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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 红外CO气体浓度检测仪的研究与开发 姓名：林喆 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：于洋 20081201 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 随着科学技术的不断发展和人们对温室气体关注的日益提高，在工业生产和 日常生活等诸多方面都越来越需要对 CO2气体的浓度进行监测与控制。目前使用 的 CO2气体浓度分析方法主要有电化学法、电气法、色谱法、红外吸收法等，其 中，红外吸收法因其精度高、稳定性好、响应快、仪器体积小和寿命长等诸多优 点正在成为目前 CO2气体浓度测量领域发展的新方向。 本文在分析红外气体吸收理论与 Lamber-Beer 定律的基
2、础上， 将电调制光源和 新型传感器应用于 CO2气体浓度检测仪中，采用了最小二乘拟合法设计了一种双 通道一体化的新型非分光红外 CO2气体浓度检测仪。本文重点介绍了该检测仪的 调制光源、气室、传感器及其信号采集、处理电路的软硬件设计；全面分析了检 测仪误差产生的原因，在深入研究温度特性实验结果的基础上，采用最小二乘拟 合法建立了红外 CO2气体浓度检测仪的数学模型。进行的一系列实验为所设计的 红外 CO2气体浓度检测仪的分析及改进提供了数据来源，其中包括：温度特性实 验，为检测仪建立数学模型、实现温度补偿提供了可靠的数据；建模结果曲线拟 合实验，验证了所建模型的准确性；稳定性实验，考察了所设计
3、的检测仪在抑制 测量结果漂移方面的有效程度。 本文所设计的红外 CO2气体浓度检测仪实现了全部功能，达到了预期的性能 指标。检测仪的量程为 0%-3.02%；重复性误差为 0.0172%；相对误差为 0.95%； 响应时间小于 1.5s。 实验结果表明， 该检测仪在正常工作条件下能够有效地减小温 度因素造成的测量误差，保证测量精度达标。该检测仪具有精度高、稳定性好、 体积小和响应迅速等特点。 关键词：红外；CO2；气体浓度；误差分析 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract With the continuous development of science and technology,
4、also peoples concerning about greenhouse gas rising, there is a growing demand for CO2 gas concentration monitoring and control in many aspects of industrial production and daily life. At present, the methods of CO2 gas concentration analysis are electrochemical method, electrical method, chromatogr
5、aphy, infrared absorption method and so on. The infrared absorption method with the merits of high accuracy, good stability, fast response, small size equipment and a long life is now becoming the new development orientation of CO2 gas concentration measurement field. This paper applied the least-sq
6、uares curve fitting algorithm also modulated light source and a new sensor into the design of CO2 gas concentration detection instrument which was based on the analysis of infrared absorption theory and Lamber-Beer law. It has designed a new kind of dual-channel non-dispersive infrared CO2 gas conce
7、ntration detection instrument. This paper focuses on the hardware and software design of modulated light source, gas chamber, sensors and signal acquisition, processing circuitry. This paper used the least-squares curve fitting algorithm to establish the mathematical model of infrared CO2 gas concen
8、tration detector which was based on a comprehensive analysis of error production and an in-depth study of its temperature characteristics. A series of experiments was carried out to provide data sources for the improving of infrared CO2 gas concentration detector, including: temperature characterist
9、ics experiment, which provides a reliable data for the establishment of the mathematical model and temperature compensation; modeling results curve fitting experiments to test and verify the accuracy of the mathematical model; experiment of stability character, which can verify the functioning degre
10、e of the detector in inhibiting the drift of measurement result. 沈阳理工大学硕士学位论文 The infrared CO2 gas concentration detector designed in this paper was completed; all function and expected performance index were achieved. The detector has the mea- surement range of 0% -3.02%; repeating error of 0.0172%
11、; relative error of 0.95% and the response time less than 1.5s. The results of the experiments showed that the detector can reduce the temperature influence of the measurement effectively and ensure the me- asurement accuracy in its working conditions. This detector has the distinguishing char- acte
12、ristics of high precision, good stability, small size, rapid response and so on. Key words：infrared; CO2 ; gas concentration; error analysis 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确
13、方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 随着科学技术的不断发展和人民生活水平的日益
14、提高，在工业、农业、医疗、 汽车、空调及环保等方面,都越来越需要对 CO2气体的浓度进行定量监测与控制。 目前使用的 CO2气体浓度检测仪器主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容 式、电导变化型厚膜式等，这些检测仪器存在许多不足之处，例如：对气体的选 择性差、易出现误报，而且系统需要频繁校准，此外，使用寿命也较短，抗震性 较差。因此，开发出灵敏度高、选择性和稳定性好、精度高、体积小的红外 CO2 气体浓度检测仪就成为气体浓度检测领域新的发展方向。 1.1 课题研究的背景及意义 半导体技术、网络技术、通讯技术和软件技术的飞速发展使得智能气体浓度 检测仪器已经逐渐向数字化、自动化、小型化方向发展
15、，并且由于包括微处理器、 单片机在内的大规模集成电路的成本和价格不断的下降，功能和集成度不断提高， 使得许许多多以单片机、微处理器或微型计算机为核心的检测仪器在功能上实现 了智能化，在结构上实现了简单化，在体积上实现了小型化。 近年来，虽然国内研制的红外气体分析仪有很大进步，但大都采用国际上80 年代的红外气体分析部件与结构型式，存在诸多缺陷，例如：使用镍铬丝作为红 外光源，热稳定性差、寿命短、测量误差大；电机机械调制红外光，仪器功耗大、 稳定性差、故障率高、维护困难；薄膜电容微音器或锑化铟(InSb)等作为传感器， 使得仪器对震动十分敏感 1。 随着现代产品的生产越来越精密、严格，要求仪器指
16、标越来越高，需要制作 一种精度更高的气体浓度检测仪器来投入现代化的生产。并且对于不同检测环境 和不同的检测对象，需要制作一种能够适应多种环境的快速气体浓度检测仪，便 于对特定环境下的气体进行浓度检测，并保证其工作的精确度。同时，采用标准 通信接口通信，能够实现整个检测过程的监控与人机交互。红外气体浓度检测技 术在我国无论是在用新技术改造传统产业，还是在替代进口各方面都有明显的优 沈阳理工大学硕士学位论文 2 势，应用范围广泛，具有明显的经济和社会效益。 1.2 红外气体检测技术的现状及发展趋势 1.2.1 红外气体检测技术的现状 红外气体浓度检测技术与其它气体浓度检测技术相比有着很多的优点，在该 领域，世界各国的许多科技工作者都对红外气体浓度检测方法进行了深入的研 究。 早在 20 世纪 70 年代，德国就研制了防爆型红外一氧化碳检测仪 SIGMA-CO，并在1992年研制了其改进型SIGMA-CO-Y。该仪器具有较高的灵敏 度和选择性，其测量范围为 0-0.01%CO，精度6%，测量周期 60s，用于输送带 的早期探火和矿井大气中 C
