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光离子化气体传感器的研究与设计

作　者: 刘洋
导　师: 李昆
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 光学工程
关键词: 光离子化 气体传感器 电离室 紫外灯
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


光离子化气体传感器（Photo Ionization Detector，简称PID）主要用于石油化工等工业作业场所，对于突发的有机挥发物泄露事故，能够做到跟踪与查找泄露源、监测工作场所空气质量、确保作业人员生命安全等工作。突出的优势为：灵敏度高、鉴别能力强、响应速度快、应用范围广且易于携带，是简单、方便、快速的现场实用仪器。本论文主要进行以下工作：首先，在文中详细的阐述了光离子化的发生原理，并根据PID在当今国内外发展的现状与未来发展趋势，结合该领域现有技术的优缺点，提出PID仪器预期的设计目标。其次，详细的分析了光离子化发生过程的能量源——紫外灯，从其外部结构、内充气体及灯体窗口材料等方面综合考虑，最终确定选用美国RAE公司生产的输出能量为10.6eV的无极真空紫外灯。本设计中采用12V的蓄电池为PID供电，因此采用双晶体管推挽自激振荡电路为紫外灯供电。从实际应用角度考虑，确定了电离室采用Axial Flow结构，并以集成开关电源控制器MAX641为核心构成DC~DC变换器，输出150V的直流电源为极板供电。接着介绍了气体隔膜泵的原理及特点，并确定了采用德国楷孚贸易（上海）有限公司生产的转速为0.5lmin的NMP05M气体隔膜泵作为带动气体进入电离室的吸气风扇，以W7805固定式三端稳压器为核心设计了驱动吸气风扇的电源电路。再次，深入的阐述了微弱信号检测原理，并确定了降低噪声干扰的方法。以不失真为前提提出了前置放大电路的整体构成。对于传感器电离室内极板收集的微弱电流，首先要采用I/V转换电路将其转换为电压信号，再对已转换的电压信号进行有效的放大，最后还要完成滤波环节，用于排除参杂在有用信号中的有害噪声。其中，电源部分主要由LM117、AD580及MAX660电压转换器件构成，以LMC6082为核心器件实现电流-电压转换电路及放大电路，以仪表放大器AD627为核心构成二次放大电路及滤波电路。最后，对PID做了相关的功能性试验，实验结果达到了预期的要求。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 课题的背景及研究意义  10-11
  1.2 光离子化技术描述  11-12
  1.3 光离子化气体传感器的发展历史与研究现状  12-14
  1.4 本文的研究内容  14-15
  1.5 本课题的设计目标  15-16
第2章 PID 的工作原理及整体系统设计  16-24
  2.1 概述  16
  2.2 PID 的工作原理  16-22
    2.2.1 光离子化原理  16-18
    2.2.2 光离子化电流的微观分析  18-19
    2.2.3 PID 可检测的物质范围和修正系数  19-21
    2.2.4 PID 仪器的特性  21-22
  2.3 PID 的整体系统设计  22
  2.4 本章小结  22-24
第3章 基于光离子化的电离室与驱动电路设计  24-43
  3.1 紫外灯光源  24-32
    3.1.1 等离子体发光原理  24-25
    3.1.2 紫外灯的分类  25-27
    3.1.3 真空无极紫外灯的激发方式  27-28
    3.1.4 灯内填充气体  28-29
    3.1.5 灯体窗口材料  29
    3.1.6 紫外灯的选择  29-31
    3.1.7 紫外灯的驱动电路设计  31-32
  3.2 电离室  32-39
    3.2.1 电离室的结构设计  32-35
    3.2.2 电离室结构的微观分析  35-37
    3.2.3 偏置电路设计  37-39
  3.3 吸气风扇  39-41
    3.3.1 隔膜泵的原理及特点  40-41
    3.3.2 风扇的驱动电路设计  41
  3.4 本章小结  41-43
第4章 传感器微弱信号检测的前置放大电路设计  43-54
  4.1 微弱信号检测原理  43-45
  4.2 噪声的抑制及屏蔽  45-46
  4.3 前置放大电路的设计与实现  46-52
    4.3.1 前置放大电路的整体结构设计  46
    4.3.2 电源设计  46-48
    4.3.3 电流-电压转换与放大电路设计  48-50
    4.3.4 仪表放大与滤波电路设计  50-52
  4.4 本章小结  52-54
第5章 传感器规范性试验  54-63
  5.1 常规技术指标试验  54-57
  5.2 极端环境技术指标试验  57-62
  5.3 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  68-69
致谢  69

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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