基于温度补偿的甲烷检测系统设计与实现

由于现场农田环境的复杂多变性,红外甲烷传感器所测数据的准确性和稳定性受外界环境温度影响较大,因而由温度造成的浓度测量偏差需要补偿。分析温度对浓度测量的影响,采用温度、浓度控制单一变量法,对同一浓度甲烷标准气体在不同温度下作标定实验,研究红外甲烷传感器输出值随温度变化关系,得到补偿温度影响率,结合补偿数据处理算法得到补偿值。针对不同浓度的甲烷气体,进行温度特性实验和温度补偿数据处理,实验结果表明:温度补偿前最大测量误差为0.2%,经补偿后,甲烷浓度测量值随温度变化较小,误差范围为0~0.02%。补偿后传感器稳定性和准确性得到改善,能检测0~5%浓度甲烷气体,检测精度可达40×10-6,满足对CH4气体实时监测需求。     

基于数值迭代的非色散红外二氧化碳高温补偿方法

近些年,CO_2排放的准确计量技术及装备研制是减排工作中亟需解决的重要问题,高温环境下红外CO_2传感器的补偿技术是实现CO_2准确计量的关键技术。采用基于数值迭代的温度补偿方法,实现了40~100℃范围内的非色散红外CO_2传感器的温度补偿。研究结果表明,利用该方法进行温度补偿后的测量误差小于3%。     

NO_2光波导气敏元件的制备及气敏性

采用溶胶-凝胶法(sol-gel)合成了有机硅溶胶,以间甲酚紫(m-Cresol Purple,m-CP)为敏感试剂,研制了m-CP-有机硅复合薄膜/K+交换玻璃光波导NO2气体传感元件。结果表明,该传感元件在室温条件下对NO_2气体具有较高的选择性响应,能检测体积分数为1.0×10~(-9)(V/V0)(信噪比S=15.6)的NO_2气体,响应-恢复时间分别为1 s和8 s。体积分数在1.0×10~(-3)～1.0×10~(-9)(V/V0)范围内输出光强度的变化与气体浓度之间有良好的线性关系(R=0.98),相对标准偏差(RSD)为0.3%～0.9%,表明该传感器检测数据可靠,能够满足低成本、快速、现场检测的需求。     

基于嵌入式系统的汽车尾气检测装置的设计

针对传统汽车尾气检测装置体积大、检测精度低以及实时性差等缺点,设计了一种基于ARM的小型化汽车尾气在线检测装置。该装置以ARM处理器为控制核心,利用非分光红外气体传感器以及NO_x气体传感器检测汽车尾气中的CO、CO_2、HC以及NO_x等气体的浓度,采用相应信号处理电路把传感器输出的电信号转换为与之对应的气体浓度值,并通过无线传输方式把检测结果发送到手持式监测设备上实时显示。实际测试结果表明,该尾气检测装置能有效检测汽车尾气中各种气体的成分,且分辨率达到0.02%,检测精度在3%范围内。     

基于单片机的H2S气体检测仪的设计

本文介绍了利用H2S电化学传感器对H2S气体浓度进行精确检测的单片机硬件电路、工作原理及软件实现方法。所选用的H2S电化学传感器及信号电桥放大电路能满足在常温下对H2S气体高精度、宽范围检测的要求;在软件设计时,对数据的处理采用了线性插值算法。另外。该系统还采用了分级报警的方式。     

智能化超声波液体密度计

设计了超声波探头的结构，给出了详细的探头制作工艺。描述了超声波密度传感器的电路设计，分析了发射电路、接收电路以及智能化单片机信号处理电路等问题。给出了该传感器的一种实用化温度补偿电路及工业上常用汞的测量数据与化学法的对比表。试验证明：经过该电路的设计和温度补偿电路的修正，测试精度达到0．25％，能够满足工业现场的需求。     

基于修正三次样条插值的红外SF6气体传感器高精度标定方法

针对红外SF₆气体传感器存在温漂及标定精度较低的问题，提出一种基于修正三次样条插值的传感器高精度标定方法。采集传感器在不同温度、不同体积分数下的输出电压，按照误差小于总量程的2%为标准设置插值步长，对输出电压-体积分数曲线进行三次样条插值。在此基础上，利用相对误差的平均值修正插值结果。通过线性插值对同一体积分数的温度进行补偿，最终得到SF₆气体体积分数预测模型。对6只红外SF₆气体传感器分别使用三次样条插值、三次Hermite插值和多项式函数拟合的方法进行数据插值标定。结果显示：采用修正三次样条插值的标定方法可将误差控制在1.2%以内，标定的数据合格率达到99%。该方法标定过程简单、精度高，并且考虑了温度的影响，可广泛应用于大批量红外传感器标定。     

微双桥结构氢气传感技术研究

基于催化燃烧式气体传感原理,提出了利用MEMS技术将电化学生长的Al_2O_3膜加工成微双桥结构载体,采用平面薄膜工艺制做铂薄膜热敏电阻,涂敷Al_2O_3-ZrO-Th0-Pd和Al_2O_3-ZrO-Th0形成催化敏感桥臂和温湿度补偿桥臂,实现在微双桥上催化桥臂和补偿桥臂的单片集成,制作出氢气传感器.测试结果表明:传感器可实现体积分数0～40 000×10-6氢气检测,具有线性输出特性,温度为5～45 ℃的传感器的最大零点输出优于±1.0%.     

基于叉指微电极的新能源车电池冷却液电导率变送器设计

针对电动汽车电池冷却液电导率实时监测的需求,提出一种面向新能源车低电导率电池冷却液的电导率变送器。该电导率变送器中电导率传感器采用基于硅基叉指微电极与Pt电阻一体化结构,可同时实现电导率检测与温度传感,极大降低了敏感元件的体积;使用高性能嵌入式处理器芯片作为传感器的控制核心,配合外围检测电路实现温度和电导率数据的采集和处理,应用分段补偿算法实现电池冷却液电导率-20～90℃大温区的温度补偿。经过实际测试,所设计的电导率传感器在0～20μS/cm的量程范围内误差小于±1.5%,满足新能源车电池冷却液的测量精度要求。因此,提出的电导率变送器在电池冷却液电导率测量方面拥有较强的竞争力。     

陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现

具有高浓度、挥发性、强氧化性的液氯、氮氧化物等危化品泄露、爆炸的安全检测一直是一个难点问题,要求检测传感器具有较宽量程和抗腐蚀设计。基于Al N陶瓷的微热板半导体气体传感器阵列设计,采用耐腐蚀的Al N陶瓷为衬底,物理化学性能稳定的Pt膜作为信号和加热器电极,经杂化修饰的In-Nb复合半导体氧化物为敏感材料,结合柔性光刻剥离工艺和激光微加工工艺,制备了陶瓷微板热隔离气体传感器阵列。为验证传感器阵列热结构设计的合理性,进行了有限元热仿真分析,优化了设计结构。经静态气敏测试分析,传感器阵列对浓度体积比500×10~(-6)的Cl_2和100×10~(-6)的NO_2两种气体的气敏响应时间分别为30 s和60 s左右,灵敏度最高分别为275倍和4倍,且在0~500×10~(-6)和0~100×10~(-6)检测范围均具有良好的气敏特性,对Cl_2等高浓度宽量程危化品气体检测具有良好的应用前景。     

基于微流量气体传感器的数据采集系统

系统采用微流量气体热导传感器TCS208F进行H2浓度数据采集,设计了信号调理电路,并在传感器外部设计环境温度控制电路实现传感器的恒温检测.传感器输出的微弱信号经放大电路送入微处理器S3C44B0中进行后续处理,完成H2浓度的数据采集与显示.理论研究和实验表明:该数据采集系统克服了传统热导传感器检测误差大、环境温度补偿困难等诸多问题,具有广阔的应用前景.     

SnO_2/TAPP复合薄膜光波导传感器的气敏性研究

硫化氢(H_2S)是工业废气的主要成分之一,在空气中痕量H_2S气体都会对人体健康造成严重危害,因此,有效地检测H_2S气体至关重要。利用旋转甩涂法分别将SnO_2粉末和5、10、15、20-(四-4-氨基苯基)卟啉(TAPP)固定在K~+离子交换光波导元件表面,制备了SnO_2/TAPP复合薄膜光波导(OWG)气体传感器(SnO_2/TAPP-OWG),在室温下对H_2S气体进行了检测,并考察了旋转速度和TAPP溶液浓度对SnO_2/TAPP-OWG传感器气敏性的影响。实验结果表明,当旋转速度为1 100 r/min并TAPP溶液百分质量浓度为0.42%时,SnO_2/TAPP-OWG传感器对H_2S的响应最佳,并能够检测1×10~(-11)(V/V_0)的H_2S气体。当SnO_2/TAPP-OWG暴露于1×10~(-9)(V/V_0)的H_2S气体时,响应时间和恢复时间分别为2.7和50 s,具有良好的重复性,并且相对标准偏差(RSD)值为3.00%。     

嵌入式网络化智能光纤传感器

强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。为改善传感器的性能，微弱光强信号的检测需要载波调制和双光路补偿。传统的这类传感器通常采用模拟电路实现，存在着元件漂移误差、调校困难、不易组网、尺寸较大等固有的弊端。提出了一种基于DSP的设计方案，并实现了一个嵌入式网络化智能光纤传感器，有效解决了上述问题。研究结果还可应用于其他微弱信号的检测以及传感器的小型化、网络化、智能化等领域。     

基于AD538非线性补偿的氯气探测器

研制了一种基于实时模拟计算芯片AD538非线性补偿的氯气探测器,可在0～5×10-4检测范围内实现1～3 V的线性电压输出.在分析气体传感器灵敏度与气体浓度对应曲线关系基础上,计算出非线性校正函数,设计了R-V变换电路、非线性补偿电路调零电路及基准电压源电路.试验结果表明:此探测器的检测精度为±5%, 响应时间＜20 s.     

高精密三通道微弱信号处理电路的设计

微弱信号的处理是智能检测与控制领域的难题,文中针对高精密气体传感器应用场景,设计完成了高精密三通道微弱信号处理电路。该电路主要应用于高精度非分光红外气体浓度检测,能同时进行氢浓度、二氧化碳(或一氧化碳)浓度、二氧化硫浓度的检测;根据应用场合,设计采用LTC1151CSW运放,经过严格的参数计算、逐级精密放大和滤波,设计了三通道微弱信号处理电路,经过仿真测试,电路信噪比高,总谐波失真(THD)为0,选频特性好,具有最佳平坦特性。通过实验测试,将该电路应用在非分光红外低硫检测系统,实现了1 ppm级别的信号检测。     

种子呼吸CO2浓度检测系统

针对传统种子呼吸CO_2浓度检测方法中检测精度低的问题,为了满足测量需要,提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成,设计种子呼吸容器其空间体积为1.5L,激光器光源采用2 004nm波段,多次反射池光程为16m。然后,基于朗伯比尔定律,通过波长调制吸收光谱技术,利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO_2气体的浓度。测试结果显示:种子呼吸CO_2浓度测量的稳定重复性为0.033%,CO_2浓度的线性拟合度为0.999 38,CO_2浓度检测极限为1.7ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测,获得20g玉米种子呼吸的变化曲线,其12h内变化量为2 750.5ppm,呼吸速率为229.2ppm/h,实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO_2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。     

基于PSO-SVM的矿用CO传感器非线性补偿方法研究

随着矿井环境信息感知、危险源辨识等技术的发展,对气体传感器检测精度和可靠性的要求显著提高。为改善矿用气体传感器的性能,针对气体传感器补偿方法存在的技术难题,提出一种微粒群优化支持向量机(PSO-SVM)的非线性补偿方法。以CO传感器为例,采用Matlab软件进行数值仿真,BP神经网络方法将误差从18.48%降到8.51%,而采用微粒群优化支持向量机方法将误差降到5.28%。实验结果表明:PSO-SVM补偿方法能有效消除非目标参量对传感器输出结果的影响从而完成非线性补偿,提高了矿用CO传感器的可靠性与检测精度。     

TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用

烯烃工业生产过程中的多组分在线检测是对其工业过程有效控制、提高处理装置综合效益的重要手段。本文以在线检测烯烃裂解炉的清焦过程生成的一氧化碳和二氧化碳为应用案例,采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为分析平台进行多组分分析。针对清焦过程,设计了检测0~5%量程CO和CO_2的模拟实验。对气体含量随机分布的19组数据分别采用多变量最小二乘算法(CLS)、单组分偏最小二乘算法(PLS1)和多组分偏最小二乘算法(PLS2)进行建模和评估。在后续的多组分交叉干扰实验和CO_2的扩展量程准确性测试实验中,PLS1模型的最大误差小于±0.05%,PLS2的小于±0.10%,CLS的小于±0.20%。因此,TDLAS技术结合PLS1算法在实现化工过程中的多组分在线检测时具有先进性。     

差分式中红外一氧化碳检测仪的研制

根据CO分子在中红外波段的吸收特性,利用红外热辐射光源(IR55)和双通道热释电探测器(LM244),研制了一种差分式CO检测仪。通过双通道锁相放大器对探测器输出的两路信号进行处理,有效地抑制了系统噪声,提高了仪器的检测精度。介绍了系统的检测原理,给出了光学系统和双通道锁相放大器的实现方案,该锁相放大器能提取的最小标准信号幅度为1 m V,移相误差小于0.2%。利用配备的体积分数为0~1×10~(-3)的CO样品,开展了气体检测实验。实验结果表明:系统的检测下限为1×10~(-5),相对测量误差小于15%。当气体体积分数为0×10~(-6)时,测得浓度的波动范围为-5.2×10~(-6)~6.2×10~(-6)。考虑静态配气时气体在气室中扩散的时间,仪器的响应时间约为58~62 s。同基于量子级联激光器和分布反馈激光器的CO检测仪相比,所研制的仪器具有结构简单、性价比高等优势,在煤矿、环保等场合的CO检测方面具有较好的应用前景。     

高精度电子鼻采样电路设计与检测系统开发北大核心CSCD

电子鼻融合了气体传感器阵列、数据采集电路和模式识别算法,可实现对不同气体的识别与分类。在电子鼻的研发过程和实际应用中,气体传感器阵列的响应、数据采集的精度直接影响着对目标气体的识别准确率。文中以高精度、宽量程采样为目标,设计半导体气体传感器电阻信号的采样电路,结合自动化配气系统提高信号采样稳定性。进一步通过上位机软件设计,研制出可测试多种气体的电子鼻检测系统。对乙醇、甲苯和甲醛3种气体的测试研究表明:该系统能够稳定地实现传感器电阻值信号采样,阻值范围在10 kΩ~100 MΩ,采样误差低于0.31%。结合良好的气体分类效果,展现出电子鼻应用于多组分气体检测的潜力。