示例1-一氧化碳浓度监测系统设计(仅供参考,其格式不符合要求)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 课 程 设 计 说 明 书光学测试技术应用课程设计题目： 学院名称： 机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 20 年6月一氧化碳浓度监测系统设计专业班级： 学生姓名： 指导教师：摘要 一氧化碳是一种对人类和环境有很大危害性的气体。由于工业生产中排放的废气大多有毒、易发生爆炸且其检测环境极其恶劣，所以对气体检测系统提出了更高的要求。因此，研究一种高精度、高灵敏度、非接触式、稳定可靠的现代化测量技术以实现对一氧化碳气体浓度的测量具有重义。本文设计了一种基于近红外吸收光谱技术的CO气体浓度检测系统，利用分子光谱

2、选择吸收理论，对一氧化碳气体的几个特征吸收光谱的比较，选择1.568um作为氧化碳气体浓度检测的特征吸收波长。根据Lambert-Beer定律以及弱光检测技术，采用锁相放大器的补偿法双通道测量方法，测量一氧化碳气体浓度。关键词：近红外吸收光谱技术 Lambert-Beer定律 锁相放大器 A Design of Carbon Monoxide Gas Concentration Measurement SystemAbstract Carbon Monoxide Gas is a kind of dangerous gas It is seriously harmful to environm

3、ent and people. Emissions detection is the foundation and the key of prevention and control of pollution in the production of industrial. But because most of the exhaust gas are poisonous and explosive, and the testing environment very bad, so gas detection system must achieve higher requirements. T

4、herefore, the study of a modern measurement technology of high precision, high sensitivity, non-contact, stable and reliable have the important meaning to realize the measurement of carbon monoxide gas concentration. In this paper ,a new design of Carbon Monoxide Gas Concentration Measurement System

5、 based on near-infrared absorption spectrum technology has been made. After analyzing the theory of gas molecules absorption and comparing, several absorption spectrum of carbon monoxide gas, It is a great deal to selected 1.568 um as the features absorption wavelength of carbon monoxide gas concent

6、ration measurement. Based on Lambert-Beer law and the technology of weakly light measuring, the system can detect the concentration of carbon monoxide gasKey words near-infrared absorption spectrum technology Lambert-Beer law lock-in amplifier目 录第一章 光谱吸收式气体检测原理.41.1 分子光谱选择吸收理论 .41.2 Lambert-Beer定律41

7、.3 一氧化碳气体分子特征吸收谱线的选择 .51.4 弱光检测中锁相放大器的原理 .6第二章 一氧化碳近红外吸收光谱检测系统设计 .72.1直接吸收检测 .72.2 差分吸收检测 .72.2.1差分吸收检测原理 .72.2.2差分吸收检测系统结构 9第三章 气体检测系统各模块的选择及系统性能分析93.1光源的选择93.2气室的选择 103.3光电检测器的选择 113.4系统性能分析 11结论11致谢11参考文献12附图13引 言一氧化碳是一种对人类和环境有很大危害性的气体。人吸入一氧化碳气体后，血液中的血红蛋白就会与其结合，从而阻碍了氧气与血红蛋白的结合，导致机体组织的严重缺氧1。浓度较低的一

8、氧化碳气体也会导致如头痛、耳鸣、疲劳等这些症状，如果浓度较高，轻则会有损人的思维和感觉，导致身体的运动能力降低，重则会造成脑部的严重受损甚至出现死亡2。在空气流通不畅的环境中，燃煤燃烧不充分产生的煤气或液化气管道气体的泄漏以及工业生产或采矿产生的一氧化碳气体非常容易被人体吸入而导致中毒。一氧化碳的比重为，非常接近空气的比重0.97，所以不容易扩散，若是达到空气混合爆炸极限，发生爆炸的可能性极大，因此极易造成重大事故。因此，对人类生产、生活环境中一氧化碳气体进行实时、准确的检测和报警是与人类自身安全、社会可持续发展切实相关的重要问题。然而大多数传统的气体浓度检测技术是采用非光学法的检测，如电化学

9、式气体浓度传感器、半导体气体浓度传感器等。虽然这些传感器也能够达到比较低的检测限，但都无法避免稳定性差、易中毒、易受电磁干扰等这些缺点。而基于光学法的气体传感器与传统的非光学类气体传感器比较，其具有高可靠性、低系统运行成本、无需人员值守、可连续工作、存在表面污染等优点，将是气体检测技术新的发展方向。3本文设计了一种基于近红外吸收光谱技术的CO气体浓度检测系统，利用分子光谱选择吸收理论，对一氧化碳气体的几个特征吸收光谱的比较，选择1.568um作为氧化碳气体浓度检测的特征吸收波长。根据Lambert-Beer定律以及弱光检测技术，采用锁相放大器的补偿法双通道测量方法，测量出一氧化碳气体浓度。第一

10、章 光谱吸收式气体检测原理1.1分子光谱选择吸收理论光谱学研究表明当气体分子受到光线照射时，分子的跃迁就要吸收一部分光能量，使透射光强相对于入射光强有所减弱。气体分子对光能量的吸收具有选择性，只吸收能量等于跃迁的始末能级的能量之差的光子（E=h），这样不同的气体因其能级结构不同，所吸收的光子的能量不同。而光子的能量又和其频率有关，不同的气体会吸收不同频率的光子。光源的波长只有在与气体的特征吸收波长重叠时才会导致共振吸收，其吸光度与与该气体分子浓度存在一定的关系，吸收后透射光强将不同于入射光强，通过测量两个光强度就可以得到气体分子的浓度。1.2 Lambert-Beer定律光吸收定律，即Lamb

11、ert-Beer定律，是研究和计算对光强吸收的最基本的定律。两条定律构成了光吸收定律：第一条是朗伯定律，是Lambert在1760年左右发现的，朗伯定律指出入射光经过介质时的吸收光强的量与该介质的厚度存在一定的关系；第二条是比尔定律，是比尔在1852年提出的，比尔定律指出了入射光经过介质时的吸收光强的量与该介质的浓度存在一定的关系。对于一束光强为I0()的入射光，通过待测气体吸收气室后，其强度为： I=I0()e-()CL （1.1）其中I()为经气体吸收后的光强，I0()为初始光强，()为气体在频率为处的光谱吸收系数，C为待测气体的体积浓度，L为光通过待测气体的光程。Lambert-Beer

12、定律是进行光谱吸收法气体检测的基本原理和重要依据。在已知吸收系数和吸收光程，通过测量入射光强和吸收的光强，由上式即可计算出待测气体的浓度。1.3一氧化碳气体分子特征吸收谱线的选择在进行CO气体检测时，对其特征吸收谱线的选择非常关键，需要从以下几个方面进行考虑：（1） CO气体在选定的测量谱线处要有较强的吸收峰。（2） 吸收谱线波长的激光器要相对成熟，易于实现，价格相对便宜。（3） 必须确保在该吸收谱线处其它背景气体没有吸收，或是相比CO气体吸收很微弱，可以忽略。在CO气体的吸收谱线中，主要有三个主要的吸收峰，波长分别为4.6m、2.33m和1.568m。最大吸收峰值位于4.6m波长处。然而这个

13、吸收波长属于中红外波段，需要中红外光源测量，对光源的滤波器要求高，而中红外激光器不仅寿命短，价格而昂贵，而且需要设置冷却系统，因此不采用4.6m吸收波长作为测量波长。2.33m和1.568m波长的近红外激光器性能已经相当成熟，实现起来比较容易，而且价格不高。其屮，1.568m波长的激光器具有相当高的成熟度且市场应用最为广泛，可实现单纵模运行。另外背景干扰气体对被测气体吸收的影响是方案选择的重要依据，所以对于其它干扰气体在这个位置是否有影响也是一个非常关键的因素。在 1.568m 处，吸收相对明显的只有CO和CO2，并且CO2的吸收强度要比CO低一个数量级，可以忽略不计。所以综上所述采用1.56

14、8m的吸收波长作为测量波长。1.4弱光检测中锁相放大器的原理由于环境温度改变、红外光源强度不稳定、光强变化量较小以及由于使用近红外光作为探测波长造成背景噪声会较大。如果采用直接测量的方法会导致测量精度很低。所以采用弱光检测中锁相放大器来降噪以提高精度。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比，并且具有很高的检测灵敏度，且信号处理比较简单。锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号

15、中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其它频率成份将不能对输出电压构成任何贡献。锁相放大器被用来侦测和量测非常小的交流信号直至数个 nV。甚至当信号被比它大数千倍噪声掩盖时，也可以做正确的量测。 图1-1锁相放大器的组成示意图锁相放大技术的四个基本环节：（1）通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；（2）在调制频率上对有用信号进行选频放大；（3）在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；（4）通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。第二章 一氧化碳近红外吸收光谱检测系统设计2.1 直接

16、吸收检测这是一种最简单的气体吸收光谱检测方法，将待测气体直接注入到气室内，当红外光源发出的特征波长的红外光透过气室时，用光电探测器检测透过气室后红外光的强度，并且检测不通过待测气体时的红外光的强度。通过入射光强与透射光强的强度变化，确化待测气体的浓度4。直接吸收检测法的基本结构图如所示。图2-1 直接吸收检测结构示意图从透过气室前后光强的变化来分析被测气体的浓度是直接吸收光谱技术的优点，无需标定、形象直观，从检测得到的吸光信号得到光强被气体吸收的强弱，从反演出待测气体的浓度。但是直接吸收光谱技术在应用于气体浓度检测时，由于环境温度改变、红外光源强度不稳定、光强变化量较小、噪声干扰等因素，致检测

17、精度很低。2.2 差分吸收检测2.2.1差分吸收检测原理为了克服直接检测的缺点，采用差分吸收检测以减少噪声对信号的影响。当光经过气体介质时，由选择吸收理论可知，特征波长的光被吸收，部分光被气体分子散射，剩下的部分光继续传播。因此考虑到光经过被测气体时，散射等因素也会使光强减弱，因此Lambert-Beer定律用以下公式表示更为准确： I=I0()e-CL+() （2.1）其中()为气体在频率为处的光谱吸收系数，()为气室中光路干扰因素，C为待测气体的体积浓度，L为光通过待测气体的光程。由于干扰因素的随机性，仅从上式来分析和测量气体的浓度非常困难，如果用差分吸收检测方法则很好的解决了这个问题。为

18、了排除干扰因素的影响，由分光器把光源发出的光分为两束，这两束光完全相同，然后让一束光经过充有待测吸收气体的气室，经过气室出射后的光就会带有被测气体吸收的信息，出射光强也会受到其他干扰因素的影响。而另一束光则经过没有待测吸收气体的气室，经过气室出射后的光信息没有被测气体吸收的信息，当然这一路的光强也会受到其他干扰因素的影响，且两条光路的干扰因素相同，这样两路出射光的光信号的比就可以排除干扰因素的影响，这就是差分吸收检测法。2.2.2差分吸收检测系统结构差分吸收检测系统结构示意图如图2-2所示。采用单波长光源作为该检测系统的光源，斩波器把光波分为两路相同的光，一路经过被测气室，另一路射入没有充入待

19、测气体的参考气室，两束光的出射光强分别为： I=I0()e-CL+() （2.2） Ir()=I0r()e-rCL+r() （2.3）式中带有下标r的属参考光束的物理量。在系统的初始状态，检测气室对光的衰减与参考气室和可变衰减器对光的衰减程度不同，经过光电检测器后，输出的一个带有噪声的方波信号。给锁相放大器提供一个与方波信号同频同相的参考信号。经过锁相放大器后输出一个直流信号。将这个直流信号反馈到伺服电机上，通过伺服电机调节可变衰减器，使其对光的衰减程度缓慢变大。当经过检测气室的测量光A与经过参考气室和可变衰减器的参考光B的光强相等时，光电检测器输出直流信号，锁相放大器的输出为0。伺服电机停止

20、工作。系统平衡时的，可变衰减器的衰减系数就是CO气体对测量的衰减系数。接下来只要测量出可变衰减器的衰减系数就可以反推出CO气体浓度。假设通过该检测系统已经测出可变衰减器的衰减系数为，则有以下公式： =lnIinIout=CL （2.4） C=()L （2.5）其中为可变衰减器的衰减系数，Iin，Iout分别为入射到可变衰减器的光强和从可变衰减器初设的光强，C为待测气体的体积浓度，L为光通过待测气体的光程。图2-2差分吸收检测系统结构示意图第三章 气体检测系统各模块的选择及系统性能分析3.1光源的选择为了提高测量精度，尽量使用线宽较窄的激光器作为单色光源。分布反馈式半导体激光器（DFB）输出的激

21、光具有良好的单色性，其输出的激光光谱线宽小于10MHZ，远小于传统红外光源发光的光谱宽度和气体吸收谱线的宽度，可以实现单线光谱周期性的扫描过被测气体的吸收谱线，而不会覆盖其他背景气体的吸收谱线，排除背景气体的交叉干扰，提高检测的灵敏度。DFB激光器通过改变结温度和注入电流的方式来调谐输出激光的频率。一般情况下，温度的调节为粗调，用于确定激光器输出激光的中心频率，电流调节作为细调，使激光器输出频率周期改变，周期性的扫描过气体的整个单吸收谱。图3-1分布反馈式半导体激光器示意图3.2气室的选择吸收光谱型气体检测系统中，气室的选择非常重要，是决定检测精度的重要因素。一氧化碳气体近红外吸收比较弱，光波

22、在气室中的吸收光程直接影响光强吸收的强弱，系统检测灵敏度也会直接受到影响。气室选择的原则主要有：尽量增大吸收光程；非光谱吸收的光强损耗尽可能小；噪声尽可能小。采用小型渐变折射率透射气室，其结构如图3-2所示。这种透镜能与光纤融合在一起，性能更稳定，非光谱吸收的损耗更小，但由于工艺限制，不能做的足够长。图3-2小型渐变折射率透射气室3.3光电探测器的选择为了提高检测精度，需采用灵敏度较高的光电探测器。雪崩光电二极管（APD）是一种具有高灵敏度，高响应速度的光电探测器。APD雪崩光电二极管是利用载流子的雪崩倍效应来放大光电信号以提高检测灵敏度。当加上足够高的反向偏压，即工作在反向穿电压池VBR附近

23、时，受到光照就会在吸收层产生光生载流子，这些载流子继而注入倍增层。注入倍增层后的光载流子从强电场中得到很大的能量，进而碰撞晶格原子使其电离产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在电场作用下加速并再次与晶格原子发生碰撞产生更多的电子空穴对。这种碰撞电离现象循环发生，像雪崩一样，使光电流在其内进行倍增，形成可被稳定探测的正比于光照强度的电流。图3-3APD雪崩光电二极管示意图3.4系统性能分析对于该一氧化碳检测系统，影响检测精度的主要因素有：1、 光源不稳定，产生随机波动，增加了系统的噪声。2、 由于采用小型渐变折射率透射气室，使得有光路的一部分是通过光纤传输的。这样就需要考虑光线与光纤的耦合效率，如果耦合效率太低，会使信噪比降低，从而降低了测量的精度。3、 测量精度还取决于光电探测器的灵敏度。灵敏度越高，测量误差越小