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1、安徽建筑工业学院机械与电气工程学院安徽建筑工业学院机械与电气工程学院 本本科科毕毕业业设设计计（论论文文） 课 题： 光电检测方法研究 专 业： 06 自动化 班 级： 2 班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 填表日期： 2 安徽建筑工业学院机械与电气工程学院 二一年六月 摘要摘要 随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿爆炸事故日益增加。我国 是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数以煤为主要能源的国家之一。 在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气 体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程 中产生的有害气体进行
2、高灵敏度检测变得十分重要。通信技术的发展使得光源及 各种光纤器件性能更加完善。因此，在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国 内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电 路实现了完全的电隔离，使系统更加安全可靠。 本文基于差分检测原理，设计了用于气体传感中微弱信号测量的增益可调的 便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核心的低噪声、高灵敏 度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，实现了微弱信号的高精度低噪声检测， 并配以具有极强抗噪性能的24bits模数转换芯片AD7794，完成高分辨率的 数据采集。通过AVR 单片机控制实现电路增益的自动调节，解决了差
3、分检测中存 在的小信号放大，大信号饱和的问题。 关键词：气体传感；光电检测；微弱信号测量；可调增益；数据采集 Abstract Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased everyday.China is the country with the maximal coal yield and consumption,and also is one of the countries using coal as the most ener
4、gy sources. Many kinds of inflammable and explosive gases such as methane(CH4)and carbon monoxide(CO)coexisting in the process caused a series of problem like the safety problem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engendering in the
5、coal mine. 目目 录录 第一章 绪 论 1.1 课题的来源及意义 1.2 光电检测系统概况和发展趋势 1.3 论文的主要工作 第 2 章 气体差分检测中光电检测技术应用的理论基础 2.1 气体差分检测技术原理 2.2 光电检测技术原理 2.3 气体差分检测中光电检测系统总体设计原理 第三章 气体差分检测中光电检测系统的设计 3.1 前置放大电路设计 3.2 自动控制增益电路设计 3.3 主放大电路与滤波电路设计 3.4 数据采集系统 结 束 致 谢 附 录 参考文献： 英文翻译英文翻译 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题的来源和选题的来源和意义意义 利用光电传感器实现各类检测
6、。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量， 并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。 近年来，随着光纤传感技术的飞速发展,光纤气体传感器也得到了广泛的研究 和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不受电磁干扰、可以实现光 信号的长距离传输和现场实时遥测等优点,所以对光电检测方法研究的关注也一 直在增加。光电检测技术的应用是广泛而有前景的，比如说在煤矿灾害事故防范 中，瓦斯爆炸和矿井火灾占很大比例，而且二者常常伴随发生。为了有效地控制 井下事故发生，最大限度地减少人员伤亡事故，加强对甲烷和一氧化碳在井下环 境空气中浓度的实时监测，积极开发对井下有害气体的实时监测系统，将甲烷和
7、一氧化碳气体传感探头安装在井下生产现场中，及时检测环境空气中有害气体的 含量，并将气体传感器与报警装置、保护系统联动，以减少事故的发生。这些措 施对于保障井下职工的身体健康和矿井安全生产具有极其重要的意义。 在本次设计中根据气体差分测量的具体应用，针对微弱信号检测中的稳定性 和噪声问题设计了一种极微弱光电流信号检测电路；本系统采用程控增益可调电 路，有效的检测气体吸收信号的同时很好的解决了参考信号易饱和的问题； 自 动增益系统采用 ADG10204 芯片控制整个光电检测、采集形成一个便携式系统； 系统具有很高的精度和稳定性，能有效的满足气体差分检测的要求的检测系统。 1.21.2 光电检测系统
8、概况和国内外发展情况光电检测系统概况和国内外发展情况 及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和控制已成为煤 炭、石油、化工、环保等部门迫切解决的问题。气体传感技术一直是传感器技术 领域的一个重要前沿课题。光纤传感技术及光电探测技术发展,光纤的本质安全 及便于遥控遥测的特点,使得气体光纤传感检测系统更具有优越性。目前,光谱吸 收型光纤气体传感器是比较接近于实用化的一种气体传感器,本文基于气体的差 分吸收检测原理,以甲烷为实验气体,设计用于检测系统的微弱信号处理电路系统。 随着科技发展的日新月异，光电检测技术已经发展出纳米、亚纳米高精度的 光电测量新技术；小型、快速的微型光、机、电检
9、测系统在各个领域应用越来越 广泛。非接触、快速在线测量已经取代原始的接触式，较缓慢的检测技术，并向 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术方向发展；闭环控制的光电检测系统， 实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电 扫描测量技术等先进的光电检测技术的进步和广泛应用将对人们生活，工业生产 甚至国防科技产生巨大影响和改革。随着光纤传感技术的飞速发展,光纤气体传 感器也得到了广泛的研究和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不 受电磁干扰、可以实现光信号的长距离传输和现场实时遥测等优点,所以对光电 检测方法研究的关注也一直在增加。 1.31.3 论文主要工作论文主
10、要工作 1、系统总体框图的设计 2、前置放大电路的设计 3、自动增益控制电路的设计 4、数据采集系统的设计 第第2 2章章 气体差分检测中光电检测技术应用气体差分检测中光电检测技术应用 2.12.1 气体差分检测技术原理气体差分检测技术原理 2.1.12.1.1 差分吸收光纤传感机理差分吸收光纤传感机理 光波通过介质时,部分被介质吸收和散射,余下的按原来传播的方向继续前进。由 Beer 定律可知，光的吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度与透射光强 满足： (1)(expLcLII o 式中, I、Io分别是透射和入射光强；是一定波长下的单位浓度、单位长度介质 的吸收系数； 是瑞利散射系数；
11、是米氏散射系数；是气体密度波动造成 的吸收系数；L 是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体的浓度。当用光 纤传感系统检测气体时，(1) 式还应包含比例系数K，则可改写为 (2)(expLLcLKII O 仅从(2) 式来确定待测气体的浓度c 是困难的。因为反映平均数, 它随时间变 化, 且是随机量。如果用2个波长(1、1) 相隔极近(但在吸收系数上有很大差 别) 的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，则有： (3)()()()(exp)()()( 1111111 LLcLIKI O (4)()()()(exp)()()( 2222222 LLcLIKI o 由式(3) 和式(4) ,
12、待测气体的浓度可以表示为 )()()()()()( )( )( ln )()( )()( ln )()( 1 212121 2 1 22 11 21 LL I I IK IK L c (5) 由于1、2 相差很小, 并且光是几乎同时接近和通过待测气体的, 可以认为 )()(),()(),()( 212121 这样(5) 式就可以化简为 (6) )()()( )()()( ln )()( 1 122 211 21 IIK IIK L c o o 适当调节光学系统使 (7)()()()( 2211 oo IKIK (6) 式又可简化为 (8) )( )( ln )()( 1 1 2 21 I I
13、L c 由光学上的相近条件,有: 1)()( 21 LC 实际应用中, 波长的光对应检测气体的吸收谱线, 波长的光不被检测气体吸 收(即参考波长) ,在测试过程中为空值, 因此有I ( 1) 1 和I (1 )I (2 ) 1。对ln I(2 )I(1 ) 进行泰 勒展开: (9) )( )()( )1 )( )( (1ln )( )( ln 2 12 2 1 1 2 I II I I I I 所以气体浓度为 (10) )( )()( )()( 1 2 12 21 I II c 在波长1，2下, 若气体的吸收系数1、2可以测量,则气体浓度就可以从 I(1) - I (2) 和I(2) 的测量中
14、求出。这种方式称为差分吸收式。 2.1.22.1.2 差分检测系统工作原理差分检测系统工作原理 当光波通过气体介质时,部分光能量会被气体吸收,剩余部分会继续按照原来 的方向传播。所以通过充有待测气体的气室的光信号的强度会减弱,而光强减弱 的程度与待测气体的浓度有关,根据比尔朗伯定律:.式)exp()()(LCII mo 中：I0 () 为输入光强度；I () 为输出光强；为光的波长；C 为待测气 体浓度；L 为光通过吸收介质的长度；m 为单位长度的介质吸收系数。对上式 进行变换可得:，由式可知,因为L 为已知的定量，根据值可以 )( )( ln 1 I I L C o m 得到m ，所以我们通过测定I0 () 和I () 就可以求出待测的气体浓度C。 不同的气体有不同的吸收谱线,只有光源发出的入射光强位于待测气体吸收谱线 的位置时才能发生上述的气体吸收作用。所以，首要的问题是找到气体的吸收谱 线。 2.1.32.1.3 CH4 的吸收谱线的吸收谱线 甲烷气体具有4 个固有的振动: V 1 =2913.0cm- 1 , V 2 = 1533.3 cm - 1 , V 3 = 3018.9cm- 1 , V 4 = 1305.9 c
