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基于MEMS红外光源的长光程甲烷气体检测系统设计

作　者: 杜彬彬
导　师: 陈旭远
学　校: 中北大学
专　业: 电路与系统
关键词: 红外光谱吸收原理 MEMS红外光源积分球吸收气室 FPGA主控芯片
分类号: X831
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着国民经济的快速发展，由石油化工、电力电气以及煤炭行业等产生的大量工业废气对环境的污染越来越严重。由此而产生的温室效应、酸雨以及大气臭氧层空洞等大气污染现象早已屡见不鲜。近年来，人们对生活环境与健康状况的关注意识日趋增强，对空气质量的检测也提出了更高的要求。如何及时、准确地实现易燃、易爆以及有毒有害气体的高灵敏度、高可靠性检测愈来愈引起人们的关注。因此，设计出一种具有灵敏度高、响应速度快、制备工艺简单以及价格低廉等特性的智能化便携式红外气体传感器具有重大意义。本课题以甲烷作为目标气体，研究了易燃、易爆以及有毒有害气体的高灵敏度红外检测系统。该检测系统基于红外光谱吸收原理，结合双波长单光路的差分检测方法，采用了一种具有波长范围宽、调制频率高、寿命长等特点的小体积微机电系统（Micro-Electro-Mechanic System, MEMS）红外光源作为红外辐射源，以积分球为吸收气室，有效地实现了甲烷气体浓度的高精度检测。本论文的主要研究内容如下：（1）与传统的红外光源相比较，MEMS红外光源具有体积小、波长覆盖范围宽、调制频率高、价格低廉等优点，很好地满足了红外检测系统对于光源的要求。然而，由于MEMS红外光源为具有郎伯分布的面光源，能量太过于分散，导致可以直接利用的光能量太少。要想使其更好地应用于红外传感系统中，尽可能发挥出其自身的优势，就需要对MEMS红外光源的光场进行一定的整形以收集红外能量。本论文研究出了两种不同的光学系统：基于自由曲面反光杯的光学系统和基于非球面准直透镜的光学系统，并使用光学设计软件TracePro与Zemax分别建立了仿真模型对上述设计理论结果进行验证。最终使得MEMS红外光源的发散角度从180°压缩到了15°左右，大大提高了红外光能量的利用效率。（2）采用积分球作为气体吸收气室，光线进入内壁涂有高反射率膜材料的积分球后，在球壁之间来回反射，有效增加了红外光与被测气体的有效作用距离，从而提高了红外传感系统的检测灵敏度及精度。但是，红外光波在积分球内的每一次传播都具有随机性，很难像计算传统气室有效光程那样，将光波反射次数与气室的基本长度作乘法运算就能够得出光波与被测气体的有效传播距离。本论文中建立了积分球吸收气室的数学模型，根据光在传输过程中光通量守恒的原理，推导出了积分球吸收气室的等效光程，解决了积分球气室等效光程的计算难题。（3）提出了传感系统的外围电路设计方案，为后续研制出完整的红外检测系统奠定了一定的基础，主要包括MEMS红外光源的驱动电路、信号调理电路、A/D转换控制电路以及整个电路系统的供电电路等模块。通过FPGA芯片产生的脉压调制信号实现了MEMS红外光源的有效驱动，并对红外探测器输出的双路电压信号进行滤波和放大处理后，经A/D转换控制模块将其模拟量转换为了数字量，最后通过USB传输模块将数字量上传给上位机进行数据处理及显示，并介绍了整个电路系统的供电模块。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 甲烷气体传感器的分类及检测原理  12-15
    1.2.1 热导式气体传感器  13-14
    1.2.2 载体催化燃烧式气体传感器  14
    1.2.3 光干涉式气体传感器  14-15
    1.2.4 光谱吸收型气体传感器  15
  1.3 红外光谱吸收型气体传感器的研究现状  15-19
    1.3.1 国外红外光谱吸收型气体传感器的发展  15-17
    1.3.2 国内红外光谱吸收型气体传感器的发展  17-19
  1.4 论文主要内容与结构  19-21
第二章红外光谱吸收型甲烷气体浓度的检测原理  21-35
  2.1 气体的能级结构以及吸收光谱  21-27
    2.1.1 气体的能级结构  21-24
    2.1.2 气体的吸收光谱  24-27
  2.2 甲烷分子的吸收谱线及其强度比较  27-29
    2.2.1 甲烷分子的吸收谱线  27
    2.2.2 甲烷分子吸收谱线的强度比较  27-29
  2.3 郎伯-比尔吸收定律  29-30
  2.4 甲烷浓度的差分吸收检测原理  30-33
    2.4.1 单波长双光路差分吸收检测方法  30-32
    2.4.2 双波长单光路差分吸收检测方法  32
    2.4.3 双波长双光路差分吸收检测方法  32-33
  2.5 本章小结  33-35
第三章 MEMS 红外光源及其光场整形  35-53
  3.1 红外光源的类型及特点  35-36
  3.2 MEMS 红外光源的特性及优点  36-37
  3.3 MEMS 红外光源的光场整形  37-51
    3.3.1 基于自由曲面反光杯的光学系统设计  38-44
    3.3.2 基于非球面准直透镜的光学系统设计  44-51
  3.4 两种光学系统的评价  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章长光程吸收气室的结构设计及研究  53-63
  4.1 常见的几种长光程气室结构  53-56
    4.1.1 White 型气室  53-54
    4.1.2 Herriott 型气室  54
    4.1.3 Chernin 型气室  54-55
    4.1.4 其他  55-56
  4.2 积分球气室  56-60
    4.2.1 积分球气室模型  57
    4.2.2 积分球气室等效光程推导  57-60
  4.3 积分球吸收气室的灵敏度和分辨率  60-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章硬件电路设计  63-73
  5.1 红外光源驱动模块电路设计  63-65
  5.2 信号调理模块电路设计  65-68
    5.2.1 低通滤波及电压跟随电路  65-67
    5.2.2 参考通道信号放大电路  67-68
    5.2.3 检测通道信号放大电路  68
  5.3 A/D 转换模块电路设计  68-69
  5.4 电源管理模块电路设计  69-70
  5.5 USB 数据传输模块电路设计  70-72
  5.6 本章小结  72-73
第六章总结和展望  73-75
  6.1 全文总结  73
  6.2 工作展望  73-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间发表的论文及所得的研究成果  80-81
致谢  81-82

基于MEMS红外光源的长光程甲烷气体检测系统设计

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