基于MEMS光源的三橢球體吸收腔室甲烷檢測系統(tǒng)研究.pdf

1、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

2、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)計了一種三橢球體

3、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

4、長了光程；運(yùn)用Light Tools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，

5、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)計了紅外光源，并就光源結(jié)構(gòu)設(shè)計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COMSOL Multiphysics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

6、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。電路設(shè)計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；計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