發(fā)布時間：2017-04-13 20:11

  本文關(guān)鍵詞：基于MEMS光源的三橢球體吸收腔室甲烷檢測系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在我國的能源消耗中,煤炭歷來都占據(jù)著重要地位。而我國煤礦多屬于地下煤礦,開采難度大,安全隱患多,盡管國家時刻關(guān)注安全生產(chǎn)工作,但因瓦斯爆炸造成的煤礦安全事故,卻從未中斷。瓦斯爆炸的必備條件之一是甲烷(CH4)氣體在空氣中的濃度必須要達(dá)到5% 16%。所以如果能夠?qū)淄闈舛冗M(jìn)行及時、準(zhǔn)確地檢測,做到只要甲烷濃度處于爆炸限內(nèi)或者處于爆炸上限以上的高濃度區(qū),就可及時讓工作人員撤出礦井,并對井下通風(fēng),稀釋甲烷濃度,就可避免爆炸的發(fā)生或人員的窒息中毒。因此,研制高分辨率、高靈敏度的甲烷傳感器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,國內(nèi)外學(xué)者均在積極運(yùn)用紅外吸收法來實(shí)現(xiàn)甲烷氣體的檢測。紅外吸收法克服了其他檢測法常校準(zhǔn)、誤差大、壽命短等缺點(diǎn),同時擁有檢測速度快、選擇性好、可測光譜寬等眾多優(yōu)點(diǎn)。本文基于紅外吸收原理與單光路雙波長差分吸收法,采用寬波長、高調(diào)制頻率和長壽命的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)紅外光源,設(shè)計(jì)了一種三橢球體結(jié)構(gòu)的紅外吸收氣室,提出一種高分辨率的紅外甲烷傳感器,研究顯示該傳感器對于3.31μm波長紅外光,其檢測到的最小甲烷濃度可達(dá)到1.58ppm,由此使得該紅外甲烷傳感器的檢測分辨率得到了顯著的提高,擴(kuò)展了其使用范圍,不僅適用于礦井,也適用于分辨率要求更高的家庭灶具使用天然氣、管道輸送天然氣時等場合氣體微泄漏的檢測。本文主要研究內(nèi)容如下:1)設(shè)計(jì)三橢球結(jié)構(gòu)吸收氣室。該新型氣室可使紅外光線經(jīng)5次反射后到達(dá)探測器,有效延長了光程;運(yùn)用lighttools軟件對所建立的氣室模型進(jìn)行了分析和研究,根據(jù)得到的模擬圖顯示該氣室對光線實(shí)現(xiàn)了有效地聚焦,光線主要分布于中心條形區(qū)域,并且具有較好的對稱性,集中區(qū)域范圍為縱向?yàn)椤?mm,橫向?yàn)椤?mm,完全覆蓋了熱釋電探測器兩個接收窗口的尺寸范圍,調(diào)整熱釋電探測器位置,使兩個接收窗口的縱橫方向與紅外光線照射分布縱橫方向一致,即可實(shí)現(xiàn)探測器的最大接收;理論分析了該傳感器可檢測達(dá)到的最小甲烷濃度,即達(dá)到了1.58ppm,從理論上驗(yàn)證了本文氣室能夠顯著提高紅外甲烷傳感器的分辨率。2)設(shè)計(jì)mems紅外光源。為了減小光源尺寸以及向傳感器提供高性能光源,本文利用mems技術(shù)設(shè)計(jì)了紅外光源,并就光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各膜層材料選擇進(jìn)行了闡述;為了使光源工作在較高溫度時產(chǎn)生的形變和熱應(yīng)力盡可能地小,運(yùn)用comsolmultiphysics軟件對mems光源模型的厚度參數(shù)進(jìn)行了仿真分析,優(yōu)化得到了sio2支撐層厚度值的最優(yōu)值0.58μm和si3n4鈍化層厚度的最優(yōu)值0.72μm,使得mems紅外光源得到了較高的工作溫度和較小的形變與應(yīng)力,為后續(xù)該光源的實(shí)際制作提供了尺寸參數(shù)。3)進(jìn)行了紅外甲烷傳感器部分電路設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)主要包括電源充電電路、升壓電路、降壓電路、光源穩(wěn)壓驅(qū)動電路以及放大濾波電路等電路的設(shè)計(jì);計(jì)算得到了放大濾波電路放大倍數(shù)的理論值,運(yùn)用proteus軟件對放大濾波電路性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,得到了仿真中該電路的放大倍數(shù),與理論值的吻合較為理想,說明了該電路具有較好的放大效果;通過得到的噪聲圖和幅頻圖得出該放大濾波電路對傳感器中心頻率2Hz之前和之后的噪聲具有較好的抑制效果。4)使用模塊化方法對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),包括主程序、初始化程序、信號采集程序等主要程序的設(shè)計(jì),單片機(jī)調(diào)用各程序來實(shí)現(xiàn)紅外甲烷傳感器的功能。
【關(guān)鍵詞】：甲烷 三橢球體腔室 MEMS光源 電路設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712;TP212
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-19
• 1.1 課題研究背景和意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)14-17
• 1.2.1 國外研究動態(tài)14-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)17-19
• 第二章 紅外甲烷傳感器檢測原理和方法19-25
• 2.1 紅外吸收技術(shù)19-20
• 2.1.1 紅外光譜分析19
• 2.1.2 NDIR技術(shù)19-20
• 2.2 紅外甲烷傳感器檢測原理20-21
• 2.3 差分吸收法21-24
• 2.3.1 雙光路單波長差分吸收法22-23
• 2.3.2 單光路雙波長差分吸收法23-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第三章 紅外吸收氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25-39
• 3.1 紅外吸收氣室的分類25-27
• 3.1.1 直射式紅外吸收氣室25-26
• 3.1.2 反射式紅外吸收氣室26-27
• 3.2 紅外吸收氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)27-29
• 3.2.1 三橢球體吸收氣室結(jié)構(gòu)27-28
• 3.2.2 三橢球體吸收氣室光反射研究28-29
• 3.3 鍍膜材料選擇29-30
• 3.4 三橢球體紅外吸收氣室的仿真研究30-35
• 3.4.1 光學(xué)軟件Light Tools30-31
• 3.4.2 吸收氣室的仿真研究31-35
• 3.5 傳感器分辨率理論推導(dǎo)35-37
• 3.6 本章小結(jié)37-39
• 第四章 MEMS紅外光源的設(shè)計(jì)39-55
• 4.1 前言39
• 4.2 MEMS的材料及技術(shù)39-40
• 4.3 常見紅外光源類型40-43
• 4.3.1 紅外二極管40-41
• 4.3.2 激光器41
• 4.3.3 熱輻射紅外光源41-43
• 4.4 MEMS紅外光源輻射原理43-44
• 4.4.1 工作原理43
• 4.4.2 電光轉(zhuǎn)化率43-44
• 4.5 MEMS紅外光源的設(shè)計(jì)44-47
• 4.5.1 光源材料的選擇44-45
• 4.5.2 MEMS紅外光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)45-47
• 4.6 MEMS紅外光源仿真研究47-53
• 4.6.1 COMSOL Multiphysics仿真軟件47
• 4.6.2 MEMS紅外光源模型參數(shù)優(yōu)化47-53
• 4.7 本章小結(jié)53-55
• 第五章 紅外甲烷傳感器硬件電路及軟件程序設(shè)計(jì)55-71
• 5.1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)55
• 5.2 單片機(jī)的選擇55-56
• 5.3 硬件電路設(shè)計(jì)56-64
• 5.3.1 電源電路56-59
• 5.3.1.1 充電電路56-57
• 5.3.1.2 升壓電路57-58
• 5.3.1.3 降壓電路58-59
• 5.3.2 MEMS紅外光源驅(qū)動電路59-60
• 5.3.3 放大濾波電路60-64
• 5.3.3.1 放大倍數(shù)理論值計(jì)算61-62
• 5.3.3.2 Proteus仿真分析62-64
• 5.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)64-69
• 5.4.1 主程序設(shè)計(jì)64-66
• 5.4.2 初始化子程序設(shè)計(jì)66-67
• 5.4.2.1 定時器初始化子程序設(shè)計(jì)66
• 5.4.2.2 A/D模塊初始化設(shè)計(jì)66-67
• 5.4.3 信號采集設(shè)計(jì)67-69
• 5.5 本章小結(jié)69-71
• 第六章 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 總結(jié)71-72
• 6.2 展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-79
• 致謝79-81
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)成果81

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本文編號：304369