论文总字数：17076字

目 录

1 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本论文的主要工作 2

2 红外甲烷传感器理论基础 3

2.1 NDIR技术 3

2.2 朗伯比尔定律 3

3 红外甲烷传感器硬件设计 4

3.1 系统的总体方案设计 4

3.2 甲烷传感器的光路系统设计 4

3.2.1 红外光源的选择 5

3.2.2 红外探测器的选择 6

3.2.3 采样气室的设计 6

3.3 甲烷传感器的电路系统设计 7

3.3.1 单片机的选择 7

3.3.2 时钟电路模块 8

3.3.3 复位电路模块 8

3.3.4 A/D转换电路模块 9

3.3.5 电路电源驱动模块 9

3.3.6 光路电源驱动模块 10

3.3.7 信号调理电路模块 11

3.3.8 串行通信电路模块 12

4 甲烷红外传感器软件设计 13

4.1 系统软件设计总体流程 13

4.2 红外光源调制的设计 14

5 实验数据获取与误差分析 14

5.1 系统标定实验 14

5.2 甲烷传感器精确度测试 15

5.3 误差分析 16

6 总结与展望 16

6.1 总结 16

6.2 展望 17

参考文献 18

致谢 19

附录 20

1 绪论

1.1选题背景及意义

在常温常压的环境下，甲烷（CH₄）气体的物理特性是没有颜色和没有气味；但在日常生活中，为了让人们及时发现天然气的泄漏避免造成巨大的安全事故，会在天然气中加入一种特殊的气味。在一个标准大气压下，甲烷气体的沸点是-160℃，浓度超过6%就能燃烧。甲烷不仅是一种重要的燃料，而且还能经过物理和化学反应生成其他物体。在高温环境下，CH₄ 分解得到炭黑，在绘画、油漆和橡胶领域有着很多用途。CH₄和氯气在光照条件下能够生成氯仿，是一种重要的溶剂。在工业生产中，CH₄也是一种非常重要、用途广泛的工业原料，能够作为太阳能电池和非晶硅膜气相化学沉积的碳源；能够用作热水器热值的测试标准燃料；用来生产可燃气体报警器的校正气。在医药化工方面也有着很多用途。随着科学技术的不断发展和进步，CH₄的用途越来越多，被运用于各种各样的产业中。

所有的物体都有好的一面和坏的一面，虽然甲烷（CH₄）气体被广泛的运用在日常生活和工业生产的各个领域，但在煤炭开采过程中，CH₄却是一位无情的杀手。在我国，煤炭资源是一种非常富有的化石燃料，所以煤炭开采产业十分兴盛，但是经常会发生煤炭开采事故。每年，全国大约会发生大大小小的煤矿事故2000余起，如煤矿坍塌、井下水灾、火灾和瓦斯爆炸等。其中，瓦斯（CH₄）爆炸就占所有事故的80%，许多矿工会因此丢掉性命，也会给国家带来巨大的经济财产损失，如何做到使煤矿开采变得安全的问题越来越得到人们的关注。甲烷具有很强的渗透能力，超过一定浓度时会代替空气中的氧气，形成一个缺氧的环境，对人体的损伤非常巨大，甚至会威胁人的生命。当空气中甲烷气体的浓度达到5%-16%时，遇明火就会发生爆炸，爆炸时会产生中心温度非常高的火焰，对井下采矿人员造成直接伤害；爆炸后还会产生有毒、有害气体，对井下人员造成二次伤害。

政府在“十二五”规划中，将甲烷传感器列为重要研究项目，投入了巨大的人力、物力和财力来研制甲烷浓度检测仪，但是并没有非常重大的突破，所以实时检测甲烷气体的浓度是一个亟待解决的问题。因此，我们要尽快开展对甲烷气体传感器的研究和制作。

1.2 国内外研究现状

目前检测CH₄气体浓度的方法大约有5种，分别是电子捕获检测法、催化型可燃气体检测法、气相色谱检测法、电化学检测法和红外光谱吸收法。电子捕获检测法是利用不同的气体分子对电子的吸附能力不同，通过对气体分子电荷量的检测，从而间接得出气体浓度值。但是该方法要满足的条件太多，会带来很大的误差，所以不被使用。催化型可燃气体检测法是利用催化燃烧的热效应原理，利用化学中氧化还原的方法，利用催化剂对甲烷气体进行无焰燃烧，在检测元件中可以得到相应的电信号，对电信号的检测可以间接测出CH₄气体的浓度。用该方法制成的传感器使用寿命长、坚实耐用、成本低，但是其测量精度差，所以不适用。气相色谱检测法是利用将内部盛有吸附剂的管柱作为固定相和不断通过管柱的CH₄气体作为移动相之间的相对运动，得到色谱图，实现对CH₄气体浓度的定性和定量的分析。用该方法制成的传感器分离效率高、灵敏度高、选择性好、应用范围广，但是制造成本高，不利于小型化设计。电化学检测法是最早的检测气体浓度的方法，原理是气体分子与传感器电极发生氧化还原反应，在检测元件中得到相应的电流，通过对电信号的检测就能间接测出CH₄气体浓度。用该方法制成的电化学传感器使用寿命长，选择性高，但是测量精度低，所以不采用。红外光谱吸收法是当一束具有连续波长地红外光照射待测气体分子时，该气体分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一样时，该波长的红外光被气体分子所吸收并向高能级进行跃迁。主要是利用气体分子对红外光吸收有选择性的特点，从而测出气体浓度。基于NDIR原理也就是红外光谱吸收法的传感器与以上四种气体传感器进行比较，有着成本低、寿命长、功耗低、精度高和利于小型化设计的特点，并且因其极高的气体选择性难以被取代。因此，此次毕业设计的气体传感器就选择基于NDIR原理的气体传感器。

在早期，国外的发达国家就开始对基于NDIR原理的气体传感器进行研究，在上个世纪的七十年代，德国的一家公司第一次研制出了基于红外光谱吸收原理的一氧化碳检测仪，虽然其精度低、成本高、寿命短、设备笨重，但在当时是一项非常重要的发明，对基于红外光谱吸收原理的气体传感器的发展有着实质性的推动作用。1957年，德国的PerkinElmer公司推出世界首台双光束红外光谱仪137型，是在红外光源领域取得重大研究成果，整个产品成本低，并且测得的数据精度很高。近年来随着技术的不断发展，对红外光源及红外气体传感器的研究制作越来越成熟，制成的气体传感器有着精度高、使用寿命长、测量范围广、功耗低和利用小型化的特点。本文基于红外光谱吸收法的气体传感器在光源电路部分选用现在最新型的红外气体传感器，选取低功耗的电路系统，与其他气体检测仪相比，本系统精度更高、成本更低、设备更小型化、性价比更高。

由于战争和技术设备落后的影响，国内对红外技术的发展非常缓慢。普遍采用在80年代初期的红外气体分析法，这种技术在国外早已被更新的技术所取代，通过这种方法测得的气体浓度有着明显的误差，而且实验成本高，实验设备功耗高并且体积大不便随身携带。随着时代的进步和国家对红外技术的不断重视，我国在红外检测技术方面的研究也取得了实质性的进展，2006年来自大连理工大学的刘敏设计出红外吸收型煤矿甲烷检测仪。它能够随时随地、快速、准确的检测出矿井中甲烷气体的浓度值，并将采样数据实时发送到计算机自动保存，留作日后的大数据分析。该检测仪由各个具有不同功能的模块组成，将各个模块与MSP430单片机镶嵌在一起。在通信方面，选取RS-232串行通信接口，为了防止突然断电时计算机数据丢失选用EEPROM保存数据。该气体检测仪设计先进，性价比高。但与国外的气体检测仪相比，国内产品的检测精度和使用寿命还有待提高。

1.3 本论文的主要工作

在通过对五种气体浓度检测方法的对比和研究之后，本毕业设计将使用基于NDIR原理的甲烷气体传感器。根据红外光谱吸收原理，对气体分子对红外光的吸收有选择性的特点做一个简单的说明，具体叙述CH₄气体吸收红外光谱的理论，并具体解释朗伯比尔定律。根据所需要实现的功能，确定总体的设计方案，根据所需功能的实现进行整个系统的设计说明。光路系统中对红外光源、探测器等一些所需光学器件的选择和采样气室的设计作出说明。电路系统包含光源驱动模块、信号滤波放大和信号处理电路模块、A/D转换电路模块、复位电路模块组成，对每一个模块的工作原理作出具体的说明解释。设计的目的是光路系统将探测器收到的光信号转换成电信号传送到单片机，单片机将电信号转换成数字信号传送到电脑上。在软件设计部分，制作出总体软件系统流程图，在程序运行方面将用到C语言进行编程，然后对传感器进行测试，测量多组数据进行比较，分析误差。最后，总结实验过程中遇到的难点，对自己所做的工作作出点评，对自己的不足反思。

2 红外甲烷传感器理论基础

2.1 NDIR技术

NDIR技术指的是非色散红外检测技术，根据红外光谱吸收理论可知，气体分子对红外光的吸收具有选择性，当一定频率的红外光照射气体分子时，只有当气体分子中某个基团的振动频率与红外光某频率相一致时，光的能量会传递给气体分子，基团吸收一定频率的红外光向上级进行跃迁。不同的气体分子由于振动频率的不同而吸收不同波段的红外光。本文根据CH₄气体对红外光辐射频率吸收有选择特性，保证了测量CH₄气体浓度的精确性。

每种气体分子都处在一个特定的能量层，吸收相应波长处红外光的能量来进行跃迁。CH₄分子中有4个不同大小的基频吸收带，他们的波长分别为3.31μm、3.43μm、6.78μm和

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