道的比例因子 分别为m x 、够，可以得到以下两关系式： i x = m ，i oe x p - k c l 】( 2 3 2 ) i y2m y i o ( 2 3 3 ) 对以上两式相比，由此得到浓度为： c = 一万1 ( 1 n i ，一l n ，y ) + 0 b 1 m y l n m ，) 】 ( 2 3 4 ) 对于一个确定的系统，一去为常数，设其为a ，l n m ，- h a m x 只与当前的环境状态 g 。 有关，可以设这个值为随环境变化的参数b ，b 可以通过标定、以及软件和电路的方法 来补偿；l l l l - h a l , 可以通过电路和单片机运算直接求得，可以等效为一个因子阢从 而可以简化为： c = au + a b ( 2 3 4 ) 这就是通过计算和处理最后得到的一个与浓度相关的一个简单的数学关系式，式中 的u 为与浓度等效的输出信号，是两通道的比值的对数值，c 为甲烷浓度，么、占为系 统比例参数。 2 9 本章小结 从分子光谱学出发，研究分析了红外光谱产生的原理以及甲烷分子吸收光谱特点。 然后通过对甲烷吸收光谱的分析，选择在3 3 1 9 m 处的波长的作为气体检测的吸收波长。 应用朗伯比尔定律，推导出了在单波长双光束差分检测下气体浓度的表达式。 1 6 西北大学硕士学位论文 第三章双光束嵌入式红外瓦斯检测系统硬件设计 3 1 系统设计方案 系统总体设计思路如下。光源发出的光经分束镜分为两束，一束经过装有标准空气 的参考气室，而另一束经过含有待测瓦斯气体的开放气室。这两束光经光电探测器完成 从光信号到电信号的光电转换。然后输出的电信号带通滤波器滤波处理和放大器放大处 理。最后处理过的信号经单片机循环采集、处理，进入a d 转换单元，将模拟信号转换 为相应的数字信号，再由信号处理器进一步对信号加工处理和计算，同时控制完成声光 报警以及显示当前气体浓度值等功能。通信接口电路同时设计有r s 4 8 5 、r s 2 3 2 两种串 口接口与上位机进行通信，上位机在实时显示井下瓦斯浓度情况同时还可以进行复杂的 瓦斯浓度预警工作。系统相应软件部分的设计主要包括与硬件接口的各种应用程序、数 据处理程序和串口通信程序等。系统结构如图9 。 图9 红外瓦斯监测系统结构及功能框图 本文瓦斯检测仪的功能设计为： ( 1 ) 分辨率