1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 課 程 設 計 說 明 書光學測試技術應用課程設計題目： 學院名稱： 機械工程學院 專業班級： 學生姓名： 指導教師姓名： 20 年6月一氧化碳濃度監測系統設計專業班級： 學生姓名： 指導教師：摘要 一氧化碳是一種對人類和環境有很大危害性的氣體。由于工業生產中排放的廢氣大多有毒、易發生爆炸且其檢測環境極其惡劣，所以對氣體檢測系統提出了更高的要求。因此，研究一種高精度、高靈敏度、非接觸式、穩定可靠的現代化測量技術以實現對一氧化碳氣體濃度的測量具有重義。本文設計了一種基于近紅外吸收光譜技術的CO氣體濃度檢測系統，利用分子光譜

2、選擇吸收理論，對一氧化碳氣體的幾個特征吸收光譜的比較，選擇1.568um作為氧化碳氣體濃度檢測的特征吸收波長。根據Lambert-Beer定律以及弱光檢測技術，采用鎖相放大器的補償法雙通道測量方法，測量一氧化碳氣體濃度。關鍵詞：近紅外吸收光譜技術 Lambert-Beer定律 鎖相放大器 A Design of Carbon Monoxide Gas Concentration Measurement SystemAbstract Carbon Monoxide Gas is a kind of dangerous gas It is seriously harmful to environm

3、ent and people. Emissions detection is the foundation and the key of prevention and control of pollution in the production of industrial. But because most of the exhaust gas are poisonous and explosive, and the testing environment very bad, so gas detection system must achieve higher requirements. T

4、herefore, the study of a modern measurement technology of high precision, high sensitivity, non-contact, stable and reliable have the important meaning to realize the measurement of carbon monoxide gas concentration. In this paper ,a new design of Carbon Monoxide Gas Concentration Measurement System

5、 based on near-infrared absorption spectrum technology has been made. After analyzing the theory of gas molecules absorption and comparing, several absorption spectrum of carbon monoxide gas, It is a great deal to selected 1.568 um as the features absorption wavelength of carbon monoxide gas concent

6、ration measurement. Based on Lambert-Beer law and the technology of weakly light measuring, the system can detect the concentration of carbon monoxide gasKey words near-infrared absorption spectrum technology Lambert-Beer law lock-in amplifier目 錄第一章 光譜吸收式氣體檢測原理.41.1 分子光譜選擇吸收理論 .41.2 Lambert-Beer定律41

7、.3 一氧化碳氣體分子特征吸收譜線的選擇 .51.4 弱光檢測中鎖相放大器的原理 .6第二章 一氧化碳近紅外吸收光譜檢測系統設計 .72.1直接吸收檢測 .72.2 差分吸收檢測 .72.2.1差分吸收檢測原理 .72.2.2差分吸收檢測系統結構 9第三章 氣體檢測系統各模塊的選擇及系統性能分析93.1光源的選擇93.2氣室的選擇 103.3光電檢測器的選擇 113.4系統性能分析 11結論11致謝11參考文獻12附圖13引 言一氧化碳是一種對人類和環境有很大危害性的氣體。人吸入一氧化碳氣體后，血液中的血紅蛋白就會與其結合，從而阻礙了氧氣與血紅蛋白的結合，導致機體組織的嚴重缺氧1。濃度較低的一

8、氧化碳氣體也會導致如頭痛、耳鳴、疲勞等這些癥狀，如果濃度較高，輕則會有損人的思維和感覺，導致身體的運動能力降低，重則會造成腦部的嚴重受損甚至出現死亡2。在空氣流通不暢的環境中，燃煤燃燒不充分產生的煤氣或液化氣管道氣體的泄漏以及工業生產或采礦產生的一氧化碳氣體非常容易被人體吸入而導致中毒。一氧化碳的比重為，非常接近空氣的比重0.97，所以不容易擴散，若是達到空氣混合爆炸極限，發生爆炸的可能性極大，因此極易造成重大事故。因此，對人類生產、生活環境中一氧化碳氣體進行實時、準確的檢測和報警是與人類自身安全、社會可持續發展切實相關的重要問題。然而大多數傳統的氣體濃度檢測技術是采用非光學法的檢測，如電化學

9、式氣體濃度傳感器、半導體氣體濃度傳感器等。雖然這些傳感器也能夠達到比較低的檢測限，但都無法避免穩定性差、易中毒、易受電磁干擾等這些缺點。而基于光學法的氣體傳感器與傳統的非光學類氣體傳感器比較，其具有高可靠性、低系統運行成本、無需人員值守、可連續工作、存在表面污染等優點，將是氣體檢測技術新的發展方向。3本文設計了一種基于近紅外吸收光譜技術的CO氣體濃度檢測系統，利用分子光譜選擇吸收理論，對一氧化碳氣體的幾個特征吸收光譜的比較，選擇1.568um作為氧化碳氣體濃度檢測的特征吸收波長。根據Lambert-Beer定律以及弱光檢測技術，采用鎖相放大器的補償法雙通道測量方法，測量出一氧化碳氣體濃度。第一

10、章 光譜吸收式氣體檢測原理1.1分子光譜選擇吸收理論光譜學研究表明當氣體分子受到光線照射時，分子的躍遷就要吸收一部分光能量，使透射光強相對于入射光強有所減弱。氣體分子對光能量的吸收具有選擇性，只吸收能量等于躍遷的始末能級的能量之差的光子（E=h），這樣不同的氣體因其能級結構不同，所吸收的光子的能量不同。而光子的能量又和其頻率有關，不同的氣體會吸收不同頻率的光子。光源的波長只有在與氣體的特征吸收波長重疊時才會導致共振吸收，其吸光度與與該氣體分子濃度存在一定的關系，吸收后透射光強將不同于入射光強，通過測量兩個光強度就可以得到氣體分子的濃度。1.2 Lambert-Beer定律光吸收定律，即Lamb

11、ert-Beer定律，是研究和計算對光強吸收的最基本的定律。兩條定律構成了光吸收定律：第一條是朗伯定律，是Lambert在1760年左右發現的，朗伯定律指出入射光經過介質時的吸收光強的量與該介質的厚度存在一定的關系；第二條是比爾定律，是比爾在1852年提出的，比爾定律指出了入射光經過介質時的吸收光強的量與該介質的濃度存在一定的關系。對于一束光強為I0()的入射光，通過待測氣體吸收氣室后，其強度為： I=I0()e-()CL （1.1）其中I()為經氣體吸收后的光強，I0()為初始光強，()為氣體在頻率為處的光譜吸收系數，C為待測氣體的體積濃度，L為光通過待測氣體的光程。Lambert-Beer

12、定律是進行光譜吸收法氣體檢測的基本原理和重要依據。在已知吸收系數和吸收光程，通過測量入射光強和吸收的光強，由上式即可計算出待測氣體的濃度。1.3一氧化碳氣體分子特征吸收譜線的選擇在進行CO氣體檢測時，對其特征吸收譜線的選擇非常關鍵，需要從以下幾個方面進行考慮：（1） CO氣體在選定的測量譜線處要有較強的吸收峰。（2） 吸收譜線波長的激光器要相對成熟，易于實現，價格相對便宜。（3） 必須確保在該吸收譜線處其它背景氣體沒有吸收，或是相比CO氣體吸收很微弱，可以忽略。在CO氣體的吸收譜線中，主要有三個主要的吸收峰，波長分別為4.6m、2.33m和1.568m。最大吸收峰值位于4.6m波長處。然而這個

13、吸收波長屬于中紅外波段，需要中紅外光源測量，對光源的濾波器要求高，而中紅外激光器不僅壽命短，價格而昂貴，而且需要設置冷卻系統，因此不采用4.6m吸收波長作為測量波長。2.33m和1.568m波長的近紅外激光器性能已經相當成熟，實現起來比較容易，而且價格不高。其屮，1.568m波長的激光器具有相當高的成熟度且市場應用最為廣泛，可實現單縱模運行。另外背景干擾氣體對被測氣體吸收的影響是方案選擇的重要依據，所以對于其它干擾氣體在這個位置是否有影響也是一個非常關鍵的因素。在 1.568m 處，吸收相對明顯的只有CO和CO2，并且CO2的吸收強度要比CO低一個數量級，可以忽略不計。所以綜上所述采用1.56

14、8m的吸收波長作為測量波長。1.4弱光檢測中鎖相放大器的原理由于環境溫度改變、紅外光源強度不穩定、光強變化量較小以及由于使用近紅外光作為探測波長造成背景噪聲會較大。如果采用直接測量的方法會導致測量精度很低。所以采用弱光檢測中鎖相放大器來降噪以提高精度。鎖相放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。利用與被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分類有響應，故能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比，并且具有很高的檢測靈敏度，且信號處理比較簡單。鎖相放大器實際上是一個模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個直流電壓，正比于是輸入信號

15、中某一特定頻率（參考輸入頻率）的信號幅值，而輸入信號中的其它頻率成份將不能對輸出電壓構成任何貢獻。鎖相放大器被用來偵測和量測非常小的交流信號直至數個 nV。甚至當信號被比它大數千倍噪聲掩蓋時，也可以做正確的量測。 圖1-1鎖相放大器的組成示意圖鎖相放大技術的四個基本環節：（1）通過調制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉移到設定的高頻范圍內。檢測系統變成交流系統；（2）在調制頻率上對有用信號進行選頻放大；（3）在相敏檢波中對信號解調。同步解調作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內；（4）通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波。第二章 一氧化碳近紅外吸收光譜檢測系統設計2.1 直接

16、吸收檢測這是一種最簡單的氣體吸收光譜檢測方法，將待測氣體直接注入到氣室內，當紅外光源發出的特征波長的紅外光透過氣室時，用光電探測器檢測透過氣室后紅外光的強度，并且檢測不通過待測氣體時的紅外光的強度。通過入射光強與透射光強的強度變化，確化待測氣體的濃度4。直接吸收檢測法的基本結構圖如所示。圖2-1 直接吸收檢測結構示意圖從透過氣室前后光強的變化來分析被測氣體的濃度是直接吸收光譜技術的優點，無需標定、形象直觀，從檢測得到的吸光信號得到光強被氣體吸收的強弱，從反演出待測氣體的濃度。但是直接吸收光譜技術在應用于氣體濃度檢測時，由于環境溫度改變、紅外光源強度不穩定、光強變化量較小、噪聲干擾等因素，致檢測

17、精度很低。2.2 差分吸收檢測2.2.1差分吸收檢測原理為了克服直接檢測的缺點，采用差分吸收檢測以減少噪聲對信號的影響。當光經過氣體介質時，由選擇吸收理論可知，特征波長的光被吸收，部分光被氣體分子散射，剩下的部分光繼續傳播。因此考慮到光經過被測氣體時，散射等因素也會使光強減弱，因此Lambert-Beer定律用以下公式表示更為準確： I=I0()e-CL+() （2.1）其中()為氣體在頻率為處的光譜吸收系數，()為氣室中光路干擾因素，C為待測氣體的體積濃度，L為光通過待測氣體的光程。由于干擾因素的隨機性，僅從上式來分析和測量氣體的濃度非常困難，如果用差分吸收檢測方法則很好的解決了這個問題。為

18、了排除干擾因素的影響，由分光器把光源發出的光分為兩束，這兩束光完全相同，然后讓一束光經過充有待測吸收氣體的氣室，經過氣室出射后的光就會帶有被測氣體吸收的信息，出射光強也會受到其他干擾因素的影響。而另一束光則經過沒有待測吸收氣體的氣室，經過氣室出射后的光信息沒有被測氣體吸收的信息，當然這一路的光強也會受到其他干擾因素的影響，且兩條光路的干擾因素相同，這樣兩路出射光的光信號的比就可以排除干擾因素的影響，這就是差分吸收檢測法。2.2.2差分吸收檢測系統結構差分吸收檢測系統結構示意圖如圖2-2所示。采用單波長光源作為該檢測系統的光源，斬波器把光波分為兩路相同的光，一路經過被測氣室，另一路射入沒有充入待

19、測氣體的參考氣室，兩束光的出射光強分別為： I=I0()e-CL+() （2.2） Ir()=I0r()e-rCL+r() （2.3）式中帶有下標r的屬參考光束的物理量。在系統的初始狀態，檢測氣室對光的衰減與參考氣室和可變衰減器對光的衰減程度不同，經過光電檢測器后，輸出的一個帶有噪聲的方波信號。給鎖相放大器提供一個與方波信號同頻同相的參考信號。經過鎖相放大器后輸出一個直流信號。將這個直流信號反饋到伺服電機上，通過伺服電機調節可變衰減器，使其對光的衰減程度緩慢變大。當經過檢測氣室的測量光A與經過參考氣室和可變衰減器的參考光B的光強相等時，光電檢測器輸出直流信號，鎖相放大器的輸出為0。伺服電機停止

20、工作。系統平衡時的，可變衰減器的衰減系數就是CO氣體對測量的衰減系數。接下來只要測量出可變衰減器的衰減系數就可以反推出CO氣體濃度。假設通過該檢測系統已經測出可變衰減器的衰減系數為，則有以下公式： =lnIinIout=CL （2.4） C=()L （2.5）其中為可變衰減器的衰減系數，Iin，Iout分別為入射到可變衰減器的光強和從可變衰減器初設的光強，C為待測氣體的體積濃度，L為光通過待測氣體的光程。圖2-2差分吸收檢測系統結構示意圖第三章 氣體檢測系統各模塊的選擇及系統性能分析3.1光源的選擇為了提高測量精度，盡量使用線寬較窄的激光器作為單色光源。分布反饋式半導體激光器（DFB）輸出的激

21、光具有良好的單色性，其輸出的激光光譜線寬小于10MHZ，遠小于傳統紅外光源發光的光譜寬度和氣體吸收譜線的寬度，可以實現單線光譜周期性的掃描過被測氣體的吸收譜線，而不會覆蓋其他背景氣體的吸收譜線，排除背景氣體的交叉干擾，提高檢測的靈敏度。DFB激光器通過改變結溫度和注入電流的方式來調諧輸出激光的頻率。一般情況下，溫度的調節為粗調，用于確定激光器輸出激光的中心頻率，電流調節作為細調，使激光器輸出頻率周期改變，周期性的掃描過氣體的整個單吸收譜。圖3-1分布反饋式半導體激光器示意圖3.2氣室的選擇吸收光譜型氣體檢測系統中，氣室的選擇非常重要，是決定檢測精度的重要因素。一氧化碳氣體近紅外吸收比較弱，光波

22、在氣室中的吸收光程直接影響光強吸收的強弱，系統檢測靈敏度也會直接受到影響。氣室選擇的原則主要有：盡量增大吸收光程；非光譜吸收的光強損耗盡可能??；噪聲盡可能小。采用小型漸變折射率透射氣室，其結構如圖3-2所示。這種透鏡能與光纖融合在一起，性能更穩定，非光譜吸收的損耗更小，但由于工藝限制，不能做的足夠長。圖3-2小型漸變折射率透射氣室3.3光電探測器的選擇為了提高檢測精度，需采用靈敏度較高的光電探測器。雪崩光電二極管（APD）是一種具有高靈敏度，高響應速度的光電探測器。APD雪崩光電二極管是利用載流子的雪崩倍效應來放大光電信號以提高檢測靈敏度。當加上足夠高的反向偏壓，即工作在反向穿電壓池VBR附近

23、時，受到光照就會在吸收層產生光生載流子，這些載流子繼而注入倍增層。注入倍增層后的光載流子從強電場中得到很大的能量，進而碰撞晶格原子使其電離產生新的電子空穴對。新的電子空穴對在電場作用下加速并再次與晶格原子發生碰撞產生更多的電子空穴對。這種碰撞電離現象循環發生，像雪崩一樣，使光電流在其內進行倍增，形成可被穩定探測的正比于光照強度的電流。圖3-3APD雪崩光電二極管示意圖3.4系統性能分析對于該一氧化碳檢測系統，影響檢測精度的主要因素有：1、 光源不穩定，產生隨機波動，增加了系統的噪聲。2、 由于采用小型漸變折射率透射氣室，使得有光路的一部分是通過光纖傳輸的。這樣就需要考慮光線與光纖的耦合效率，如果耦合效率太低，會使信噪比降低，從而降低了測量的精度。3、 測量精度還取決于光電探測器的靈敏度。靈敏度越高，測量誤差越小