畢業(yè)設(shè)計說明書防爆紅外氣體分析儀

1、xx大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 目錄1前言（緒論）11.1使用防爆氣體分析儀目的、意義11.2防爆氣體分析儀國內(nèi)外發(fā)展概況及存在的問題11.3關(guān)于選題22儀器防爆設(shè)計32.1防爆基礎(chǔ)概要32.1.1爆炸性環(huán)境的形成32.1.2可燃?xì)怏w的燃燒與爆炸原因32.1.3爆炸物氣體分級、分類、分組42.1.4爆炸危險場所的分類、分區(qū)和區(qū)域范圍劃分42.1.5儀表的防爆52.2防爆儀表的設(shè)計62.2.1爆炸危險區(qū)確定儀表防爆類型62.2.2爆炸危險氣體確定設(shè)備類別72.2.3防爆機箱的防護(hù)等級及尺寸設(shè)計72.2.4防爆等級與性能的確定83紅外氣體分析原理及傳感器93.1紅外光譜與吸收特性93.2光吸收定律103.

2、3紅外氣體分析傳感器113.3.1檢測原理113.3.2傳感器結(jié)構(gòu)123.4紅外傳感器的選型173.4.1薄膜微音紅外氣體分析器173.4.2微流量紅外氣體分析器183.4.3氣體濾波相關(guān)紅外氣體分析器183.4.4半導(dǎo)體紅外氣體分析器193.4.5傳感器的選擇194系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能組成234.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖235硬件設(shè)計245.1前置放大模塊245.1.1放大器選型245.1.2前置放大模塊電路圖265.2信號處理模塊275.2.1MCU的選型275.2.2MCU集成ADC295.2.3單片機最小系統(tǒng)電路305.3輸入/輸出模塊305.3.1LCD顯示315.3.2鍵盤輸入335.3.3通信3

3、45.4電源模塊386軟件功能設(shè)計流程框圖及說明396.1主程序程序流圖406.2數(shù)據(jù)顯示、記錄、上傳406.2.1氣體濃度、溫度顯示406.3程序自動監(jiān)控416.3.1程序自動監(jiān)測416.3.2參數(shù)設(shè)置427系統(tǒng)硬件及軟件調(diào)試448結(jié)論459總結(jié)與體會4610謝辭（致謝）4711參考文獻(xiàn)48 1 前言（緒論）隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大型現(xiàn)代化的石油化工、鋼鐵、煤炭等企業(yè)不斷建成。由于其生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大和自動化程度的提高,在涉及爆炸性物質(zhì)的儲存、運輸以及物料的生產(chǎn)、加工和處理工序的生產(chǎn)過程中,將不可避免地存在爆炸性危險物質(zhì)。同時諸如選用、安裝、檢修、操作規(guī)范等人為因素也都構(gòu)成了至關(guān)重要的防爆安全問

4、題。據(jù)資料介紹,煤礦井下約有三分之二的場所屬于爆炸性危險場所;石油開采現(xiàn)場和煉油廠約60% 80%的場所屬于危險區(qū)域;在化學(xué)工業(yè)中約80%以上的生產(chǎn)車間為危險區(qū)域。另按國際電工委員會的定義,凡涉及防爆安全問題的領(lǐng)域有:煉油、化工企業(yè)、燃油燃?xì)獬溲b、制藥業(yè)、氣體管線和輸配、分析實驗室、表面噴涂工業(yè)、印刷工業(yè)、電子器件制造業(yè)、地下煤礦工業(yè)、污水處理廠、醫(yī)院手術(shù)室、制糖業(yè)、木材加工、糧食處理與儲存、金屬表面研磨等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域中,爆炸性危險物質(zhì)的泄漏是不可避免的,它與空氣混合將形成爆炸性混合物,生產(chǎn)現(xiàn)場一旦出現(xiàn)危險點燃源,將不可避免地導(dǎo)致災(zāi)難性爆炸事故。尤其是近年來隨著城市中心區(qū)域的拓展、企業(yè)數(shù)量

5、的增多、生產(chǎn)規(guī)模的增大、危險化學(xué)品使用量的增加,這無疑對人民生命、城市安全、國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)安全構(gòu)成重大潛在危險。1.1 使用防爆氣體分析儀目的、意義在工業(yè)生產(chǎn)，尤其是石化生產(chǎn)中，許多生產(chǎn)過程具有易燃、易爆、高溫、高壓和有毒等特點，許多工藝介質(zhì)具有強烈的腐蝕性，有些介質(zhì)易結(jié)晶和堵塞管道。測量儀表在這些特殊的場所中使用時必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，解決儀表的防護(hù)問題。在危險區(qū)域中兩類爆炸性危險物質(zhì)粉塵與氣體，其中氣體是主要危險物質(zhì)，同時在石油化工、鋼鐵、煤炭行業(yè)中常要對某些氣體做成分和含量檢測，于是需要使用氣體分析儀。由于檢測環(huán)境的特殊性，要求檢測儀器具備防爆功能與在線檢測能力，使得在危險區(qū)域里對氣體成

6、分和含量做實時檢測，為生產(chǎn)中控制氣體含量提供數(shù)據(jù)參考。不僅具有對氣體做在線檢測的能力，同時具有在爆炸性危險環(huán)境里的防爆能力的儀器。1.2 防爆氣體分析儀國內(nèi)外發(fā)展概況及存在的問題防爆紅外氣體分析儀在國內(nèi)外工業(yè)或其他危險區(qū)域其他監(jiān)測有較為廣泛的應(yīng)用前景和市場。但由于市場中各個公司成品紅外氣體分析儀較為笨重采用薄面微音發(fā)測量氣體，雖然精度較高但是更適合于實驗用。本設(shè)計的指導(dǎo)思想即是：在一定程度上保證氣體監(jiān)測的精度，采用較為新的集成器件或相關(guān)監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)，工業(yè)或一般用途的危險爆炸區(qū)域爆炸性氣體監(jiān)測用儀器。本設(shè)計主要著力于防爆性能的設(shè)計和氣體檢測電路的小型化。以求達(dá)到滿足防爆的前提下選用集成器件實現(xiàn)滿

7、足一般檢測要求的儀器。1.3 關(guān)于選題目前氣體分析儀常用的檢測方法有三類：(1) 熱導(dǎo)式氣體分析根據(jù)不同氣體具有不同熱傳導(dǎo)能力的原理，通過測定混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)來推算其中某些組分的含量。為物理檢測法。(2) 電化學(xué)式氣體分析儀根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所引起的離子量的變化或電流變化來測量氣體成分。為了提高選擇性，防止測量電極表面沾污和保持電解液性能，一般采用隔膜結(jié)構(gòu)。(3) 紅外線吸收式分析儀根據(jù)不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強度可確定被測氣體的濃度。而目前國外較為先進(jìn)的方法是采用紅外原理檢測氣體?？朔藲怏w檢測方法的各種問題，

8、同時具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好等優(yōu)點。具有非常好的前景，同時集成器件的采用、和電子材料的改進(jìn)產(chǎn)生了集成化程度很高的傳感器器件，其外觀尺寸很小，且重量輕一般僅有二十克左右。儀器防爆性的需求，也隨著工業(yè)化能源產(chǎn)品的使用和日常生活中煤氣等廣泛使用，爆炸性危險環(huán)境越來越多，爆炸性氣體檢測需求特別是在工業(yè)生產(chǎn)中有爆炸性氣體出現(xiàn)需要在線檢測警報的場合。因而在選題上，選擇了以紅外原理檢測氣體的防爆氣體檢測儀。2 儀器防爆設(shè)計儀器的防爆設(shè)計是建立在具有防爆安全知識的前提下，對安全隱患有全面的認(rèn)識，具有針對性的使儀器的使用始終處于安全狀態(tài)。2.1 防爆基礎(chǔ)概要2.1.1 爆炸性環(huán)境的形成如前所述,在不少

9、生產(chǎn)過程中有可能出現(xiàn)爆炸性混合物,具體有以下幾種情況:(一) 可燃性氣體與空氣形成爆炸性混合物當(dāng)物料中存在可燃性氣體(如氫氣、乙炔、乙烯、丙烷等)時,如遇盛裝物料的容器密閉不良,管道、閥門泄漏;或安全閥、排氣閥、呼吸閥等動作;或受熱、保冷失效等引起容器內(nèi)壓力猛升,導(dǎo)致容器破裂或爆破片沖破;或使用不當(dāng)、控制不嚴(yán);或設(shè)計不良,排氣未導(dǎo)入火炬等種種因素,都將致使可燃?xì)怏w逸散到生產(chǎn)場所中;或儲存、保管不當(dāng),電石吸潮逸出乙炔,或液化石油氣殘液隨便傾倒等等,也會導(dǎo)致可燃性氣體大量逸散,極易使場所中可燃性氣體濃度升高,達(dá)到爆炸極限而產(chǎn)生爆炸危險。(二) 易燃液體蒸氣與空氣形成爆炸性混合物在某一標(biāo)準(zhǔn)條件下,使

10、液體釋放出一定量的蒸氣而形成可點燃的蒸氣-空氣混合物的液體的最低溫度稱為閃點。不同的可燃性液體具有不同的閃點?？扇夹砸后w的閃點低,表示可燃性液體在低溫下可以形成爆炸性混合物,其危險程度高。(三) 易燃固體蒸氣與空氣形成爆炸性混合物(四) 可燃性粉塵與空氣形成爆炸性混合物可燃性粉塵如淀粉、硫磺粉等,與空氣混合達(dá)到一定比例時,能形成爆炸性混合物。一般情況下,可燃性粉塵的爆炸下限較高,這有利于安全。某些金屬如鎂、鋁、鈦等呈固體塊狀時不易燃燒,但細(xì)粉狀的金屬粉塵是可燃的,它們與空氣混合也能形成爆炸性混合物。2.1.2 可燃?xì)怏w的燃燒與爆炸原因可燃?xì)怏w、易燃液體蒸氣、易燃固體蒸氣、可燃性粉塵等與空氣形成

11、的爆炸性混合物的燃燒速度很快,為每秒數(shù)米至千米,大范圍的強烈爆震速度可高達(dá)每秒數(shù)萬米;這類燃燒的反應(yīng)時間大多為10-210-3s；反應(yīng)產(chǎn)物是大量氣體,并放出大量熱量。由于反應(yīng)速度較快,產(chǎn)生的熱量來不及散失冷卻,于是溫度迅速升高,達(dá)攝氏幾百度到上千度,使氣體膨脹、壓力猛升,進(jìn)而發(fā)生爆炸?？梢?爆炸是快速燃燒的結(jié)果。因此,采取措施消除包括自動化儀表在內(nèi)的電氣設(shè)備的電火花和危險高溫,將有利于防止燃燒,避免爆炸的形成。2.1.3 爆炸物氣體分級、分類、分組(一) 按MESG、MICR分爆炸性氣體應(yīng)按其最大試驗安全間隙(MESG，在GB3638.11與GB3638.12的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗條件下，殼內(nèi)所有濃度

12、的被試驗氣體或蒸汽與空氣的混合物點燃后，通過25mm唱的接合面均不能點燃?xì)ね獗怏w混合物外殼空腔兩部分之間的最大間隙)或最小點燃電流比(MICR，在GB3638.11與GB3638.12的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗條件下，能點燃最易點燃混合物的最小電流)分級，并應(yīng)符合表 21的規(guī)定。表 21最大試驗安全間隙(MESG)或最小點燃電流比(MICR)分級級別最大試驗安全間隙(MESG)mm最小點燃電流比(MICR)A0.90.8B0.5MESG0.90.45MICR0.8C0.50.45(二) 按引燃溫度分組爆炸性氣體應(yīng)按引燃溫度分組，并應(yīng)符合表 22的規(guī)定。表 22引燃溫度分組組別引燃溫度t/T1450tT

13、2300t450T3200t300T4135t200T5100t135T685t1002.1.4 爆炸危險場所的分類、分區(qū)和區(qū)域范圍劃分(一) 爆炸危險場所的分類爆炸危險場所按爆炸性物質(zhì)的物態(tài)，分為氣體爆炸危險場所和粉塵爆炸危險場所兩類。(二) 爆炸性氣體環(huán)境的分區(qū)根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時間把危險場所分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)三個區(qū)域等級。0區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所。1區(qū)：在正常運行時，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所。2區(qū)：在正常運行時，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生并且僅是短時間存在的場所。(三) 爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域范圍劃分爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域劃分應(yīng)

14、根據(jù)生產(chǎn)實際情況按照GB 3836142000和GB 500581992進(jìn)行。2.1.5 儀表的防爆基于爆炸三角形原理，主要用于工業(yè)有效的防爆原理有：(1) 間隙防爆(2) 減小點燃能量防爆(3) 阻止點火源與爆炸性混合物接觸防爆(4) 特定條件的安全措施防爆由上主要設(shè)法排除爆炸要素中的一個或者多個要素，使產(chǎn)生爆炸危險減少到可接受的程度。在國際、國內(nèi)上防爆常用的防爆形式有：(1) 隔爆型（代號：d）隔爆型是外殼防爆，隔離存在的火源。隔爆儀器能承受已經(jīng)進(jìn)入內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且通過外殼上的任何接合面或空不會引燃一種或多種氣體或蒸汽所形成的外部爆炸性環(huán)境的儀表設(shè)備。(2) 本安

15、型（代號：i）本質(zhì)安全型，限制點火能量。由本安儀表和關(guān)聯(lián)設(shè)備組成本安電路，在規(guī)定試驗條件下，正常工作或故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定爆炸性氣體。(3) 增安型（代號：e）使用高質(zhì)量絕緣材料、提高導(dǎo)線連接質(zhì)量等措施降低火花或危險溫度產(chǎn)生的可能或保護(hù)設(shè)備不能引燃爆炸性混合物。(4) 正壓型（代號：p）保證內(nèi)部保護(hù)氣體的壓力高于外部環(huán)境壓力，以阻止在不含有可燃性氣體釋放源的外殼內(nèi)形成爆炸性氣體環(huán)境，以保證儀表電器周圍氣體混合物濃度保持在爆炸極限范圍外。(5) 油浸型（代號：o）將設(shè)備或部件整個浸入保護(hù)液中，使設(shè)備不能點燃液面上或外殼外爆炸性氣體。(6) 充沙型（代號：q）將能點燃爆炸性

16、氣體的導(dǎo)電部件固定在適當(dāng)位置上,且完全埋入填充材料(石英或玻璃顆粒)中,以防止點燃外部爆炸性氣體環(huán)境。(7) 澆封型（代號：m）將整臺設(shè)備或其中部分澆封在澆封劑中,在正常運行和認(rèn)可的過載或認(rèn)可的故障下不能點燃周圍的爆炸性混合物的電氣設(shè)備(8) “n”型專門適合于2區(qū)爆炸性氣體危險場所使用的電氣設(shè)備防爆型式,具有這種型式的電氣設(shè)備,在正常運行時和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一些條件下,不能點燃周圍的爆炸性氣體環(huán)境。2.2 防爆儀表的設(shè)計根據(jù)爆炸危險區(qū)劃分,GB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防爆型式、氣體組別、溫度等級以及項目規(guī)定,就可以正確選擇儀表的防爆等級。與此同時，防爆型的紅外氣體分析儀的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)需要測量分許氣體的具體環(huán)

17、境根據(jù)環(huán)境確定防爆形式。而防爆電氣設(shè)備的選型是原則：(1) 防爆電氣設(shè)備的選型原則是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。(2) 防爆電氣設(shè)備應(yīng)根據(jù)爆炸危險區(qū)域的等級和爆炸危險物質(zhì)的類別、級別和組別選型因而有根據(jù)區(qū)域類別、氣體蒸氣引燃溫度確定儀表的防爆等級，從而進(jìn)行防爆機箱的設(shè)計。2.2.1 爆炸危險區(qū)確定儀表防爆類型表 23氣體爆炸危險場所用電氣設(shè)備防爆類型適用爆炸危險區(qū)域電氣設(shè)備防爆型式防爆標(biāo)志0區(qū)本質(zhì)安全型(ia級)Exia為0區(qū)設(shè)計的特殊型Exs1區(qū)適用于0區(qū)的防爆型式本質(zhì)安全型(ib級)Exib隔爆型Exd增安型Exe正壓外殼型Expx、Expy油浸型Exo充砂型Exq澆封型Exm為1區(qū)設(shè)計的特殊型E

18、xs2區(qū)適用于0區(qū)和l區(qū)的防爆型式n型ExnA、ExnC、ExnR、ExnL、ExnZ正壓外殼型Expz為2區(qū)設(shè)計的特殊型Exs注1：對于標(biāo)有“s”的特殊設(shè)備，應(yīng)根據(jù)設(shè)備上標(biāo)明適用的區(qū)域選用，并注意設(shè)備安裝和使用的特殊條件。注2：根據(jù)我國的實際情況，允許在1區(qū)中使用的“e”型設(shè)備僅限于： 在正常運行中不產(chǎn)生火花、電弧或危險溫度的接線盒和接線箱，包括主體為“d”或“m”型，接線部分為“e”型的電氣產(chǎn)品； 配置有合適熱保護(hù)裝置(見GB 383632000附錄D)的“e”型低壓異步電動機(啟動頻繁和環(huán)境條件惡劣者除外)；     單插頭“e”型熒光燈。

19、0;   注3：用正壓保護(hù)的防爆型式：    Px型正壓將正壓外殼內(nèi)的危險分類從1區(qū)降至非危險，或從類(煤礦井下危險區(qū)域)降至非危險的正壓保護(hù)。    Py型正壓將正壓外殼內(nèi)的危險分類從1區(qū)降至2區(qū)的正壓保護(hù)。    Pz型正壓將正壓外殼內(nèi)的危險分類從2區(qū)降至非危險的正壓保護(hù)。    注4：符號    A無火花設(shè)備；    C有

20、火花設(shè)備，觸頭采用除限制呼吸外殼、能量限制和n-正壓之外的適當(dāng)保護(hù)；    R限制呼吸外殼；    L限制能量設(shè)備；    Z具有n-正壓外殼。2.2.2 爆炸危險氣體確定設(shè)備類別防爆型式為“e”、“m”、“p”和“q”的電氣設(shè)備應(yīng)為類設(shè)備。防爆型式為“d”和“i”的電氣設(shè)備應(yīng)是A、B、C類設(shè)備，并按表5進(jìn)行選型。防爆型式為“n”的電氣設(shè)備應(yīng)為類設(shè)備，如果它包括密封斷路裝置，非故障元件或限能設(shè)備或電路，那么該設(shè)備應(yīng)是A、B或C類，并且按表 2-24進(jìn)行選型。表 2-24氣體蒸

21、氣分類與設(shè)備類別間的關(guān)系氣體蒸氣分類設(shè)備類別AA、B或CBB或CCC2.2.3 防爆機箱的防護(hù)等級及尺寸設(shè)計在GB標(biāo)準(zhǔn)體系中規(guī)定一定的防護(hù)等級IP。由表 25再根據(jù)實際應(yīng)用場合，確定防護(hù)等級要求。同時根據(jù)儀器尺寸要求設(shè)計防爆機箱的外形及安裝尺寸與國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836系列、IEC60127、GB1410等制作實體機箱。表 25 IP防護(hù)等級定義表第一位特征數(shù)字第二位特征數(shù)字0無防護(hù)0無防護(hù)1固定異物直徑大于50 mm1垂直滴水2固定異物直徑大于12 mm2傾角75°90°滴水3固定異物直徑大于2.5 mm3淋水4固定異物直徑大于1.0 mm4濺水5防塵5噴水6塵密6猛烈噴水7

22、短時間浸水8連續(xù)浸水2.2.4 防爆等級與性能的確定經(jīng)過以上明確爆炸危險區(qū)的劃分、確定環(huán)境爆炸性危險氣體以及防爆機箱的防護(hù)等級和尺寸的設(shè)計。從而確定適合的防爆等級標(biāo)志和防護(hù)等級。爆炸危險區(qū)域：0、1、2區(qū)氣體、蒸氣與設(shè)備類別機箱防護(hù)等級及尺寸具有特定防爆功能等級的實物機箱圖 21防爆機箱防爆等級確定流程另外，在設(shè)計過程中要考慮機箱內(nèi)部儀器對防爆性能的影響，作權(quán)衡調(diào)整。防爆功能的實現(xiàn)主要靠定制的防爆外殼。3 紅外氣體分析原理及傳感器紅外氣體分析的方法又叫紅外光譜吸收法或紅外式成分檢測法。為氣體檢測方法中光學(xué)類方法。紅外式成分檢測方法是根據(jù)氣體對紅外線的吸收特性來檢測混合氣體中某一組分的含量，由此

23、構(gòu)成的檢測儀器紅外線氣體分析儀。是光學(xué)式分析儀器。紅外氣體分析儀功能是根據(jù)不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強度可確定被測氣體的濃度。3.1 紅外光譜與吸收特性肉眼可見光波長在，紅光的波長最長，紫光的波長最短。紅外線是波長比紅光還要長的光波，波長范圍在。紅外光譜吸收法是利用雙原子分子對紅外光具有特定吸收峰這一特性來實現(xiàn)的，某種氣體只對應(yīng)吸收某種波段處的紅外光能量，這個波段就稱為這一氣體的特定紅外吸收峰，它并不與其他氣體吸收峰干擾，而吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)內(nèi)的濃度有關(guān)，可以通過設(shè)計某種設(shè)備裝置來檢測氣體的濃度。紅外

24、光由一系列處于紅外頻率的單色光組成。大部分非對稱雙原子和多原子分子(等)在紅外區(qū)都有自己特征頻率的吸收頻率。氣體吸收紅外光最強的頻率為該氣體的特征吸收頻率。光穿過氣體時，特征頻率譜線光能就會被氣體吸收，從而使該頻率的光能量減弱。每種氣體在紅外輻射波段都有一條或若干條自己的特征吸收譜線。紅外氣體分析儀主要利用1-25m。并利用紅外線的兩個特征。(1) 輻射能吸收選擇性。各種物質(zhì)分子本身都具有特定的振蕩頻率，只有在紅外光譜的頻率與分子本身的振動頻率相一致的時候，這種分子才能吸收紅外光譜輻射能。因而各種氣體或液體對紅外光譜范圍內(nèi)的波長具有選擇吸收性，不同的分子混合物只能吸收某一波長范圍或幾個波長范圍

25、內(nèi)的紅外輻射能，且具有特征性。下圖為氣體吸收特性示例。圖 31部分氣體紅外光譜表 31部分氣體的特征紅外吸收波長氣體特征紅外吸收波長氣體特征紅外吸收波長(2) 氣體吸收的紅外輻射越多，溫度升高也越多。氣體吸收紅外輻射后溫度上升，若氣體體積一定，則在溫度升高的同時，使氣體壓力增加。3.2 光吸收定律氣體對紅外線的吸收遵循朗伯-比爾定律，紅外線通過物質(zhì)前后的能量變化隨著待測組分濃度的增加以指數(shù)下降。公式表達(dá)為：上式中，為紅外線通過待測組分前的光強度，為紅外線通過待測組分后的光強度，為待測組分的吸收系數(shù)，為待測組分的濃度，為紅外線通過待測組分的長度?？傊?，其他對不同波長的紅外線具有吸收的能力，其吸收

26、的強度取決于待測氣體的濃度。3.3 紅外氣體分析傳感器紅外氣體分析傳感器對氣體的檢測便是基于紅外光對氣體的吸收特性，并由遵循朗伯-比爾定律的光吸收定律，從而得到氣體的測量量。在物理特征上紅外分析儀或紅外分析傳感器分為色散型和非色散型。(1) 非色散型指光源的連續(xù)光輻射全部投射到氣體樣品上，氣體樣品對紅外輻射具有選擇性吸收和積分性質(zhì)，同時采用與樣品具有相同吸收光譜的檢測器測定氣體樣品對紅外光的吸收量，以完成對氣體的定性及定量分析。非色散型分析儀簡單可靠，但功能單一。(2) 色散型是借助分光系統(tǒng)分出單色光，用一定頻率的紅外線聚焦照射被分析的試樣，其中有對應(yīng)氣體的特征頻率的話會有吸收紅外線，再記錄下

27、來信息，從而可以得到全面反映試樣成分特征的光譜，從而推測化合物的類型和結(jié)構(gòu)。具有分析功能強、功能品種多等優(yōu)點。分光系統(tǒng)中主要有濾光片、光柵、干涉儀、聲光調(diào)制濾光器和傅里葉變換型（利用傅里葉紅外線FTIR光譜分析技術(shù)）。3.3.1 檢測原理以的氣體成分檢測為例說明一般傳感器的檢測原理。圖 32如上圖所示，一束紅外線（波長一般）同時照射工作室和參比室，工作室通入被測氣體，參比室的作用是在待測組分為零時使得經(jīng)過兩個氣室照射到紅外探測器上的紅外線強度相等，減少光源波動及環(huán)境變化的影響。參比室中一般充有不吸收紅外線的氣體，如等。如果工作室內(nèi)通過的氣體與參比室一樣不吸收紅外線，則紅外線到達(dá)兩個紅外探測器的

28、強度也相同；若進(jìn)入工作室的氣體中含有一定量的氣體，由于該氣體對波長為的紅外線有較強的吸收能力，因此使到達(dá)紅外探測器的紅外能量有所衰減，其輸出信號也減少。隨著被測氣體中的氣體濃度的增加，測量氣室中對入射的紅外線的吸收程度也相應(yīng)增加，從而是紅外探測器2與1的輸出型號之間的差值變大。因此，根據(jù)該差值的大小獲得被測氣體中的氣體的含量。3.3.2 傳感器結(jié)構(gòu)基于紅外氣體檢測原理而設(shè)計的傳感器，由于對紅外光量差量信息的測量方法的不同，常見紅外傳感器中紅外探測器分為2類：熱探測器和光子探測器。(1) 熱探測器是利用入射紅外輻射引起敏感元件的溫度變化，使其物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量有關(guān)物理參數(shù)的變化可確定

29、探測器所吸收的紅外輻射。主要類型有：熱釋電型、熱電堆型、熱敏電阻型、薄膜微音電容型。(2) 光子探測器是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化， 通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化可以確定紅外輻射的強弱。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器三種。一、 薄膜微音紅外氣體分析器薄膜微音紅外氣體分析器在在線氣體分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大約占在線紅外分析器50的份額。因此以非色散型薄膜微音光熱式傳感器為例結(jié)構(gòu)圖及其檢測原理。如圖 33紅外線氣體分析儀（傳感器）一般結(jié)構(gòu)圖，是非色散型薄膜微音光熱式傳感器結(jié)構(gòu)圖。主要由紅外線輻射光源、氣室、

30、紅外探測器及電器電路部分組成。燈絲1發(fā)出具有一定波長的紅外線，兩部分紅外輻射性分別由兩個拋物體反射鏡聚焦成兩平行光，在同步電機的切光片3的周期性切割作用下，成為兩束脈沖式紅外線。分別進(jìn)入測量室和參比室，再如3.3.1檢測原理所述，進(jìn)入檢測室的紅外線被選擇性吸收，氣體分子的熱運動加強，產(chǎn)生熱膨脹形成壓力變化，由于進(jìn)入檢測室兩側(cè)的紅外線能量不同，左右兩側(cè)氣室的溫度變化導(dǎo)致氣壓變化而不同，促使左側(cè)氣室內(nèi)的壓力大于右側(cè)氣室內(nèi)的氣體壓力，此壓力推動薄膜與定片組成的電容器，他們之間距離的改變使得電容器電容量的變化，因此電容的大型與樣品中待測組分含量存在相關(guān)性。于是測量電容的變化，就可以間接的確定待測組分的

31、濃度，并表現(xiàn)在記錄儀10上。圖 33紅外線氣體分析儀（傳感器）一般結(jié)構(gòu)圖圖 33紅外線氣體分析儀（傳感器）一般結(jié)構(gòu)圖中：1燈絲；2同步電機；3切光片；4測量室；5參比室；6檢測室；7薄膜；8定片；9電容檢測儀；10記錄儀。二、 微流量紅外氣體分析微流量檢測是一種利用敏感元件的熱敏特性測量微小氣體流量變化的氣體測量方法。傳感元件是兩個微型熱絲電阻鎳鎘柵和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當(dāng)有氣體流過時，帶走部分熱量使熱絲元件冷卻，電阻變化，通過電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號。西門子公司ULTRAMAT23型微流量紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖 34。圖 341毛細(xì)管氣流通道，2第二層

32、接收氣室，3微流量傳感器，4測量氣室，5切光片，6切光片馬達(dá)，7紅外光源，8反射鏡，9光學(xué)窗口，10可調(diào)滑片，11第一層接收氣室，12第三層接收氣室圖 34微流量檢測器的單光路紅外分析器光學(xué)系統(tǒng)示意圖紅外光源7被加熱到600時發(fā)射出紅外線，由切光片5調(diào)制成頻率為25/3Hz的間斷光束，經(jīng)測量氣室4進(jìn)入檢測器的接收氣室。接收氣室由填充了待測組分的多層串聯(lián)氣室組成，第一層吸收紅外輻射波帶中間位置的能量，第二層吸收邊界能量，二者之間通過微流量傳感器3連接在一起。當(dāng)切光片處于“接通”位置時，第一層接收氣室11填充的待測組分吸收紅外輻射能量后，受熱膨脹，壓力增大，氣流經(jīng)毛細(xì)管通道流向第二層接收氣室2；當(dāng)

33、切光片處于“遮斷”位置時，第一層氣室填充氣體冷卻收縮，壓力減小，第二層氣室的氣流經(jīng)毛細(xì)管通道反向流回第一層氣室。切光片交替通斷，氣流往返流經(jīng)微流量傳感器，便在檢測器電橋兩端產(chǎn)生了交流信號，信號幅度大小與流經(jīng)傳感器的氣體流量成正比，而與待測組分的濃度成反比。微流量傳感器中有兩個被加熱到大約120的鎳格柵，這兩個鎳格柵電阻和兩個輔助電阻形成惠斯通電橋。脈沖氣流反復(fù)流經(jīng)微流量傳感器，導(dǎo)致鎳格柵電阻阻值發(fā)生變化。接收氣室采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)是為了消除干擾組分對測量結(jié)果的影響。在接收氣室中，除填充待測組分外，還根據(jù)被測氣體的組成填充一定比例的干擾組分。干擾組分在第一、二兩層氣室中對紅外輻射的吸收，產(chǎn)生的壓力作

34、用方向相反，相互抵消。在ULTRAMAT23產(chǎn)品中，還設(shè)有第三層接收氣室12，其功能是延長二層氣室的光程長度，吸收紅外輻射邊緣能量，并可通過滑片調(diào)整三層氣室的透光孔徑大小，改變紅外吸收，最大限度地減少某個干擾組分的影響，作用相當(dāng)于一個可調(diào)光錐。三、 氣體濾波相關(guān)紅外氣體分析器氣體濾波相關(guān)檢測是通過將透過相關(guān)輪上參比氣室和分析氣室的紅外光線的比較得出被分析氣體濃度的方法。圖 351光源，2濾波氣室輪，3同步信號發(fā)生器，4干涉濾光片，5測量氣室，6接收氣室，7銻化銦檢測元件濾波氣室輪2上裝有2個濾波氣室，其中一個是分析氣室S，充入氮氣，另外一個是參比氣室R，充入高濃度的待測組分氣體。兩種濾波氣室間

35、隔設(shè)置，當(dāng)濾波氣室輪在馬達(dá)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，分析氣室和參比氣室輪流進(jìn)入光路系統(tǒng)，形成時間上分割的測量、參比雙光路。當(dāng)分析氣室,S進(jìn)入光路時，由于S中充的是氮氣，對紅外光不吸收的，光束全部通過，進(jìn)入光路系統(tǒng)形成測量光路。當(dāng)參比氣室R進(jìn)入光路時，由于R中充的是待測組分氣體，紅外光中的特征吸收波長部分幾乎被完全吸收，其余部分進(jìn)入光路系統(tǒng)形成參比光路。光源發(fā)出的紅外光中能被待測組分吸收的僅僅是一小部分，為了提高儀器的選擇性，加入了窄帶干涉濾光片4，其通帶中心波長選擇在待測組分的特征吸收峰上，只有特征吸收波長附近的一小部分的紅外光能通過濾光片進(jìn)入測量氣室5。接收氣室6是一個光錐縮孔，其作用是將光路中的紅外光

36、全部會聚到檢測元件上。 四、 半導(dǎo)體紅外氣體分析器半導(dǎo)體紅外氣體分析器是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的氣體分析器。圖 36脈沖紅外光源發(fā)射特定頻率的輻射光，輻射光通過氣室被檢測器接收。該儀器所采用的檢測器是熱釋電檢測器，具有兩個檢測通道：分析檢測通道和參比檢測通道。當(dāng)氣室通入時，紅外光在氣室內(nèi)不被吸收，分析檢測通道輸出信號最大。當(dāng)氣室通以待測組分時，紅外光線在氣室內(nèi)被吸收，分析檢測通道輸出信號減小。分析檢測通道輸出信號由于氣室中待測組分的吸收而發(fā)生變化，產(chǎn)生一個與待測組分濃度成比例的輸出信號。參比檢測通道的輸出信號不受被測氣體及其濃度影響，用于反映光源光強的變化，以補償分析檢測通道的輸出信號。光源可以采用

37、電調(diào)制脈沖光源，也可以采用傳統(tǒng)的電機切光廣譜光源。半導(dǎo)體紅外檢測器有：光電檢測器、熱電堆檢測器和熱釋電檢測器等三大類。(1) 光電檢測器具有很高的響應(yīng)率和探測率，但對紅外光線具有選擇性吸收的特性。一種光電檢測器只能檢測位于可檢測波長范圍的紅外線，例如銻化銦檢測器的檢測波長范圍為2-7um，能檢測CO和CO2，但不能檢測NH3和SO2。(2) 熱電堆對溫度非常敏感，溫度影響系數(shù)較大，不適合作為精密儀器的檢測器。(3) 熱釋電檢測器具有波長響應(yīng)范圍廣、檢測精度高、反應(yīng)快的特點，溫度影響系數(shù)比熱電堆要小，因此適合用于高精度測量的氣體分析儀器。圖 37圖 37為熱釋電檢測型的半導(dǎo)體紅外氣體分析器，五、

38、 傅立葉紅外氣體分析器傅里葉變換紅外分析器光學(xué)部分由光源、邁克爾遜干涉儀、樣品室、檢測器(熱釋電檢測器)組成。干涉儀由定鏡M1、動鏡M2和與M1、M2分別成45°角的光束分離器BS組成。定鏡M1固定不動，動鏡M2可沿入射光方向作平行移動。光束分離器BS可讓入射的紅外光一半透過，另一半被反射。光源S發(fā)出的紅外光進(jìn)入干涉儀后，通過BS的光束入射到動鏡M2表面，另一半被BS反射到定鏡M1構(gòu)成光束；光束、又被動鏡M2和定鏡M1反射回到BS，并通過樣品室Sa再被反射到檢測器D。當(dāng)兩束光、到達(dá)D時，其光程差將隨動鏡M2的往復(fù)運動周期性地變化，從而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。信號經(jīng)過放大器、濾波器、AD采樣之后

39、送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。經(jīng)傅立葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)化為吸收光譜，再掃描光譜圖庫，找尋與吸收光譜匹配的譜圖，通過比較計算，得出每種待測組分的濃度。在線傅立葉氣體分析器已用于污染源排放的連續(xù)監(jiān)測，其優(yōu)勢之一是使用一臺儀器可以同時測量多種氣體組分。這一特點適用于燃燒源、有毒廢物焚燒爐以及工業(yè)生產(chǎn)過程。這種儀器最適合測量低分子量化合物（分子量50）。圖 38S光源，M l一定鏡，M 2一動鏡，BS一分束分離器，D檢測器，Sa一樣品室3.4 紅外傳感器的選型紅外氣體分析的傳感器類型較多，同時適用的場合和用途有一定的區(qū)別，關(guān)鍵的是要在清楚各個類型傳感器的優(yōu)缺點與用途的情況下結(jié)合使用場合選擇。3.4.1 薄膜微音紅外

40、氣體分析器薄膜微音紅外氣體分析器的檢測器由鈦金屬薄膜片動極和定極組成，當(dāng)接收氣室內(nèi)的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時，推動電容片相對定極移動，把被測組分濃度轉(zhuǎn)變成電容量變化。一、 性能特點（1）穩(wěn)定性好，非常適合在線使用。（2）靈敏度高，既可以分析常量氣體，又可以分析微量氣體，適用量程范圍廣。例如：分析器的微量量程，。（3）抗背景氣體干擾能力強，只有被檢測器內(nèi)氣體吸收所對應(yīng)的氣體才有靈敏度。（4）環(huán)境溫度影響小。環(huán)境溫度的變化對氣體吸收及檢測器的靈敏度有一定影響，但是如果對光學(xué)部件恒溫（4550），且用軟件補償后，在工作溫度范圍內(nèi)影響誤差可以控制在±1以內(nèi)。（5）當(dāng)儀器劇烈振動時對

41、測量會有一定影響。二、 國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家（1）北京北分麥哈克公司的QGS-08B為模擬式微量分析器；QGS-08D為模擬式常量分析器；QGS-08C為寬屏LED顯示智能化分析器。（2）川儀九廠的PA200-GXH型紅外分析器。（3）ABB公司紅外分析器Uras26型（原H&B公司紅外分析器）。（4）SICK公司S700紅外分析器的MULTOR紅外模塊（原麥哈克公司紅外分析器）。3.4.2 微流量紅外氣體分析器微流量檢測是一種利用敏感元件的熱敏特性測量微小氣體流量變化的氣體測量方法。傳感元件是兩個微型熱絲電阻鎳鎘柵和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當(dāng)有氣體流

42、過時，帶走部分熱量使熱絲元件冷卻，電阻變化，通過電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號。一、 性能特點（1）雙光路的微流量紅外氣體分析器穩(wěn)定性好，可以在線使用。（2）靈敏度高，可以分析微量氣體。（3）檢測器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。（4）檢測器可以串聯(lián)使用，適合同時分析多種組分。（5）檢測器不怕振動，振動對儀器測量無影響。二、 國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家（1）武漢四方光電子有限公司的微流量紅外氣體分析器Gasboard-3000型（新產(chǎn)品），檢測器為該公司自主研發(fā)，可以實現(xiàn)多組分測量。（2）西門子公司的ULTRAMAT6型紅外氣體分析器，雙光路結(jié)構(gòu)，適合在線使用；ULTRAMAT23型紅外氣體分析器，單光路結(jié)構(gòu)，檢測器可以串聯(lián)

43、，實現(xiàn)多組分測量。（3）富士電機的ZRE型微流量紅外氣體分析器；橫河電機的IR100型和IR200型微流量紅外氣體分析器。（4）Rosemount的X-Stream通用型氣體分析器X2GP。（5）德國BUHLER公司，北京雪迪龍公司和成都倍誠公司也生產(chǎn)微流量紅外氣體分析器，微流量檢測器采用西門子產(chǎn)品。3.4.3 氣體濾波相關(guān)紅外氣體分析器氣體濾波相關(guān)檢測是通過將透過相關(guān)輪上參比氣室和分析氣室的紅外光線的比較得出被分析氣體濃度的方法。一、 性能特點（1）水蒸氣或其它干擾組分對透過兩氣室的紅外光線的吸收相同，因此檢測器接收到的能量差值只與被測氣體濃度有關(guān)，抗干擾性能良好。（2）適合小量程測量，可以

44、測量。（3）濾波氣室輪上參比氣室的作用主要是波長參比，消除不同紅外吸收波長氣體的影響。參比氣室不起能量參比作用，因此通常穩(wěn)定性不好，受環(huán)境溫度影響大。不加能量參比邊時不適合在線使用。（4）測量小量程氣體時，氣室為多次反射池，腔體內(nèi)容積大，響應(yīng)時間長。若要減小響應(yīng)時間，需加大氣體流量。二、 國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家（1）北京華云分析儀器研究所（2）英國Servomex公司Xentra4100系列中的Gfx（2）TELEDYNE公司生產(chǎn)的MODEL GFC7000E/7001E/7002E 3.4.4 半導(dǎo)體紅外氣體分析器根據(jù)紅外檢測的基本原理，半導(dǎo)體作為紅外信號探測器檢測特定的氣體。一、 性能特點(1

45、)選擇性好。在對混合氣體檢測時，各種氣體吸收各自對應(yīng)的特征頻率光譜 ，互相獨立，互不干擾(2)不易受有害氣體的影響而中毒、老化(3)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。采用紅外吸收原理檢測氣體，在開機相對短的時間內(nèi)就能正常工作，當(dāng)濃度發(fā)生變化時，也比其他檢測方法能及時做出響應(yīng) (4)防爆性好。紅外吸收原理采用光信號作為檢測工作的信號，需要的電壓低，在礦井、煤氣站等有混合爆炸氣體的場合，不會成為爆炸的點火因素，具有較好的防爆性，屬于本質(zhì)安全型。(5)信噪比高，壽命長，測量精度高，同時系統(tǒng)具有零點自動補償與靈敏度自動補償功能，因而不用定時校準(zhǔn)，使用壽命長。 二、 國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家（1） 北京北分麥哈克公司的Q

46、GS-08E型紅外氣體分析器。（2） 煤炭科學(xué)總院重慶分院的GJG10H型智能紅外甲烷傳感器（3） 西克麥哈克公司的S700型紅外氣體分析器可以配備半導(dǎo)體分析模塊。MCS100E是一種采用熱釋電檢測器的紅外分析器，可在高溫下分析，最多能測量8種氣體組分。（4） 英國城市技術(shù)有限公司（5） Dynament公司專營氣體傳感器，有防爆型可選。（6） E2V公司，有防爆型可選。3.4.5 傳感器的選擇綜合檢測的要求與防爆要求，并權(quán)衡考慮分析儀的實用性和可靠性，紅外傳感器的選擇可考慮半導(dǎo)體紅外氣體的傳感器，可考慮英國城市技術(shù)有限公司、阿爾法公司、Dynament以及E2V公司的傳感器。一般氣體檢測級別

47、的紅外氣體傳感器，選用專注于紅外氣體傳感器的Dynament公司，同時在一般工業(yè)場合中爆炸性氣體一般為烴類化合物于是選取檢測烴類化合物的傳感器，高響應(yīng)測量范圍的high range HC系列中，MSH-HC/TC。器件特性如下：(1) %volume級別的 丙烷 丁烷 天然氣(2) 標(biāo)準(zhǔn)傳感器大小(3) 快速響應(yīng)(4) 內(nèi)置溫度信號(5) 基于溫度補償原理探測器(6) 氣體差分采樣(7) 工作溫度范圍寬(8) 低電壓要求下表是MSH-HC/TC性能參數(shù)。表 32參數(shù)列表最大燈泡電源要求5V DC，最大60mA（50%占空比周期驅(qū)動）最小工作電壓3V DC（50%占空比周期驅(qū)動）驅(qū)動源頻率最小2

48、Hz，典型值3Hz，最大4HzN2時輸出活躍峰峰值電壓12mV（3Hz，50%占空比周期）N2時輸出峰峰值參考電壓4mV（3Hz，50%占空比周期）測量范圍05%Volume 至 0100%Volume分辨力量程的1%預(yù)熱時間尋零點±2%：小于20s（環(huán)境溫度20°C 68°F）至規(guī)定：小于30分鐘（環(huán)境溫度20°C 68°F）響應(yīng)時間T90小于30s（環(huán)境溫度20°C 68°F）零點重復(fù)性滿刻度±1%（環(huán)境溫度20°C 68°F）重復(fù)性精度滿刻度±2%（環(huán)境溫度20°C 6

49、8°F）長期性零點漂移每月滿刻度±1%（環(huán)境溫度20°C 68°F）工作溫度范圍-20°C+50°C (-4°F122°F)存放溫度范圍-20°C +50°C (-4°F122°F)濕度范圍095% RH非冷凝.平均故障間隔時間大于5年溫度信號溫度監(jiān)視熱敏電阻總量17克實物外形如下圖：圖 39產(chǎn)品封裝外形尺寸如下圖： 圖 310圖 3110100%LELCH4典型響應(yīng)圖 3120100%VolumeCH4典型響應(yīng)圖 3130100%LEL丙烷典型響應(yīng)4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能組成整個

50、防爆型紅外氣體分析儀的結(jié)構(gòu)組成主要有：(1) 防爆機箱外殼(2) 紅外氣體分析傳感器(3) 信號處理電路(4) 人機交互模塊4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖防爆氣體分析儀由防爆機箱提供防爆保護(hù)，從機箱特定孔對環(huán)境氣體進(jìn)行測定。紅外氣體分析傳感器在獲得氣體中進(jìn)行分析工作，輸出模擬信號。信號到達(dá)信號處理電路，經(jīng)處理得到含量信息，交由人機交互模塊，供操作人員或者檢測人員讀取使用。防爆機箱紅外氣體傳感器信號處理電路人機交互模塊測量環(huán)境氣體模擬信號含量信息5 硬件設(shè)計儀器的硬件部分主要包含傳感器、信號處理電路、人機交互模塊。是完成儀器氣體分析功能的基礎(chǔ)。而這三部分組成了儀器的核心，在功能上的相互關(guān)聯(lián)于是設(shè)計時一并進(jìn)

51、行。同時人機交互模塊主要實現(xiàn)的是人對儀器的控制和讀取數(shù)據(jù)，也是輸入/輸出模塊。硬件結(jié)構(gòu)、組成框圖如下：傳感器電源前置放大上位機通信鍵盤CPU數(shù)據(jù)采集與處理LCD顯示AD開關(guān)/復(fù)位傳感器向前置放大傳輸模擬信號，由前置放大處理放大信號送AD，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)入CPU進(jìn)行處理換算為氣體含量數(shù)據(jù)。同時CPU控制下對鍵盤輸入響應(yīng)相應(yīng)操作，LCD顯示，并進(jìn)行與上位機的通信。5.1 前置放大模塊由于傳感器輸出信號為mV級別，要能被信息處理電路接受進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得氣體數(shù)據(jù)。5.1.1 放大器選型由于紅外氣體分析儀對測量精度的要求一般在ppm級別，因而對信號有特殊要求，可考慮儀器放大器或其他高精度放大器

52、。這里選用精密、低噪聲、低輸入、低偏置電流放大器OPx177系列。OPx177系列放大器是Analog Devices, Inc（ADI）公司業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)OP07放大器系列的第四代產(chǎn)品。OPx177系列由極高精度的單通道、雙通道和四通道放大器組成，具有極低失調(diào)電壓和漂移、低輸入偏置電流、低噪聲及低功耗等特性。使用1000 pF以上容性負(fù)載時輸出穩(wěn)定，無需外部補償。電源電壓為30 V時，每個放大器的電源電流小于500 A。其內(nèi)置500 串聯(lián)電阻可以保護(hù)輸入信號，允許輸入信號電平高出電源電壓若干伏特，并保證無反相。 與以前的極低失調(diào)電壓、高壓放大器不同，OP1177（單通道）和OP2177（雙通道）放

53、大器提供小型8引腳表面貼裝MSOP和8引腳窄體SOIC兩種封裝。OP4177（四通道）放大器提供TSSOP和14引腳窄體SOIC兩種封裝。此外，采用MSOP和TSSOP封裝的額定性能與采用SOIC封裝的性能相同。MSOP和TSSOP封裝產(chǎn)品僅提供卷帶和卷盤形式。ADI公司憑借專有的工藝技術(shù)和線性設(shè)計專長，生產(chǎn)出了采用8引腳的小型MSOP封裝的高壓放大器且性能優(yōu)于OP07, OP77, and OP177 。在所有采用表面貼裝封裝的高精度放大器中，OPx177系列具有最寬的額定溫度范圍。與JFET放大器不同，其低偏置和失調(diào)電流對環(huán)境溫度相對不敏感，即使環(huán)境溫度達(dá)到125°，該特性仍然保

54、持穩(wěn)定。表 51OP1177器件性能參數(shù)低失調(diào)電壓60 V（最大值）極低失調(diào)電壓漂移0.7 V/°C（最大值）低輸入偏置電流2 nA（最大值）低噪聲8 nV/Hz（典型值）共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)和AVO> 120 dB（最小值）低電源電流每個放大器400 A雙電源供電±2.5 V至±15 V-3dB 帶寬1.3MHz轉(zhuǎn)換速度700mV/µsVos15µVIb500pA輸入噪聲(nV/rtHz)7.9nV/rtHzVcc-Vee供電5 36 V每個放大器Isy500µA工作溫度范圍-40°C+12

55、5°C封裝SOIC，SOPOP1177器件額外特性：(1) 單位增益穩(wěn)定 (2) 無反相 (3) 內(nèi)部保護(hù)電路支持輸入高于電源電壓 圖 51 封裝引腳圖 52 外觀尺寸5.1.2 前置放大模塊電路圖圖 53OP1177構(gòu)成前置放大電路J2是傳感器7腳座，信號從4腳引出，經(jīng)放大、濾波送如ADCIN進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，為單片機接收數(shù)據(jù)。5.2 信號處理模塊該模塊是儀器實現(xiàn)分析功能的核心，以MCU為硬件基礎(chǔ)通過軟件設(shè)計，以完成儀器功能。5.2.1 MCU的選型綜合考慮儀器功能和性能要求，選擇Analog Devices, Inc（ADI）公司8051與AD集成器件MicroConverter ADuC848。一、 ADuC848ADuC848 MicroConverter 16位多通道-型ADC和Flash微控制器完全集成在一個芯片上。美國ADI公司最新推出的一款具有軍品標(biāo)準(zhǔn) 單片最多可帶8路模擬信號輸入轉(zhuǎn)換通道，擴(kuò)展主機/從機模式最多可達(dá)16路模擬輸入通道的微控制器。ADuC848芯片的52引腳MQFP封裝僅為14mm×14mm，最高工作溫度為125°，正常工作最大電流為4.8mA且節(jié)電模式最大電流為20A。所以ADuC848特別適用于開發(fā)在高