示例1-一氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(僅供參考,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 課 程 設(shè) 計 說 明 書光學(xué)測試技術(shù)應(yīng)用課程設(shè)計題目： 學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師姓名： 20 年6月一氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：摘要 一氧化碳是一種對人類和環(huán)境有很大危害性的氣體。由于工業(yè)生產(chǎn)中排放的廢氣大多有毒、易發(fā)生爆炸且其檢測環(huán)境極其惡劣，所以對氣體檢測系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，研究一種高精度、高靈敏度、非接觸式、穩(wěn)定可靠的現(xiàn)代化測量技術(shù)以實現(xiàn)對一氧化碳?xì)怏w濃度的測量具有重義。本文設(shè)計了一種基于近紅外吸收光譜技術(shù)的CO氣體濃度檢測系統(tǒng)，利用分子光譜

2、選擇吸收理論，對一氧化碳?xì)怏w的幾個特征吸收光譜的比較，選擇1.568um作為氧化碳?xì)怏w濃度檢測的特征吸收波長。根據(jù)Lambert-Beer定律以及弱光檢測技術(shù)，采用鎖相放大器的補(bǔ)償法雙通道測量方法，測量一氧化碳?xì)怏w濃度。關(guān)鍵詞：近紅外吸收光譜技術(shù) Lambert-Beer定律 鎖相放大器 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 錄第一章 光譜吸收式氣體檢測原理.41.1 分子光譜選擇吸收理論 .41.2 Lambert-Beer定律41

7、.3 一氧化碳?xì)怏w分子特征吸收譜線的選擇 .51.4 弱光檢測中鎖相放大器的原理 .6第二章 一氧化碳近紅外吸收光譜檢測系統(tǒng)設(shè)計 .72.1直接吸收檢測 .72.2 差分吸收檢測 .72.2.1差分吸收檢測原理 .72.2.2差分吸收檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 9第三章 氣體檢測系統(tǒng)各模塊的選擇及系統(tǒng)性能分析93.1光源的選擇93.2氣室的選擇 103.3光電檢測器的選擇 113.4系統(tǒng)性能分析 11結(jié)論11致謝11參考文獻(xiàn)12附圖13引 言一氧化碳是一種對人類和環(huán)境有很大危害性的氣體。人吸入一氧化碳?xì)怏w后，血液中的血紅蛋白就會與其結(jié)合，從而阻礙了氧氣與血紅蛋白的結(jié)合，導(dǎo)致機(jī)體組織的嚴(yán)重缺氧1。濃度較低的一

8、氧化碳?xì)怏w也會導(dǎo)致如頭痛、耳鳴、疲勞等這些癥狀，如果濃度較高，輕則會有損人的思維和感覺，導(dǎo)致身體的運動能力降低，重則會造成腦部的嚴(yán)重受損甚至出現(xiàn)死亡2。在空氣流通不暢的環(huán)境中，燃煤燃燒不充分產(chǎn)生的煤氣或液化氣管道氣體的泄漏以及工業(yè)生產(chǎn)或采礦產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w非常容易被人體吸入而導(dǎo)致中毒。一氧化碳的比重為，非常接近空氣的比重0.97，所以不容易擴(kuò)散，若是達(dá)到空氣混合爆炸極限，發(fā)生爆炸的可能性極大，因此極易造成重大事故。因此，對人類生產(chǎn)、生活環(huán)境中一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的檢測和報警是與人類自身安全、社會可持續(xù)發(fā)展切實相關(guān)的重要問題。然而大多數(shù)傳統(tǒng)的氣體濃度檢測技術(shù)是采用非光學(xué)法的檢測，如電化學(xué)

9、式氣體濃度傳感器、半導(dǎo)體氣體濃度傳感器等。雖然這些傳感器也能夠達(dá)到比較低的檢測限，但都無法避免穩(wěn)定性差、易中毒、易受電磁干擾等這些缺點。而基于光學(xué)法的氣體傳感器與傳統(tǒng)的非光學(xué)類氣體傳感器比較，其具有高可靠性、低系統(tǒng)運行成本、無需人員值守、可連續(xù)工作、存在表面污染等優(yōu)點，將是氣體檢測技術(shù)新的發(fā)展方向。3本文設(shè)計了一種基于近紅外吸收光譜技術(shù)的CO氣體濃度檢測系統(tǒng)，利用分子光譜選擇吸收理論，對一氧化碳?xì)怏w的幾個特征吸收光譜的比較，選擇1.568um作為氧化碳?xì)怏w濃度檢測的特征吸收波長。根據(jù)Lambert-Beer定律以及弱光檢測技術(shù)，采用鎖相放大器的補(bǔ)償法雙通道測量方法，測量出一氧化碳?xì)怏w濃度。第一

10、章 光譜吸收式氣體檢測原理1.1分子光譜選擇吸收理論光譜學(xué)研究表明當(dāng)氣體分子受到光線照射時，分子的躍遷就要吸收一部分光能量，使透射光強(qiáng)相對于入射光強(qiáng)有所減弱。氣體分子對光能量的吸收具有選擇性，只吸收能量等于躍遷的始末能級的能量之差的光子（E=h），這樣不同的氣體因其能級結(jié)構(gòu)不同，所吸收的光子的能量不同。而光子的能量又和其頻率有關(guān)，不同的氣體會吸收不同頻率的光子。光源的波長只有在與氣體的特征吸收波長重疊時才會導(dǎo)致共振吸收，其吸光度與與該氣體分子濃度存在一定的關(guān)系，吸收后透射光強(qiáng)將不同于入射光強(qiáng)，通過測量兩個光強(qiáng)度就可以得到氣體分子的濃度。1.2 Lambert-Beer定律光吸收定律，即Lamb

11、ert-Beer定律，是研究和計算對光強(qiáng)吸收的最基本的定律。兩條定律構(gòu)成了光吸收定律：第一條是朗伯定律，是Lambert在1760年左右發(fā)現(xiàn)的，朗伯定律指出入射光經(jīng)過介質(zhì)時的吸收光強(qiáng)的量與該介質(zhì)的厚度存在一定的關(guān)系；第二條是比爾定律，是比爾在1852年提出的，比爾定律指出了入射光經(jīng)過介質(zhì)時的吸收光強(qiáng)的量與該介質(zhì)的濃度存在一定的關(guān)系。對于一束光強(qiáng)為I0()的入射光，通過待測氣體吸收氣室后，其強(qiáng)度為： I=I0()e-()CL （1.1）其中I()為經(jīng)氣體吸收后的光強(qiáng)，I0()為初始光強(qiáng)，()為氣體在頻率為處的光譜吸收系數(shù)，C為待測氣體的體積濃度，L為光通過待測氣體的光程。Lambert-Beer

12、定律是進(jìn)行光譜吸收法氣體檢測的基本原理和重要依據(jù)。在已知吸收系數(shù)和吸收光程，通過測量入射光強(qiáng)和吸收的光強(qiáng)，由上式即可計算出待測氣體的濃度。1.3一氧化碳?xì)怏w分子特征吸收譜線的選擇在進(jìn)行CO氣體檢測時，對其特征吸收譜線的選擇非常關(guān)鍵，需要從以下幾個方面進(jìn)行考慮：（1） CO氣體在選定的測量譜線處要有較強(qiáng)的吸收峰。（2） 吸收譜線波長的激光器要相對成熟，易于實現(xiàn)，價格相對便宜。（3） 必須確保在該吸收譜線處其它背景氣體沒有吸收，或是相比CO氣體吸收很微弱，可以忽略。在CO氣體的吸收譜線中，主要有三個主要的吸收峰，波長分別為4.6m、2.33m和1.568m。最大吸收峰值位于4.6m波長處。然而這個

13、吸收波長屬于中紅外波段，需要中紅外光源測量，對光源的濾波器要求高，而中紅外激光器不僅壽命短，價格而昂貴，而且需要設(shè)置冷卻系統(tǒng)，因此不采用4.6m吸收波長作為測量波長。2.33m和1.568m波長的近紅外激光器性能已經(jīng)相當(dāng)成熟，實現(xiàn)起來比較容易，而且價格不高。其屮，1.568m波長的激光器具有相當(dāng)高的成熟度且市場應(yīng)用最為廣泛，可實現(xiàn)單縱模運行。另外背景干擾氣體對被測氣體吸收的影響是方案選擇的重要依據(jù)，所以對于其它干擾氣體在這個位置是否有影響也是一個非常關(guān)鍵的因素。在 1.568m 處，吸收相對明顯的只有CO和CO2，并且CO2的吸收強(qiáng)度要比CO低一個數(shù)量級，可以忽略不計。所以綜上所述采用1.56

14、8m的吸收波長作為測量波長。1.4弱光檢測中鎖相放大器的原理由于環(huán)境溫度改變、紅外光源強(qiáng)度不穩(wěn)定、光強(qiáng)變化量較小以及由于使用近紅外光作為探測波長造成背景噪聲會較大。如果采用直接測量的方法會導(dǎo)致測量精度很低。所以采用弱光檢測中鎖相放大器來降噪以提高精度。鎖相放大器是一種對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器。利用與被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分類有響應(yīng)，故能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比，并且具有很高的檢測靈敏度，且信號處理比較簡單。鎖相放大器實際上是一個模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個直流電壓，正比于是輸入信號

15、中某一特定頻率（參考輸入頻率）的信號幅值，而輸入信號中的其它頻率成份將不能對輸出電壓構(gòu)成任何貢獻(xiàn)。鎖相放大器被用來偵測和量測非常小的交流信號直至數(shù)個 nV。甚至當(dāng)信號被比它大數(shù)千倍噪聲掩蓋時，也可以做正確的量測。 圖1-1鎖相放大器的組成示意圖鎖相放大技術(shù)的四個基本環(huán)節(jié)：（1）通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；（2）在調(diào)制頻率上對有用信號進(jìn)行選頻放大；（3）在相敏檢波中對信號解調(diào)。同步解調(diào)作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；（4）通過低通濾波器對檢波信號進(jìn)行低通濾波。第二章 一氧化碳近紅外吸收光譜檢測系統(tǒng)設(shè)計2.1 直接

16、吸收檢測這是一種最簡單的氣體吸收光譜檢測方法，將待測氣體直接注入到氣室內(nèi)，當(dāng)紅外光源發(fā)出的特征波長的紅外光透過氣室時，用光電探測器檢測透過氣室后紅外光的強(qiáng)度，并且檢測不通過待測氣體時的紅外光的強(qiáng)度。通過入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)的強(qiáng)度變化，確化待測氣體的濃度4。直接吸收檢測法的基本結(jié)構(gòu)圖如所示。圖2-1 直接吸收檢測結(jié)構(gòu)示意圖從透過氣室前后光強(qiáng)的變化來分析被測氣體的濃度是直接吸收光譜技術(shù)的優(yōu)點，無需標(biāo)定、形象直觀，從檢測得到的吸光信號得到光強(qiáng)被氣體吸收的強(qiáng)弱，從反演出待測氣體的濃度。但是直接吸收光譜技術(shù)在應(yīng)用于氣體濃度檢測時，由于環(huán)境溫度改變、紅外光源強(qiáng)度不穩(wěn)定、光強(qiáng)變化量較小、噪聲干擾等因素，致檢測

17、精度很低。2.2 差分吸收檢測2.2.1差分吸收檢測原理為了克服直接檢測的缺點，采用差分吸收檢測以減少噪聲對信號的影響。當(dāng)光經(jīng)過氣體介質(zhì)時，由選擇吸收理論可知，特征波長的光被吸收，部分光被氣體分子散射，剩下的部分光繼續(xù)傳播。因此考慮到光經(jīng)過被測氣體時，散射等因素也會使光強(qiáng)減弱，因此Lambert-Beer定律用以下公式表示更為準(zhǔn)確： I=I0()e-CL+() （2.1）其中()為氣體在頻率為處的光譜吸收系數(shù)，()為氣室中光路干擾因素，C為待測氣體的體積濃度，L為光通過待測氣體的光程。由于干擾因素的隨機(jī)性，僅從上式來分析和測量氣體的濃度非常困難，如果用差分吸收檢測方法則很好的解決了這個問題。為

18、了排除干擾因素的影響，由分光器把光源發(fā)出的光分為兩束，這兩束光完全相同，然后讓一束光經(jīng)過充有待測吸收氣體的氣室，經(jīng)過氣室出射后的光就會帶有被測氣體吸收的信息，出射光強(qiáng)也會受到其他干擾因素的影響。而另一束光則經(jīng)過沒有待測吸收氣體的氣室，經(jīng)過氣室出射后的光信息沒有被測氣體吸收的信息，當(dāng)然這一路的光強(qiáng)也會受到其他干擾因素的影響，且兩條光路的干擾因素相同，這樣兩路出射光的光信號的比就可以排除干擾因素的影響，這就是差分吸收檢測法。2.2.2差分吸收檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差分吸收檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示。采用單波長光源作為該檢測系統(tǒng)的光源，斬波器把光波分為兩路相同的光，一路經(jīng)過被測氣室，另一路射入沒有充入待

19、測氣體的參考?xì)馐?，兩束光的出射光?qiáng)分別為： I=I0()e-CL+() （2.2） Ir()=I0r()e-rCL+r() （2.3）式中帶有下標(biāo)r的屬參考光束的物理量。在系統(tǒng)的初始狀態(tài)，檢測氣室對光的衰減與參考?xì)馐液涂勺兯p器對光的衰減程度不同，經(jīng)過光電檢測器后，輸出的一個帶有噪聲的方波信號。給鎖相放大器提供一個與方波信號同頻同相的參考信號。經(jīng)過鎖相放大器后輸出一個直流信號。將這個直流信號反饋到伺服電機(jī)上，通過伺服電機(jī)調(diào)節(jié)可變衰減器，使其對光的衰減程度緩慢變大。當(dāng)經(jīng)過檢測氣室的測量光A與經(jīng)過參考?xì)馐液涂勺兯p器的參考光B的光強(qiáng)相等時，光電檢測器輸出直流信號，鎖相放大器的輸出為0。伺服電機(jī)停止

20、工作。系統(tǒng)平衡時的，可變衰減器的衰減系數(shù)就是CO氣體對測量的衰減系數(shù)。接下來只要測量出可變衰減器的衰減系數(shù)就可以反推出CO氣體濃度。假設(shè)通過該檢測系統(tǒng)已經(jīng)測出可變衰減器的衰減系數(shù)為，則有以下公式： =lnIinIout=CL （2.4） C=()L （2.5）其中為可變衰減器的衰減系數(shù)，Iin，Iout分別為入射到可變衰減器的光強(qiáng)和從可變衰減器初設(shè)的光強(qiáng)，C為待測氣體的體積濃度，L為光通過待測氣體的光程。圖2-2差分吸收檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第三章 氣體檢測系統(tǒng)各模塊的選擇及系統(tǒng)性能分析3.1光源的選擇為了提高測量精度，盡量使用線寬較窄的激光器作為單色光源。分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB）輸出的激

21、光具有良好的單色性，其輸出的激光光譜線寬小于10MHZ，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)紅外光源發(fā)光的光譜寬度和氣體吸收譜線的寬度，可以實現(xiàn)單線光譜周期性的掃描過被測氣體的吸收譜線，而不會覆蓋其他背景氣體的吸收譜線，排除背景氣體的交叉干擾，提高檢測的靈敏度。DFB激光器通過改變結(jié)溫度和注入電流的方式來調(diào)諧輸出激光的頻率。一般情況下，溫度的調(diào)節(jié)為粗調(diào)，用于確定激光器輸出激光的中心頻率，電流調(diào)節(jié)作為細(xì)調(diào)，使激光器輸出頻率周期改變，周期性的掃描過氣體的整個單吸收譜。圖3-1分布反饋式半導(dǎo)體激光器示意圖3.2氣室的選擇吸收光譜型氣體檢測系統(tǒng)中，氣室的選擇非常重要，是決定檢測精度的重要因素。一氧化碳?xì)怏w近紅外吸收比較弱，光波

22、在氣室中的吸收光程直接影響光強(qiáng)吸收的強(qiáng)弱，系統(tǒng)檢測靈敏度也會直接受到影響。氣室選擇的原則主要有：盡量增大吸收光程；非光譜吸收的光強(qiáng)損耗盡可能??；噪聲盡可能小。采用小型漸變折射率透射氣室，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。這種透鏡能與光纖融合在一起，性能更穩(wěn)定，非光譜吸收的損耗更小，但由于工藝限制，不能做的足夠長。圖3-2小型漸變折射率透射氣室3.3光電探測器的選擇為了提高檢測精度，需采用靈敏度較高的光電探測器。雪崩光電二極管（APD）是一種具有高靈敏度，高響應(yīng)速度的光電探測器。APD雪崩光電二極管是利用載流子的雪崩倍效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測靈敏度。當(dāng)加上足夠高的反向偏壓，即工作在反向穿電壓池VBR附近

23、時，受到光照就會在吸收層產(chǎn)生光生載流子，這些載流子繼而注入倍增層。注入倍增層后的光載流子從強(qiáng)電場中得到很大的能量，進(jìn)而碰撞晶格原子使其電離產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對在電場作用下加速并再次與晶格原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生更多的電子空穴對。這種碰撞電離現(xiàn)象循環(huán)發(fā)生，像雪崩一樣，使光電流在其內(nèi)進(jìn)行倍增，形成可被穩(wěn)定探測的正比于光照強(qiáng)度的電流。圖3-3APD雪崩光電二極管示意圖3.4系統(tǒng)性能分析對于該一氧化碳檢測系統(tǒng)，影響檢測精度的主要因素有：1、 光源不穩(wěn)定，產(chǎn)生隨機(jī)波動，增加了系統(tǒng)的噪聲。2、 由于采用小型漸變折射率透射氣室，使得有光路的一部分是通過光纖傳輸?shù)摹＿@樣就需要考慮光線與光纖的耦合效率，如果耦合效率太低，會使信噪比降低，從而降低了測量的精度。3、 測量精度還取決于光電探測器的靈敏度。靈敏度越高，測量誤差越小