基于MEMS紅外光源的長光程甲烷氣體檢測系統(tǒng)設計.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟的快速發(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)廢氣對環(huán)境的污染越來越嚴重。由此而產(chǎn)生的溫室效應、酸雨以及大氣臭氧層空洞等大氣污染現(xiàn)象早已屢見不鮮。近年來,人們對生活環(huán)境與健康狀況的關(guān)注意識日趨增強,對空氣質(zhì)量的檢測也提出了更高的要求。如何及時、準確地實現(xiàn)易燃、易爆以及有毒有害氣體的高靈敏度、高可靠性檢測愈來愈引起人們的關(guān)注。因此,設計出一種具有靈敏度高、響應速度快、制備工藝簡單以及價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系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)基于紅外光譜吸收原理,結(jié)合雙波長單光路的差分檢測方法,采用了一種具有波長范圍寬、調(diào)制頻率高、壽命長等特點的小體積微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanic System,MEMS)紅外光源作為紅外輻射源,以積分球為吸收氣室,有效地實現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高精度檢測。
　　本論文的主要研究內(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、波長覆蓋范圍寬、調(diào)制頻率高、價格低廉等優(yōu)點,很好地滿足了紅外檢測系統(tǒng)對于光源的要求。然而,由于 MEMS紅外光源為具有郎伯分布的面光源,能量太過于分散,導致可以直接利用的光能量太少。要想使其更好地應用于紅外傳感系統(tǒng)中,盡可能發(fā)揮出其自身的優(yōu)勢,就需要對 MEMS紅外光源的光場進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系統(tǒng):基于自由曲面反光杯的光學系

4、統(tǒng)和基于非球面準直透鏡的光學系統(tǒng),并使用光學設計軟件TracePro與Zemax分別建立了仿真模型對上述設計理論結(jié)果進行驗證。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,光線進入內(nèi)壁涂有高反射率膜材料的積分球后,在球壁之間來回反射,有效增加了紅外光與被測氣體的有效作用距離,從而提高了紅外傳感系統(tǒng)的檢測靈敏度及精度。但是,紅外光波在積分球內(nèi)的

5、每一次傳播都具有隨機性,很難像計算傳統(tǒng)氣室有效光程那樣,將光波反射次數(shù)與氣室的基本長度作乘法運算就能夠得出光波與被測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)學模型,根據(jù)光在傳輸過程中光通量守恒的原理,推導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算難題。
　　(3)提出了傳感系統(tǒng)的外圍電路設計方案,為后續(xù)研制出完整的紅外檢測系統(tǒng)奠定了一定的基礎,主要包括MEMS紅外光源的驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)