（测试计量技术及仪器专业论文）基于红外吸收型co2浓度分析仪设计.pdf

原创性声明 1 1 11 11 11 1 111 111i iiiii y 18 3 2 518 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：乏吮文日期跏侔月，日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 王黝 日期跏幻年月，日 摘要 摘要 本文主要研究了基于红外吸收原理的c 0 ：气体浓度检测系统。红外光谱吸收 法的基本原理：不同的气体具有不同的分子结构，而每种气体又具有固有的吸收 光谱，当红外光源发出的光的波长与待检气体吸收波长相等或相近时，该波长的 光通过待检气体时就会发生强烈吸收现象，且其吸收强度与该气体的浓度有关， 通过检测进入气室前后的光强就可以检测气体的浓度。 论文首先分析了红外c 0 。浓度分析仪设计的意义以及国内外c o 。浓度检测的 主要方法和发展现状。然后介绍了基于红外吸收型c o ：浓度分析仪设计的基本原 理以及传感器的基本结构组成，分析了在实际测量过程中的影响因素及消除方 法。并详细介绍了系统软硬件设计。在硬件电路设计上采用高速、低功耗微处理 器a t m e g a l 2 8 作为系统的控制核心，外扩基本的外围电路，完成系统测量工作。 在软件设计上采用模块划设计，增强了系统的可读性和易移植性。 经过反复的实验验证和数据分析，证明了系统设计的可行性。该分析仪还具 有精度高、稳定性好、响应速度快、体积小等特点，具有很高的应用价值。 关键词：c 0 2 浓度；红外吸收；l a m b e r b e e r 定律；a t m e g a l 2 8 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yb 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 nc 0 2g a s c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m i ra b s o r p t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l e ：d i f f e r e n tg a s e s h a v ed i f f e r e n tm o l e c u l a rs t r u c t u r e ，b u te a c ha l s oh a sn a t u r a lg a s a b s o r p t i o ns p e c t r u m ， i n f r a r e dl i g h tw h e nt h ew a v e l e n g t ho f l i g h te m i t t e dg a s e st ob ed e t e c t e dw i t ht h es a m e o rs i m i l a ra b s o r p t i o nw a v e l e n g t h ，t h ew a v e l e n g t hl i g h tt h r o u g ht h eg a st ob ed e t e c t e d s t r o n ga b s o r p t i o np h e n o m e n o no c c u r s ，a n di t sa b s o r p t i o ni n t e n s i t ya n dt h e c o n c e n t r a t i o no ft h eg a s ，i n t ot h ec h a m b e rb yd e t e c t i n gt h el i g h ti n t e n s i t yb e f o r ea n d a f t e rt h ed e t e c t i o no fg a s e sc a n p a p e rf i r s ta n a l y z e st h ed e s i g no fi n f r a r e dc 0 2a n a l y z e rs i g n i f i c a n c eo f c o n c e n t r a t i o na n dd e t e c t i o no fd o m e s t i cc 0 2c o n c e n t r a t i o ni nt h em a i nm e t h o da n d d e v e l o p m e n t t h e ni n t r o d u c e db a s e do nt h ei n f r a r e da b s o r p t i o no fc 0 2c o n c e n t r a t i o n i nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fi n s t r u m e n td e s i g na n dt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es e n s o r c o m p o s i t i o n ，a n a l y s i so ft h ea c t u a li m p a c to ft h em e a s u r e m e n tp r o c e s sa n dt h e e l i m i n a t i o n a n dd e t a i l so ft h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r e c i r c u i td e s i g nu s i n gh i g h - s p e e d ，l o w p o w e r m i c r o p r o c e s s o ra t m e g a l 2 8a st h e c o n t r o l l i n gc o r eo ft h ee x t e r n a lc i r c u i tb ye x t e n d i n gt h eb a s i cc o m p l e t i o no ft h e s y s t e mm e a s u r e m e n t s m o d u l a rd e s i g ni ns o f t w a r ep r o g r a md e s i g n e dt oe n h a n c et h e r e a d a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t ys y s t e m a f t e rr e p e a t e de x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y s i st op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h e s y s t e md e s i g n t 1 1 ea n a l y z e ra l s oh a sh i g ha c c u r a c y , g o o ds t a b i l i t y , f a s tr e s p o n s e ，s m a l l s i z ea n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so fh i g ha p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：c 0 2c o n c e n t r a t i o n ；i n f r a r e da b s o r p t i o n ；l a m b e r - b e e r sl a w ；a t m e g a l 2 8 l 1 3 国内外现状及发展方向6 1 3 1 气体传感器的发展方向6 1 3 2 气体检测仪表的发展方向8 1 4 课题研究的目的及意义8 1 5 本课题研究的基本内容9 1 6 气体检测系统功能要求9 2 红外光谱吸收法气体浓度检测的基本原理1 0 2 1 概述1 0 2 2 红外光谱学基本原理1 0 2 3 红外光谱吸收定理一l a m b e r t - b e e r 定律1 3 2 4 红外光谱吸收的基本测量方法1 4 2 4 1 直接吸收检测法1 4 2 4 2 谐波检测法1 4 2 4 3 差分吸收检测法1 5 2 5 红外c 0 。气体传感器基本结构设计1 7 2 6c o ：气体浓度的计算方法1 8 2 7 本章小结1 9 3 红外吸收式c o ：浓度分析仪硬件电路设计2 0 3 1 整体电路的结构2 0 3 2 微处理器的选型及功能介绍2 0 3 3 微处理器外围电路设计2 1 3 3 1 系统电源电路2 l 3 3 2 系统复位电路2 3 3 3 4j t a g 烧写电路2 3 3 4 红外光源驱动电路设计2 4 3 5 传感器信号放大电路2 4 i 目录 3 6 温度测量电路2 6 3 7a d 转换电路2 8 3 8 存储器扩展电路设计3 0 3 94 8 5 远程通讯电路设计3 1 3 1 04 - - 2 0 m a 输出电路设计3 2 3 1 1 声光报警电路设计3 3 3 1 2 液晶显示电路设计3 4 ，3 1 2 本章小结3 6 4 红外吸收型c 0 ：浓度分析仪系统软件设计3 7 4 1 系统软件基本设计思想3 7 4 2 系统主程序设计3 8 4 3 红外光源调制程序设计3 8 4 4a d 转换和数据采集程序设计3 9 4 5 触摸屏按键处理程序设计4 0 4 6r s 4 8 5 远程通讯程序设计4 1 4 7 本章小结4 3 5 实验结果与数据分析4 5 5 1 系统零点标定4 5 5 2 系统重复性实验4 5 5 3 系统准确性实验4 6 5 2 本章小结4 6 6 总结与展望4 7 6 1 结论4 7 6 2 展望4 7 致谢4 8 参考文献4 9 个人简历5 1 i v l 引言 1 引言 1 1 课题 众所周知，c 0 ：是大气的重要组成部分之一，与我们的生产和生活密不可分。 随着科学技术的进步和社会的广泛发展，c o ：气体对工农业生产和日常生活及自 然环境的影响越来越大。 在农业生产方面，c 0 2 是绿色植物的主要营养物质，特别是那些采用无土栽 培技术的温室大棚，适时调节c 0 。气体的浓度可以使光合作用时问延长，作物生 长发育状况改善，增加了作物的淀粉含量，产量明显提高。没有二氧化碳，就没 有自然界的生机勃勃。在做植物实验时，二氧化碳的浓度是一项必要的参数指标。 另外在人群比较密集的地方，二氧化碳含量也是一个非常重要的参数，直接关系 到人体舒适度和安全。 在化工行、i k ，各种化学反应，会产许多二氧化碳气体，在啤酒、可乐等饮 料中，又必需添j j u - 氧化碳；把二氧化碳和氮气按一定比例混合，冲入食品包装 袋内，则能使生鲜食品内部细胞的活性维持一定时间，延缓其生命过程，保持一 定程度的生鲜状态。凶此，由于二氧化碳气体这些特性，使得像机场候机厅、高 层大厦、办公室、厂矿、温室、实验室、食品保鲜等行业都会需要对二氧化碳浓 度值进行监测。 在煤矿行业，二氧化碳浓度监测的应用也是非常广泛的，现代高速发展的 全球竞争围绕科技和能源两方面进行，而目前煤在全球能源提供上仍占很大的比 例，因此煤矿所处的战略地位是十分的重要，但常常发生的煤矿中毒和c 0 ：沉积 窒息事件成为各大煤矿亟待解决的问题。c o ：气体在煤矿井下的主要来源是有机 物和煤的氧化煤岩层中涌出、爆破作业及人的呼吸等。c q 无色无味容易被人们 所忽视，但当c o 。浓度达到0 3 时人们出现明显头痛， 3 时，会刺激中枢系统， 引起呼吸加快，心跳加快，达到5 时，会出现耳鸣，憋气，呼吸困难等不良症 状。浓度过大时，会使c o ：浓度降低引起缺氧而窒息死亡。所以在煤矿井下通 风条件十分有限的环境下，c 0 2 气体浓度的多少，直接关系到井下工人的生命安 全。 为了保证井下煤矿工人的安全工作，提供适宜的工作环境和条件是十分必 要的。并且煤矿安全规程第一百条明确规定，采掘t 作面的进风流中c 0 2 浓度不得超过0 5 。煤矿安全规程第一百三十五条规定，矿井总州风巷 或一翼回风巷中瓦斯或c 0 2 浓度超过0 7 5 时，必须立即查明原因，进行处 理煤矿安伞规程第一百三十六条规定，采区回风巷采掘工作面回风巷风流中 瓦斯浓度超过1 0 或c 0 2 浓度超过1 5 时，必须停止工作，撤出人员采取 1 引言 措施，进行处理。煤矿安全规程一百三十九条规定，采掘工作面风流中c 0 2 浓度达到1 5 时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处 理。【2 】由此可见，二氧化碳浓度检测仪在煤矿生产中的重要性。通过以上各行业 与c 0 2 气体的关系可知，对某些特定工作环境内c 0 2 气体浓度进行快速准确的 检测和监控是十分必要的。所以研制性能优良的c 0 2 气体浓度检测仪已成为目 前国内外研究的热门课题。 1 2 气体检测技术的基本检测方法 目前国内检测气体浓度的分析仪器种类很多，从仪器组成结构上可以分为便 携式、手持式和在线式三大类。对于便携式气体检测仪，通过取样管采集待测气 体，可用于一些不适合工人直接测最的高危场所( 如：。矿井下、下水道、地下 室、工业管道等) 内未知浓度的有害气体进行检测，适合检测人员对固定场所进 行定期的安检工作，消除潜的安全隐患。手持仪表由于结构小巧，方便作业工人 随身携带，所以一般在危险环境中作业的工作人员都配备有该类手持式气体仪 表。在线式检测仪表主要安装在可能发生意外事故的工业现场，进行实时监测， 气体浓度一旦超标，实时发出报警信号，以便安检工作人员及时做出处理。目前 气体浓度检测技术从检测原理上可以分为电化学法、电气法、气相色谱法、光谱 吸收法等，以下分别对具体的检测方法的基本原理进行简要的介绍。儿町 1 2 1 电化学法 电化学分析( e l e c t r o c h e m i c a la n a l y s i s ) 是利用物质的电学及电化学性质来测 定物质含量的分析方法。电化学分析法通常以待测试样的溶液作为化学电池的一 个组成部分，然后对其进行测量，根据测得的电学量与待测组分的化学量之间的 内在联系来进行定性、定量分析。 检测装置由待测溶液作为化学电池，根据该电池的某种电参数( 如电阻、 电导、电位、电流、电量等参数) 与被测物质的浓度之间存在一定的关系， 依据此原理对待测定物质进行定量分析。电化学分析法主要机理是在电化学 池中所发生的电化学反应。电化学池由电解质溶液和浸入其中的两个电极 组成，电极与检测电路连接。在两个电极上发生氧化还原反应，定向流动电 子通过连接两电极的外电路住两个电极之间流动。根据溶液的电化学性质 ( 如电极电位、电流、电导、电量等) 与被测物质的化学或物理性质( 如 电解质溶液的化学组成、浓度、氧化态与还原态的比率等) 之间的关系， 将被测定物质的浓度转化为某种电学参量进行测量。 用电化学法进行气体浓度检测，主要是通过电化学传感器来实现的。各种电 2 化学气体传感器采用的测量原理是不同的，就其采用的测量原理主要分为四大类 型：电量式、电池式、可控电位电解式、离子式。电化学法测量成本低、测量方 法简单等优点。但是在实际测量过程中电解液很容易污染，进入杂质，导致测量 结果不准确，且该方法选择性不好。 1 2 2 电气测量法 电气测量法主要是利用电学参数随着气体浓度的变化而变化的特性来进行 特定气体浓度的测量。该类气体传感器又分为电阻式和非电阻式，其中电阻式分 为热传导式、半导体式、接触燃烧式等。非电阻式气体传感器的的测量原理是利 用材料的电流特性或电压特性随气体浓度变化而变化的特点制成的，主要分为结 型二极管式、场效应管式等类型。 热传导式气体分析仪表是根据不同气体具有不同热传导能力的原理， 通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简 单可靠，适用的气体种类较多，是一种最基本的分析仪表。但是直接测量气 体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电学 参量的变化来进行测定。热导式气体分析仪在气体检测领域的应用范围非 常广泛，通常用来检测氢气、甲烷、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性 气体的含量。 半导体式气体传感器利用半导体材料表面吸附、脱附气体分子会引起半导 体电导的变化的原理来检测气体浓度的。自应用于气体探测以来，以其灵敏度高、 响应时间快、经济可靠等特点而得到迅猛发展，半导体式气体检测仪还具有探测 范围广、反应灵敏、成本低廉的优点。但半导体式气体传感器的缺点是对气体的 选择性差，稳定性差，使得误报的概率比其他方法大：此外，如果长时间没有遇 到探测气体，将会因氧化而对检测气体变的不灵敏：还有就是这类仪器的输出信 号是非线性的，对于仪器标定有一定的困难。 接触燃烧式气体传感器主要用来测量可易燃性气体浓度，利用可燃性气体 在气敏元件表面上发生氧化反应，产生热量从而引起元件电阻值的改变，据此来 检测不同浓度的气体。它的主要特点是环境温度影响较小，稳定性高，且接触燃 烧式气体传感器电阻的变化与气体浓度成线性关系，使电路设计变得简单。缺点 是寿命短，易老化，而且元件表面的催化剂接触到一些非可燃性气体时会产生催 化剂中毒。 1 2 3 气相色谱法 色谱法( c h r o m a t o g r a p h y ) ：使混合物中各组分在两相间进行分配，其 中一相是不动的( 固定相) ，另一相( 流动相) 携带混合物流过此固定相，与固 l 引言 定相发生作用，在同一推动力下，不同组分在固定相中滞留的时间不同，依 次从固定相中流出，又称色层法或者层析法。按流动相可分为气相色谱( g c ) 和液相色谱( l c ) 。气相色谱法是一种以气体为流动相，采用冲洗法的柱色谱分 离技术。它分离的主要依据是基于被分析物质组分在色谱柱内吸附力或溶解度不 同，也就是说利用各组分在色谱柱中气相和固相的分配系数的微小差异来达到样 品的分离。流动相不仅仅是样气的载体，也是一种吸附剂，也即是说当样气 中的各组分被固定相吸附后，流动相在相对固定相做相对运动时，各组分 按照吸附能力的强弱先后被吸附出来，然后根据不同分子在相对运动过程 中所吸收的热量差别来进行测量分析。 气相色谱法是目前分析和研究气体最准确的方法之一，和溶剂萃取、蒸馏、 电解沉积等方法一样也是一种分离技术，但是它是分离技术中分离效率最高的， 并且是应该最广泛的一种。该类仪器的缺点是体积大，成本高，不适合在工业现 场测量使用。 1 2 4 红外光谱吸收法 红外吸收型c 0 2 气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差 异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波k 的红外辐射的吸收程 度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到待测物质时，某些波长的辐射 能被待测物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸 收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质小同浓度时，在 同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。哺因此通过检 测气体对光的波长和吸收强度的影响，便可以确定气体的浓度。基于红外吸收原 理气体浓度分析仪自应诞生以来得到迅猛的发展，一起独特的优点，在气 体检测领域的应用越来越广泛，具有如下优点： 1 具有较好的选择性，每种气体都有自己的特征红外吸收波长。在对混 合气体存在的场所进行检测时，每种气体吸收各自对应的特征频率红外光 线时，它们之间是互相独立，互不干扰的。因此该原理的气体浓度分析仪 就为测量混合气体中某种特定气体的浓度提供了先决条件。因此采用红外 吸收原理检测气体浓度具有选择性好的特点。 2 红外吸收型气体传感器不易中毒、老化，每种气体浓度检测仪都有 自己的量程，当待测气体浓度远远超过仪器最大测量范围时，会造成载体 催化类元件中毒的现象，会使测量结果严重错误。更严重的是该催化类气 体传感器处于高浓度气体环境中的时间过长时，还会造成检测元件的永久 中毒，一旦测量元件处于深度中毒状态即使再把传感器放在正常气体浓度 4 。j!；!：ii!一 的环境中检测元件也无法正常工作。而采用红外吸收原理的气体浓度分析 仪，不会出现传感器中毒、老化的现象。 3 测量精度高、响应速度快、稳定性好，当气体浓度分析仪在开机工 作后，都需要预热一段时间才能使整个系统的工作稳定。采用红外吸收原 理制作的气体检测系统，在开机后非常短的的时间内就能进入正常工作状 态。当被检测气体浓度发生变化时，和基于其他原理的制作的气体检测系 统相比响应时间相对较短。有些气体检测系统内的某些元件在工作时，会 因长时间工作而使检测元件温度升高，发生温漂现象，从而导致测量结果 不准确。而基于红外吸收原理的气体浓度分析仪是采用光信号进行检测， 自身不会引起检测系统发热。整个测量系统受温度的变化的影响非常小， 进而使整个检测系统具有更高的工作稳定性，测量数据也更加准确。 4 具有较高的防爆特性，由于红外吸收原理采用光信号作为检测的信 号，整个系统工作需要的电压低，在一些特殊场所( 比如：矿井、煤气站 等) 有混合爆炸气体的场合，也不会成为爆炸的点火因素，因此具有具有 较好的防爆特性。而基于其他原理的检测系统大多采用的电信号作为检测 信号，有产生电火花的潜在危险，在一些易燃气体含量高的场所容易引起 爆炸事故，防爆特性差。 5 抗干扰能力强，使用寿命较长，基于红外吸收原理气体浓度检测系统 检测信号是光信号，不易受到外界噪声的干扰，系统的信噪比较高，使得 测量更加精确。同时整个检测系统具有自动零点校准和温度补偿功能，因 此不用定时对检测系统进行校准，并且改系统还具有使用寿命长的优点。 6 红外吸收原理的应用范围宽广，红外光谱检测技术与其他检测技术相 比，基于红外吸收原理的气体检测系统具有高可靠性、高稳定性、易维护、 便于自检等优点，因此该类仪器能满足现代气体浓度检测系统的要求。气 体红外吸收式检测技术在各行各业的用途日益广泛。红外吸收原理除了可 以应用于气体浓度检测方面，在石油化工、纺织行业中对石油各组分的比 例分析，纺织产品的质量的定性、定量分析：以及红外无损探伤、红外成像 技术、识别技术等方面都得到广泛的运用：另外在军方面，比如红外遥测遥 感技术，红外夜视，红外导航、制导等领域对红外技术的应用都是非常广 阔的，对促进我国国防建设具有非常重要的现实意义。 综上所述，以上为各种气体传感器的基本测量原理，通过以上各种气体 传感器的性能比较得出下表如图表1 1 ，从中不难发现红外吸收原理的传感 器具有显著的优势，因此，研制和开发红外吸收式气体分析仪对于提高我国气体 安全检测监控水平方面有着十分重要的现实意义。 5 l 引言 表1 1 各种原理气体传感器性能指标比较 名精稳定选择零点 响应 寿 成 称度性性漂移速度命本 电化学式中好中 小快短低 热传导式中中差中快中中 半导体式低差差大中短中 气象色谱高中好小慢长最高 光谱吸收高好好小快长高 1 3 国内外现状及发展方向 感器的综合指标要求更加严格。无论是对传感器的精度、可靠性还是对传感器的 稳定性方面的要求都变得越来越高。因此对气体传感器的研究和开发也变得非常 的重要。随着微型计算机的普遍应用和发展，气体传感器朝着微型化、智能化和 多功能化的方向发展，正确理解各类型气体传感器的工作原理，恰当选择各类传 感器的制作材料，灵活运用各种镀膜技术、精密机械加工工艺、现代电子技术、 光谱吸收技术等，使传感器各项性能指标最优化是气体传感器的正确的发展方 向。6 1 1 新型材料及新加工工艺的研究 经过国内外专家对气体传感器气敏材料的长期研究，金属氧化物等半导体材 料的研究已趋于成熟化，目前对该方面的工作主要有两个研究方向，其一是利用 化学方法，对现有成熟的气敏薄膜材料进行掺杂、表面修饰等处理，在加工工艺 对现有的成膜工艺进行改进和优化，提高气体传感器的稳定性和选择性：二是研 发新型的气敏材料，如复合型半导体气敏材料、高分予气敏材料，用这些复合材 料制备的新型传感器对4 i 同的气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性的优点。 因为有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技 术兼容并且可以在常温下工作等优点，已成为研究的热点。啪儿删 目前c 0 2 传感器的制备主要有以下几个方面的研究： 6 l 引言 ( 1 ) 电化学式及热传导式的c o ：传感器，以体积小、结构简单、成本低而著称， 但是其精度、稳定性及对气体的选择性都4 i 太理想。而电化学式的c o 。传感器还 存在着必须在电解质溶液中使用的、测量条件要求高，在工业现场操作部太方便， 不利于实用化。 ( 2 ) 钛酸钡复合氧化物电容式c o ：传感器，由于以往的传感器个头都非常大， 不易安装和现场测量工作。所以c o 。传感器小型化一直是人们研究的课题，国外 科研工作者利用b a t i 0 3 与某些特定金属氧化物的复合氧化物的静电容量随c 0 2 的浓度而改变的原理制成新型电容式c o 。传感器，该传感器具有体积小、安装方 便的特点。研究证明该材料制备的传感器对c 0 2 的灵敏度及最大静电容量变化的 幅度同与b a t i 0 3 复合的氧化物成分有关。目前主要研究工作在于提高该类传感 器的选择性、灵敏度、稳定性、抗水汽干扰等性能上，以促进该类传感器的实用 化发展。7 1 8 1 ( 3 ) 固体电解质c 0 ：传感器，固体电解质气体传感器是一种以离了导体为电解 质的化学电池。2 0 世纪7 0 年代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高、灵 敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎应用于环保、节能、矿、l k 、汽车 工业等各个领域，其市场需求量大、应用广泛，仅次于金属氧化物半导体气体传 感器。固体电解质c o 。传感器，首先是由加拿大科学家g a u t h i e r1 9 7 7 年提出的， 当时他采用k 。c 0 。固体电解质制备了c 0 ：传感器，以后经过许多学者努力，元件的 结构和形式及所采用的固体电解质材料又获得了进一步的发展。由于最初研制的 固体电解质c 0 2 传感器，其电极采用单一碳酸盐材料，因而受共存的水蒸汽影响很 大，不具备实用化的条件；直到1 9 9 0 年日本山添等人报导了用n a s i c o n 材料， 电极采用b a c o 。- n a ：c o 。复合盐，才使元件在响应特性及抗水蒸汽性能上得到较大 改进，大大推进了其实用化进程。睁们 ( 4 ) 红外吸收式c o 。气体传感器，是目前已经实用化的气体传感器，该类传感 器在精度及稳定性上都表现的非常好，但是由于该类传感器需要附加一个完接的 光路系统，这就增加了传感器的体积和成本，不具备有实用化的特点，闪此研制 低成本、小型化的红外式c o 。传感器是畈待解决的难题。 2 传感器的智能化 随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体 的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质晕的检测都对气 体传感器提出了更高的要求。纳米、溥膜技术等新材料研制技术的成功应用为气 体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机 械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能 技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动 7 数字式的智能气 1 3 2 气体检浈 气体浓度分析仪从国内外近年来的的发展趋势上看主要有以下几方面。 ( 1 ) 仪器的集成化 随着传感器生产工艺水平的提高和集成电路技术水平的提高，传感器日益 小型化、集成度不断提高，使得气体检测仪器的体积越来越小。 ( 2 ) 仪器的智能化 目前很多智能仪表都嵌入的有微处理器，这使得仪器具有自动校准和故障显 示功能。在软件设计上置入模糊算法和神经网络算法，实现对气体种类的识别和 浓度的推断和预估：目前国内外智能气体传感系统已有很多已经应用在工农业生 产中，并取得很好的测景和控制效果。 ( 3 ) 仪器的多功能化 随着经济的快速发展，对现在测量仪器的要求越来越高，仪器的多功能化是 适应时代发展的必须。所谓多功能化指气体检测仪器能同时进行多参数测试，多 种气体检测。基本实现方法是将不同类型的传感器集成在一块芯片上，可同时测 试气体的浓度、湿度、压力、温度等参数。从而更全面地反映被测气体在特定环 境中所显示的特性。 1 4 课题研究的目的及意义 本课题基于红外吸收光谱技术和微型计算机相结合，研制了一种高精度的红 外c 0 。气体浓度检测仪，为c 0 ：气体浓度的检测提供新的手段和方法，为特定环 境内c o 。气体浓度的检测提供精准的测量数据。该仪器不仅可以实时监测c 0 2 气 体，只需要把气体传感器和软件处理程序稍作调整，就可测量其它气体浓度，在 多种气体测量领域有着广阔的应用前景。该检测系统，除可对工农业现场内c 0 2 气体进行实时监测外，也可对大气环境中温室气体的含量进行监测。尽管卫星遥 感环境污染监测系统能快速地提供大面积污染信息，但很难做到高精度、动态范 围的测量，尤其是不能提供小范围内确切的气体指标，红外吸收式气体c 0 ：检测 仪可以实时监测小范凼内c 0 ：气体的浓度值，是人气污染监测的一个十分重要的 环节和技术手段。本课题具有较高的科学研究价值，对发展我国科学仪器产业有 促进作用，同时具有重要的现实意义和应用价值。1 列 8 1 5 本课题研究的基本内容 本课题基于目前c o 。浓度检测的国内外发展现状进行以下各方面的研究工作： ( 1 ) 详细介绍了红外吸收法的测量原理，分析了其基本理论依据l a m b e r b e e r 定理，并分析了影响c 0 。浓度测量的影响因素以及补偿方法。 ( 2 ) 在c o ：浓度红外检测原理的基础上，给出了硬件的实现方案，并详细介绍 了各模块的功能及各电路的设计。 ( 3 ) 信号处理部分：研究了微弱信号的放大和滤波，提高整个检测系统的信噪 比和精度： ( 4 ) 控制部分：选用高速数字处理芯片a t m e g a l 2 8 作微处理单元，来完 成数据采集、判断处理、数据的传输等功能： ( 5 ) 显示部分：采用点阵式l c d 模块进行浓度和时钟的显示： ( 6 ) 超限报警：当某种气体浓度达到预设定报警点，检测仪进行声光报警。 1 6 气体检测系统功能要求 根据实际测量的要求，该红外吸收式智能c 0 ：浓度分析仪应该达到的主要技术指 标为： ( 1 ) 测量范围：0 5 0 0 c 0 。； ( 2 ) 相对误差：2 ； ( 3 ) 工作环境条件：温度：0 - 5 0 1 2 ； ( 4 ) 报警设置：0 - 5 任意设置； ( 5 ) 响应时间：l o s ： ( 6 ) 工作方式：气体自动扩散式； ( 7 ) 报警方式：声光，l m 内声压 8 0 d b ：光可见度2 0 m ； ( 8 ) 显示方式：l c d 彩屏显示； ( 9 ) 通讯方式：4 8 5 远程通信：4 - 2 0 m a 标准工业输出； ( 1 0 ) 传感器最大漂移量：0 0 1 ； 9 2 红外光谱法气体浓度枪测的基本原理 2 红外光谱吸收法气体浓度检测的基本原理 2 1 概述 红外吸收光谱法检测气体是目前应用最广泛的气体检测方法，以此原理制作 的气体检测仪具有精度高，选择性好，性能稳定等特点。红外光谱法吸收法是利 用气体分子对红外光具有特定吸收谱这一特性来实现的，也即是不同的气体对某 一特定波段的红外光具有吸收能力。而这个特定波段红外光就称为该气体的红外 吸收峰，不同的气体的红外吸收峰是不一样的，即使在混合气体环境中各气体之 间的红外吸收也不会相互干扰。某一待测气体吸收的能量大小与该气体在红外光 区内的浓度有关，浓度越大吸收能量越多。因此，可以通过检测红外光的强度的 变化来检测气体的浓度。【1 3 1 本章主要介绍红外吸收的基本原理，l a m b e r _ b e e r 定律，红外气体传感器的 光路结构以及在实际测量中的一些影响因素。 2 2 红外光谱学基本原理 红外吸收光谱分析法是指利用物质埘红外辐射的吸收所产生的红外吸收光 谱，对物质的组成、结构及含量进行分析测定的方法。非对称双原了和多原了分 子气体( 如c o 。、c o 、n 0 2 、n o 、c h ；) 都具有吸收红外辐射能量的特性。这种性质是 具有红外活性物质本身网有的一种属性，不会因外界条件的改变的改变而改变， 因此可以利用这一特性来对物质进行定性和定量分析，以此来测量气体的浓度。 如图2 1 所示为某种气体对红外辐射的吸收示意图。n 引 如图2 1 气体红外辐射的吸收示意网 红外光波长佃 当气体吸收光子之后，分子跃迁到激发态，如图2 2 所示气体分子的能级跃 l o 2 红外光谱法气体浓度检测的基本原理 迁示意图，在激发态存在的时间很短，又通过直接发射回到稳定状态。在这个过 程中，释放出光子。由于气体分子结构具有互异性，不同气体的吸收谱因其分子 结构的不同而互不相同，检测某种特定波长光的吸收情况，可进行气体的定性和 定量分析。n 耵 图2 2 气体分子的能级跃迁示意图 通过光谱吸收法可以检测物质结构组成，光谱吸收法可以分为紫外光谱吸收 法和红外光谱吸收法。紫外吸收光谱的波长范围是1 0 0 - 4 0 0 n m ( 纳米) 其中 1 0 0 - 2 0 0 n m 为远紫外区，2 0 0 - 4 0 0 n m 为近紫外区。一般的紫外光谱是指近紫外区。 所谓紫外光谱是指由于分子中价电子的跃迁而产生的，分子中价电子经紫外或可 见光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这 样产生的吸收光谱叫紫外光谱。紫外光谱吸收度a 与波长关系图如图2 1 所示 图2 3 紫外光谱吸收度与波长曲线图 入。 红外光从波长大小可以分外三个区分别为：近红外区，中红外区，远红外区。 波长及频率范围如下表2 1 所示 表2 1 红外波长范围划分 2 红外光谱法气体浓度检测的基本原理 红外光谱又称分子振动或转动光谱，属分子吸收光谱。被检物质受到频率连续 变化的红外光照射时，该物质分子吸收其中一种频率的辐射，分子振动或转动引 起偶极矩的净变化，使振一转能级从基态跃迁到激发态。相应于这些区域的透射光 强减弱，记录透过率百分比t 与波数或波长的关系曲线图，即红外光谱。如图2 4 为红外光谱吸收度与波长曲线图。 图2 4 红外光谱吸收度与波长曲线图 紫外光谱与红外光谱的区别： ( 1 ) 光谱产生4 ，l , n 不同 紫外光谱主要是电子能级跃迁所产生，而红外主要是振动能级跃迁产生的。 ( 2 ) 研究对象不同 紫外光谱主要研究的是具有共轭体系的不饱和化合物。红外光谱主要研究的是除 了单原子分子和同核双原子分子少数分子外，几乎所有的化合物及有偶极距变化 的有机物。 ( 3 ) 应用范围不同 紫外光谱主要对液体结构进行定性和定最分析，红外光谱主要埘有机化合物 进行结构分析，是一种非破坏性的分析，分析的样品可以是液体、固体、气体。 1 2 2 红外光谱法气体浓度检测的基本原理 2 3 红外光谱吸收定理_ a m b e r t b e e r 定律 当红外光通过待测气体时，不同的气体对特定波长的红外光具有不同的吸收 作用，这种性质是具有红外活性物质本身固有的一种属性。c 0 2 在4 2 6um 处有 一个吸收峰。当红外光通过气体时，在相应频率处就会产生能量衰减，而能量的 衰减程度又与气体浓度大小有关，通过分析红外光的衰减程度，即可推算出待测 气体浓度。待测气体对红外光的吸收服从l a m b e r - b e e r 定律，入射光强度厶和出 射光强度i 关系表达式如下： ，( 柚= 厶( 柚e x p ( 一k c l ) ( 2 - i ) 式中 厶( 九) 一入射光强度； ，( 柚一出射光强度； k 一吸收系数，随入射光波长而变化； c 一待测气体浓度： l 一红外光透过气体的厚度； 九一红外光波长： 由( 2 _ 1 ) 式可以得：c 。i l n 考浩 ( 2 2 ) 对于一个封装完好的气室来说，k ，和l 值是固定的，只需要测量入射光和出 射光强度差别就可以推算出待测气体的浓度c 的大小，该原理即为红外吸收法测 量气体浓度的基本理论依据。m 1 不同气体在红外区的吸收波长不同，以下为几种常见气体的红外吸收波长表 如表2 2 所示 表2 2 常见气体红外吸收波长表 2 红外光谱法气体浓度检测的基本原理 2 4 红外光谱吸收的基本测量方法 红外光谱吸收气体浓度检测的基本方法有三种分别为：直接吸收检测法，谐 波检测法，差分吸收检测法。以下分别对三种方法进行介绍。 2 4 1 直接吸收检测法 这是一种最简单的红外吸收检测方法，将待测气体直接通入气室内，当红外 光源发出的红外光通过气室时，用红外探测器检测光强前后的变化，在没有通入 待测气体时检测红外光的强度i 。通入待测气体时检测红外光的强度i ，通过计算 前后光强的差值来确定待测气体的浓度。基本检测流程框图如图2 5 所示： 图2 5 直接吸收检测法基本流程框图 直接检测法虽然容易实现，但是检测精度比较低，主要因为红外光源强度的波动， 环境温度改变，以及一些其他干扰因素都会影响系统的测量精度。 2 4 2 谐波检测法 谐波检测法是利用正弦波信号驱动调制红外光源，红外灯光源强度按正弦曲 线规律波动，红外光源经气体吸收后的谐波分量与气体浓度成正比关系，因此可 以通过检测经待测气体吸收后的红外光强度的谐波分量来确定气体的浓度大小。 正弦驱动信号函数可以表示为：a s i n ( o 。t + q ) ，朗伯一比尔定律可以改写为： ，( 九) = 厶( 九) 【l + 彳s i n ( o d t + t o ) e x p ( 一j 文c l ) ( 2 3 ) 式中：a 一为频率调制系数； 一为正弦调制频率； q 一一为正弦调制相位； 红外探测器输出的是带有调制频率的检测信号，为了精确检测 h 待测气体浓度， 红外探测器输出信号必须经过锁相放大器进行放大m 1 ，以免输出信号过弱和发生 1 4 2 红外光谱法气体浓度检测的基本原理 相位移动，影响测量结果。另外正弦波调制电路的幅值和频率的稳定性也将影响 测量结果，所以一个稳定的正弦波调制电路也是谐波检测气体浓度的必要条件。 谐波检测法工作原理框图如图2 6 所示： 图2 6 谐波检测法基本原理框图 2 4 3 差分吸收检测法 差分吸收检测法的基本原理是将红外光源发出的红外光束分成两路通行，一 路光束通向有待测气体的气室，该路反应的是经待测气体吸收后的红外光信号。 另一路通向没有待测气体的气室，反应的是没有被待测气体吸收的红外光信号。 通过两路信号强度的差别来确定待测气体的浓度。差分吸收法可以通过单波长双 光路法和双波长单光路法两种方法来实现。n 。1 1 单波长双光路法的实现 单波长双光路法基本原理图如图2 7 所示，红外光被分成两束光分别进入检 测气室和参考气室内，根据l a m b e r t - b e e r 定律可以得到： 一 = = 纠检测礓一吲缈限测器1 j 令 i ili 放 红 大 外j 光 电 路 源j 刮参考气窒一 = 刮红外探测器2 一睁 乞 图2 7 单波长双光路法基本原理图 ( 九) = 厶( 九) e x p ( 一k x c l ) 厶( ”= i o ( 九) e x p ( 一玉文c ) 式中，c 为参考气室中待测气体的浓度，显然c = 0 ， 1 5 敲 处 理 墨 乞 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 2 红外光谱法气体浓度检测的基本原理 由式( 2 _