基于MEMS紅外光源的長(zhǎng)光程甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,由石油化工、電力電氣以及煤炭行業(yè)等產(chǎn)生的大量工業(yè)廢氣對(duì)環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重。由此而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)、酸雨以及大氣臭氧層空洞等大氣污染現(xiàn)象早已屢見(jiàn)不鮮。近年來(lái),人們對(duì)生活環(huán)境與健康狀況的關(guān)注意識(shí)日趨增強(qiáng),對(duì)空氣質(zhì)量的檢測(cè)也提出了更高的要求。如何及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)易燃、易爆以及有毒有害氣體的高靈敏度、高可靠性檢測(cè)愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注。因此,設(shè)計(jì)出一種具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、制備工藝簡(jiǎn)單以及價(jià)格低廉等特性的智能化便攜式紅

2、外氣體傳感器具有重大意義。
　　本課題以甲烷作為目標(biāo)氣體,研究了易燃、易爆以及有毒有害氣體的高靈敏度紅外檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)基于紅外光譜吸收原理,結(jié)合雙波長(zhǎng)單光路的差分檢測(cè)方法,采用了一種具有波長(zhǎng)范圍寬、調(diào)制頻率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的小體積微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanic System,MEMS)紅外光源作為紅外輻射源,以積分球?yàn)槲諝馐?有效地實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高精度檢測(cè)。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容如

3、下:
　　(1)與傳統(tǒng)的紅外光源相比較,MEMS紅外光源具有體積小、波長(zhǎng)覆蓋范圍寬、調(diào)制頻率高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),很好地滿足了紅外檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于光源的要求。然而,由于 MEMS紅外光源為具有郎伯分布的面光源,能量太過(guò)于分散,導(dǎo)致可以直接利用的光能量太少。要想使其更好地應(yīng)用于紅外傳感系統(tǒng)中,盡可能發(fā)揮出其自身的優(yōu)勢(shì),就需要對(duì) MEMS紅外光源的光場(chǎng)進(jìn)行一定的整形以收集紅外能量。本論文研究出了兩種不同的光學(xué)系統(tǒng):基于自由曲面反光杯的光學(xué)系

4、統(tǒng)和基于非球面準(zhǔn)直透鏡的光學(xué)系統(tǒng),并使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件TracePro與Zemax分別建立了仿真模型對(duì)上述設(shè)計(jì)理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最終使得MEMS紅外光源的發(fā)散角度從180°壓縮到了15°左右,大大提高了紅外光能量的利用效率。
　　(2)采用積分球作為氣體吸收氣室,光線進(jìn)入內(nèi)壁涂有高反射率膜材料的積分球后,在球壁之間來(lái)回反射,有效增加了紅外光與被測(cè)氣體的有效作用距離,從而提高了紅外傳感系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度及精度。但是,紅外光波在積分球內(nèi)的

5、每一次傳播都具有隨機(jī)性,很難像計(jì)算傳統(tǒng)氣室有效光程那樣,將光波反射次數(shù)與氣室的基本長(zhǎng)度作乘法運(yùn)算就能夠得出光波與被測(cè)氣體的有效傳播距離。本論文中建立了積分球吸收氣室的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)光在傳輸過(guò)程中光通量守恒的原理,推導(dǎo)出了積分球吸收氣室的等效光程,解決了積分球氣室等效光程的計(jì)算難題。
　　(3)提出了傳感系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)方案,為后續(xù)研制出完整的紅外檢測(cè)系統(tǒng)奠定了一定的基礎(chǔ),主要包括MEMS紅外光源的驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)