微型双气体红外传感器的设计与实现

基于朗伯—比尔吸收定律,利用非分光探测技术设计了双气体红外传感器。设计的红外传感器可以检测CH4和CO2。重点介绍了稳定性好、灵敏度高的反射式气室的设计。该气室对红外光源和红外探测器的位置进行了合理的布局,实现了传感器的微型化设计。经过测试,在CH4和CO2气体体积分数较低的范围内,反射式气室红外传感器的最大测量误差仅为±0.05%。     

新型扁锥腔红外CO2气体传感器系统研究

为提高红外CO2气体传感器测量精度,本文利用非分光红外探测技术设计了以白炽灯红外光源、双通道热电堆红外探测器和扁锥腔体为主要元件构成的新型红外CO2气体传感器。采用Zemax光路仿真分析,研究了新型扁锥腔CO2气体传感器探测面光强分布,并结合ANSYS FLUENT软件对扁锥型气室进行结构优化。以STM32单片机为核心,实现了光源电调制,采用ICL7650放大处理探测器的电信号,再由STM32控制ADC进行信号采集,提高了测量系统的抗干扰能力。在此基础上开展了标定和测试实验,结果表明：在25℃环境中,传感器能够准确检测出0-2000 ppm量程范围内的CO2气体浓度,具有较好的重复性和长期稳定性。三组实验平均相对误差最大为5.2%,重复性误差最大为5.5%,稳定度为2.3%。该研究对红外CO2气体传感器结构优化和测量精度的提高具有参考意义。     

基于GA-BP神经网络的红外CO2传感器湿度补偿研究*

为了提高红外CO2气体传感器的探测灵敏度和精度,首先研究了不同镀膜对非色散扁锥腔CO2气体传感器的红外吸收效率和灵敏度的影响.然后搭建了湿度实验平台,着重研究了环境湿度对气体浓度测量结果的影响.最后,采用遗传算法优化的BP神经网络算法(GA-BP)对传感器进行了湿度补偿.实验结果表明:在室温条件下、0～2000×10-6浓度范围内,镀金腔体的CO2传感器具有更高的红外吸收效率和灵敏度;在40％～80％湿度范围内,CO2气体传感器的测量误差与相对湿度密切相关,最高误差达645×10-6.采用GA-BP算法数据融合补偿后,传感器湿度漂移得到了较好抑制,整体平均误差小于±110×10-6,表明CO2气体传感器的测量精度得到了大幅提升.     

基于GA-WNN温度补偿的红外CO2气体传感器系统研究

为了提高红外CO2气体传感器的探测灵敏度和精度,首先基于计算流体动力学（CFD）仿真计算,研究了传感器腔内气体辐射功率吸收效率与腔体结构之间的关系,模拟结果表明：当圆柱腔体的直径与内壁反射率固定时,腔体结构存在最佳腔长可使传感器红外辐射功率吸收效率达到最大。然后基于CFD仿真的结果设计和实现了CO2气体传感器,并开展了实验比对与验证,进而着重研究了环境温度对气体测量结果的影响。实验结果表明：在5~45oC温度范围内,传感器在0~2000 ppm浓度范围内的测量误差随着温度升高而显著增大。最后采用遗传小波神经网络算法（GA-WNN）对传感器进行了温度补偿,数据融合补偿后传感器的温度漂移得到了较好的抑制,其绝对误差小于±70 ppm,在非样本温度点下,整体平均误差小于±100 ppm,表明CO2气体传感器的测量精度得到了较好的提升。     

新型非分光红外CO2气体浓度分析仪的开发与研究

本文在分析红外检测技术与Lamber-Beer定律的基础上,将电调制光源和新型传感器应用于CO2气体浓度检测仪器中,设计了一种双通道一体化的新型非分光红外CO2气体浓度分析仪.重点介绍了该分析仪的调制光源、气室、传感器及其信号采集、处理电路的设计,并通过后期实验的测试,验证了设计方案的可行性.该分析仪具有精度高、稳定性好、体积小、响应迅速等特点.     

基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器研制

现有基于电化学原理的矿用一氧化碳传感器测量数据易受烷类气体、氢气苯类等气体及矿井环境压力的影响,测量结果误差大,且需定期调校。针对该问题,研制了一种基于微型泵吸式的矿用红外一氧化碳传感器。该传感器基于非分散式红外吸收原理,利用CO气体对4.5μm的红外辐射具有强烈的吸收,通过测量红外辐射的初始能量和红外辐射被气体吸收后的能量,检测出CO气体浓度。针对扩散式一氧化碳传感器检测采样速度慢,检测结果容易受检测环境的风速、温度等外界因素干扰的问题,采用微型泵吸式检测方式,气体通过微型气泵的流动进入红外敏感元件气室,保证了传感器气流的稳定性。6个月的工业性试验结果表明,该传感器相比传统电化学传感器,具有红外波长固定、测量数据不受其他气体影响的优势;使用中,矿用红外一氧化碳传感器的维护周期大于6个月,主要维护操作是清洁处理,无需更换敏感元件及标校。     

人体呼吸CO2浓度监测模型及其实验验证

针对人体呼吸CO2的浓度监测,本文从物理学角度对人体呼吸过程进行合理简化,基于呼吸过程中肺部存在的气体交换以及肺部气体体积与浓度的关系,建立了人体肺部呼吸模型。并针对呼气末CO2(ETCO2)监测,分析了传感器测量与肺内实际情况的差异性,扩展建立了CO2传感器模型。通过搭建主流式非分散红外(NDIR)呼吸CO2浓度监测系统进行验证性实验,该系统采用红外LED及PbSe红外探测器。ETCO2浓度值实测结果与理论模型误差小于0.3%,特征匹配度较高,验证了模型的适用性,实现了人体呼吸CO2浓度监测,并且可以实时反映出被测者的CO2波形图。     

非分光红外二氧化碳浓度测量仪的研究

介绍了一种非分光红外(NDIR)CO2浓度测量仪。从红外辐射与红外吸收的基本原理出发,以双通道气体吸收模型为基础,结合传感器技术,完成了以CO2浓度检测功能为核心的理论分析;围绕红外光源和红外探测器设计了驱动电路和信号处理电路,并把传感器安装在受保护的光路系统中;并且根据实验所得数据改进了浓度计算方法。     

RBF神经网络在红外CO_2传感器压力补偿中的应用研究

在红外CO2传感器的测量过程中,环境总压是一个重要的影响因素。在环境总压变化的情况下做好压力补偿得出正确的CO2气体分压值,对提高传感器的测量精度有重要意义。提出一种基于聚类和梯度法的径向基函数(RBF)神经网络方法,利用它的局部逼近特性,建立起其在红外CO2传感器的非线性压力补偿中的网络模型。实验结果表明:该应用收到了良好的效果。     

基于中红外QCL的痕量CO气体传感器

为了减少CO爆炸给国民经济造成的巨大损伤,提出了一种能够快速地监测环境空气中痕量CO的气体传感器。由于CO分子基频吸收谱带的吸收线强要比泛频带和组合频带的吸收线强高出2～3个数量级,选择激射中心波长为4.65μm中红外量子级联激光器（QCL）作为光源,同时再配合长光程Herriott气室提高了CO体积分数检测下限。同时,该传感器采用单光源双探测器差分光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性。实验表明：该传感器CO体积分数检测下限为2×10-6,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的中红外QCL来测量其它气体。     

智能便携式CO_2生命探测仪的设计

为实现灾后废墟内幸存生命的高精度探测,设计了一种智能型便携式生命探测仪。基于非色散红外吸收式CO2传感器检测狭隙空间内的CO2体积分数,通过间隔采样来完成体积分数变化率的计算;基于嵌入式微处理器设计了模糊推理机,利用救援专家的先验知识,根据狭隙内的CO2体积分数及其变化率探测幸存者的存在和气息的强弱,检测结果通过显示屏和声光报警反馈给抢险人员。实验结果表明:该探测仪合理考虑了存在幸存者时CO2体积分数的实时变化特性,充分利用了救援专家的先验知识,有效提高了狭小空间内的幸存者探测和搜救精度。     

光谱吸收硫化氢气体浓度传感器

提出一种基于红外吸收光谱测量法检测硫化氢气体浓度的方法。分析了硫化氢气体近红外光谱吸收特性,为消除光源不稳定及光电器件的热零点漂移、零点漂移对测量准确度的影响,基于差分吸收检测法设计了硫化氢气体浓度传感器,对硫化氢气体浓度检测进行了实验研究,实验表明该传感器的测量灵敏度可达10-5(10ppm)。     

反射式红外甲烷传感器气室设计

设计给出一种稳定性好、灵敏度高的反射式红外甲烷传感器气室设计过程与测试结果。红外甲烷传感器基于色散型红外吸收光谱法的原理,利用非分光红外探测技术过滤甲烷气体的特征波长以外的光线,再采用双通道补偿技术对气室内部的甲烷气体体积分数进行检测。气室是红外探测器、传输光路、红外光源集成装配体,其结构和性能对器件性能至关重要。气室内壁设计成镀金的旋转抛物面,红外光经抛物面反射成近似平行的光束,该红外光束在气室内部传播过程被气室底盖反射到探测器,增加了甲烷气体的吸收光程,起到了提高气室的灵敏度的作用。设计完成后,经过甲烷环境的测试,反射式气室的稳定性、灵敏度、反应时间等都有良好的表现。     

基于神经网络的矿用红外瓦斯传感器检测模型的研究

文章简要介绍了瓦斯红外检测原理,指出了传统吸收型模型的不足,基于RBF神经网络的非线性逼近能力建立了一种红外瓦斯传感器检测模型,给出了RBF神经网络的组织,并对RBF神经网络进行了训练,得到了红外瓦斯传感器检测模型的RBF神经网络结构。实验结果表明,该模型误差小、精度高,可满足煤矿井下应用的需要。     

新型矿用智能红外吸收瓦斯传感器的研究

针对传统矿用瓦斯传感器的缺点,文章设计了一种基于红外光谱吸收原理的新型瓦斯传感器,介绍了红外吸收检测原理,阐述了红外吸收瓦斯传感器的组成,并给出了瓦斯浓度值的标定和计算方法。实验结果表明,由红外吸收瓦斯传感器测量的浓度值与实际值之间的误差达到了煤安验证的要求。     

一种高灵敏度快速CO_2/水汽分析仪设计

CO2和水汽通量是全球碳循环和水循环的重要特征参数,而碳水通量测量难点在于需要精度高、频率响应快的气体传感器。基于DSP与CPLD作为核心控制与处理模块,设计了一种非分光红外CO2/水汽分析仪。通过与标准气体对比,CO2相对偏差为1.638 mg/m3,精度可达到1×10-6;水汽相对偏差为5.39 mg/m3,精度可达10×10-6。同时,与商业仪器进行了对比测量实验,气体浓度值基本一致,结果表明:该仪器能够准确测定CO2,水汽浓度。     

基于ARM的高温气体温度测试系统

介绍了一种利用红外光谱检测原理实时检测高温气体的便携式系统。采用半导体激光器作为光源的新型红外光谱吸收与高温辐射相结合的方法,设计了高温气体检测的红外传感器;开发了以S3CA480为核心,包括A／D转换模块、键盘输入模块、LED显示模块、串口通信模块在内的ARM中央硬件处理平台。与传统的同类传感器相比,本系统具有响应速度快、高精度等优点;系统采用了ARM嵌入式处理器,实时性好,可脱机运行,携带方便,具有广阔的应用前景。