基于红外传感器的气体检测系统的设计

第一章绪论1.1课题研究的背景随着人类知识的积累和工业生产技术的发展，人类对自然的控制与加工能力越来越强。

在人类社会的各个领域，从工业、农业、商业、国防、通信、交通运输、科学技术直到文化娱乐、教育、医疗乃至家庭生活的每一个角落，自动化设备、智能仪器仪表正延展着人们的感官，精确地执行人的命令，实现着人们过去可望而不可及的愿望。

由于微处理器生产成本的下降，目前各种自动化设备和智能仪器仪表的核心部件通常是由专用的微处理器构成。

这些专用的微处理器在我国一般称为单片机，国外称为微控制器。

单片机广泛用于自动化控制设备、消费电子产品、智能仪器仪表等领域，尤其是在新型智能化小产品开发方面，几乎是单片机一统天下。

单片机是一类特殊的微处理器，它内部的硬件结构与一般为微处理器相同的是都有控制器、运算器和各种专用寄存器。

控制器将时钟振荡器产生的方波脉冲按固定的时间顺序分配给芯片内的各个部件，即产生节拍。

在节拍的作用下控制器按程序计数器中的地址从程序存储器中取回指令进行译码，运算器和各种专用寄存器则根据译码在控制器的控制下有条不紊地进行数据的传递和运算处理。

单片机的应用，打破了人们的传统设计思想。

原来需要使用模拟电路、脉冲数字电路等部件来实现的功能，在应用了单片机以后，无需使用诸多的硬件，可以通过软件来解决问题。

目前单片机已经成为科技、自控等领域的先进控制手段，在人类日常生活中的应用也非常广泛。

(1)工业过程控制中的应用。

单片机的I/O口线多，操作指令丰富，逻辑操作功能强大，特别适用于工业过程控制。

单片机可作主机控制，也可作分布或控制系统的前端机。

单片机具有丰富的逻辑判断和位操作指令，因此广泛应用于开关量控制、顺序控制以及逻辑控制。

(2)家用、民用电器中的应用单片机价格低廉、体积小巧、使用方便，广泛应用在人类生活中的诸多场合，如洗衣机、电冰箱、空调器等。

(3)智能化仪器、仪表中的应用单片机可应用于各类仪器、仪表和设备中，大大地提高了测试的自动化程度与精度，如智能化的示波器、计价器、电表、水表等。

红外光谱技术在气体检测分析中的应用气体灾害对人类和自然的危害日益加重，由于气体的物化特性，常规的探测手段很难高效的实现气体检测的目的，红外高光谱遥感探测手段能够反映场景内的温度信息和光谱信息，是灾害气体检测最有效的手段之一，具有极高的军事和民用价值。

本文以研究气体红外高光谱数据的特点为出发点，实现气体红外高光谱数据的建模与检测，为构建灾害气体的监测体系提供帮助和指导。

标签：红外光谱技术;气体检测分析;特征频率引言：灾害气体在环境中会带有独特的温度特征和光谱特征。

利用红外高光谱探测手段能够有效的利用气体的温度信息和光谱信息，从而对气体进行甄别和检测。

传统的高光谱一般指可见光近红外波段，传统高光谱是对地物目标的反射率信息进行分析，以达到相应的检测目的。

而红外高光谱探测手段是利用对远红外波段的辐射能量进行相应的检测分析，这部分信息主要利用的是目标的辐射信息（温度信息）。

从成像机理上，传统的高光谱和红外波段的高光谱有所不同，所以，研究这两者在成像模型、信号模型、检测模型的异同之处有十分重要的研究意义。

另外，软件和硬件的发展是相辅相成的，红外传感器的发展，伴随着红外遥感相关技术的研究。

目前红外高光谱传感器技术壁垒比较大，红外高光谱数据获取比较难，但红外高光谱数据的应用具有极大的意义和价值。

所以研究气体的红外高光谱数据仿真具有十分重要的意义，对气体以及其他目标物体的红外高光谱辐射特性分析与特征提取具有十分重大的指导意义。

一、红外光谱吸收原理众所周知，光是由许多单一颜色的光组成的，由此可知，红外光是由许多处于红外频率以外的光组成的。

每种气体都具有一种性质：可以吸收对应频率的红外光能量，气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。

当光线穿透气体时，气体吸收特征频率谱线光，导致光的能量下降。

研究表明，每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。

由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的，因此特征吸收频率具有一定的带宽，并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。

气体泄漏自动报警系统设计方案1. 简介本文档旨在提供气体泄漏自动报警系统的设计方案。

该系统旨在监测和检测气体泄漏，并能够准确、迅速地发出警报，以确保人员的安全和防止潜在的事故发生。

2. 系统组成气体泄漏自动报警系统主要包括以下组成部分：2.1. 传感器系统中的传感器用于监测和检测气体泄漏。

传感器应选择合适的类型和参数，以确保对各种气体的泄漏进行准确监测。

常见的气体传感器类型包括电化学传感器、红外线传感器和半导体传感器等。

2.2. 控制器系统的控制器负责接收传感器的信号，并进行数据处理和判断。

控制器应具备高精度和快速响应能力，能够准确地判断是否发生气体泄漏，并触发警报系统。

2.3. 报警装置系统的报警装置用于发出警报信号以提醒人员注意气体泄漏事件。

常见的报警装置包括声光报警器、呼叫系统和短信通知等。

2.4. 数据记录与管理系统应具备数据记录和管理功能，能够记录气体泄漏事件的发生时间、地点和气体浓度等关键信息。

同时，系统还应提供数据查询和报表生成功能，以便后续的数据分析和事故追溯。

3. 系统工作流程气体泄漏自动报警系统的工作流程如下：1. 传感器不断监测气体泄漏情况，并将检测结果传输给控制器。

2. 控制器接收传感器信号，并进行数据处理和判断。

3. 如果控制器判断出发生气体泄漏，它将触发报警装置发出警报信号。

4. 同时，系统将记录气体泄漏事件的相关信息，并进行数据管理和存储。

5. 人员在接收到警报信号后，应按照相应的应急预案进行处置和逃生。

4. 系统优点气体泄漏自动报警系统设计方案的优点包括：- 实时监测和检测能力，能够及时发现和报警气体泄漏事件。

- 高度自动化和智能化，减少人工干预和误判的可能性。

- 数据记录和管理功能，有助于后续的数据分析和事故追溯。

- 多样化的报警装置，能够适应不同环境和人员需求。

- 系统可靠性高，能够提高人员的安全保障。

5. 结论本文档提供了一个气体泄漏自动报警系统设计方案的概述。

独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得桂林电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解桂林电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属桂林电子科技大学。

本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为桂林电子科技大学。

学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密在____年解密后适用本授权书。

本人签名：日期：导师签名：日期：摘 要在众多气体检测方法中，红外气体检测法以其高灵敏度﹑高选择性的特点得到了广泛地应用。

尤其是具有低噪声﹑易调制等优点的半导体激光器光源的出现，进一步提高了红外气体检测法的灵敏度和精度。

鉴于此，本文基于红外吸收光谱法研制了一套水汽检测系统。

本文基于水汽的近红外吸收光谱，研究了近红外吸收光谱法测量的基本原理和方法。

测量的基础为Lamber-Beer定律，在此基础上利用HITRAN数据库选择了水汽在近红外波段的三个波长（一个吸收峰，两个参考波长），采用三波段式方法，更好地消除了测量误差。

选用分布反馈半导体激光器（DFB-LD）作为光源，利用锁相放大技术检测信号，研制了一套水汽浓度检测系统。

该系统主要有光学系统单元﹑激光驱动电路单元﹑光电信号调理电路单元﹑光电信号采集与处理电路单元﹑显示电路单元组成。

系统采用TMS320F2812型号DSP作为核心处理器。

的采样式红外分析仪快20s 。

在传感器件与测量方法上的改进较少，而红外线气体分析仪智能化发展较为迅猛，使得仪器具备自动标定与补偿、自动识别图谱、实效预测和自动进行故障诊断等功能。

中国石化公司针对如何提高红外线气体分析仪的线性稳定性、重复性以及消除其零点漂移性进行了研究，结果表明调节气室长度，对该分析仪器量程进行改造，即将仪器原有0～100µL/L 的量程改为常量测量，与改造前相比，该仪器的稳定性、重复性以及零点均有所改善，因而该举措是行之有效的[4]。

2 红外线气体分析监测系统的应用长沙瑞控公司设计的JNYQ-I-44EX 隔爆型红外线气体分析仪，可实现单组份、双组份气体检测，且可以同时分析三种气体浓度，即两路红外测量和一路氧气测量。

该系统采用智能化数字处理技术实现气体浓度的分析，双气路与双通道的结构设计，有效提高了仪器的稳定性。

并且采用大气压力补偿，可降低环境大气压力变化对仪器测量的影响，电流环输出和开关量输出相互隔离，消除了外界各种干扰对仪器测量的影响，可用于工业流程和科学实验室中在线分析CO 、CO 2、CH 4、SO 2和NO 等气体浓度监测，具有自动化程度高、功能强、操作简便、灵敏度高、稳定性好、数字通信等特点[5-7]。

James 将非分散红外气体分析仪应用于微电子气相沉积过程中，金属烷基酰胺前驱体的测量。

利用非色散红外分析仪可测量气相沉积过程中金属前驱体戊基(二甲基胺)的分压，通过建立二甲基胺吸光度的函数，校准非色散红外分析仪的光学响应密度，并在流动试验中除去的物质质量之间的差异与流量，如重力测量和光学测定，在以上条件下可以检测到二甲基胺[8]。

植物表面附着的微藻与生物膜系统可以降低生物质回收的成本，是解决CO 2问题的一种具有潜力的方法[5]。

通过红外气体分析监测系统能够精确测量藻类生物膜上的CO 2固定能力，优化单细胞微藻的光合作用。

通过考虑样品气体与参比气体之间水蒸气浓度的差异，对气体分析仪进行了校正。

有毒气体检测报警系统的研究随着工业化进程的不断推进，有毒气体的排放和泄漏问题日益严重，对人类健康和生态环境造成了巨大的威胁。

为了及时监测和预警有毒气体的存在，保障人们的生命安全和健康，有毒气体检测报警系统应运而生。

本文将对有毒气体检测报警系统的研究进行探讨，以期为相关领域的研究和工程实践提供一定的参考。

有毒气体检测报警系统是一种能够自动监测空气中有毒气体浓度并在达到预设阈值时发出警报的系统。

它主要由传感器、数据采集系统、数据处理系统和报警设备等组成。

传感器是核心部件，负责将空气中的有毒气体转化为电信号，经过数据采集系统采集和传输至数据处理系统，再根据预设的算法进行分析和处理，最终触发报警设备。

报警设备可以包括声光报警器、联动控制系统等，以及通过网络远程监控和控制的方式。

有毒气体检测报警系统广泛应用于石油化工、煤矿、地铁、坑道、实验室等各种工业和民用领域，是保障生产和生活环境安全的重要装备。

有毒气体检测报警系统具有实时性强、准确性高、可靠性好、自动化程度高等特点，能够有效预防事故的发生，降低事故损失。

二、有毒气体检测传感器技术传感器是有毒气体检测报警系统的核心部件，其性能的优劣直接影响了整个系统的检测准确性和可靠性。

目前，常见的有毒气体检测传感器技术主要包括化学传感器、红外传感器、光纤传感器等多种类型。

1. 化学传感器化学传感器是一种利用某种有毒气体与一种特定的化学反应，在特定的条件下产生一种可以被量化的电信号的传感器。

它的优点是灵敏度高，对多种有毒气体具有较好的检测性能。

由于需要与特定的化学物质发生反应，化学传感器的选择范围较窄，且对温度和湿度等环境条件较为敏感，容易受到干扰。

红外传感器通过检测特定波长的红外辐射来进行气体的检测。

它的优点是对环境条件变化的适应性强，抗干扰能力较强，且具有较高的准确性。

红外传感器的成本较高，对气体种类的适应性较差。

光纤传感器采用光纤作为传感元件，利用光的变化来检测气体的浓度，具有精度高、抗干扰能力强、成本较低等优点。

红外甲烷气体浓度检测系统设计朱红秀;孙连昆;王忠华;聂哲;刘欢【摘要】In order to accurately measure the volume of methane gas concentration ,we adopted the parallel infrared illuminant ,IRL715EN-PR ,to design an infrared methane gas detection system .The whole detection system consisted of hardware circuit and software system .We put forward and implemented a new algorithm about signal processing .At the same time ,a feeding dog in interrupt service routine (ISR)program was designed so as to greatly extend the watchdog timer reset time .Using Matlab for data fitting ,we achieved a function of concentra-tion and voltage of the system .Experiments show that the volume concentration is in the range from 0% to 4% ,the greatest relative error of the system is less than 1% .%为了精确测量甲烷气体的体积浓度，采用平行红外光源IRL715EN-PR设计了红外甲烷气体检测系统。

整个检测系统由硬件电路和软件系统组成。