基于MEMS光源的三椭球体吸收腔室甲烷检测系统研究

【摘要】：在我国的能源消耗中,煤炭历来都占据着重要地位。而我国煤矿多属于地下煤矿,开采难度大,安全隐患多,尽管国家时刻关注安全生产工作,但因瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故,却从未中断。瓦斯爆炸的必备条件之一是甲烷(CH4)气体在空气中的浓度必须要达到5%–16%。所以如果能够对甲烷浓度进行及时、准确地检测,做到只要甲烷浓度处于爆炸限内或者处于爆炸上限以上的高浓度区,就可及时让工作人员撤出矿井,并对井下通风,稀释甲烷浓度,就可避免爆炸的发生或人员的窒息中毒。因此,研制高分辨率、高灵敏度的甲烷传感器具有重要的现实意义。目前,国内外学者均在积极运用红外吸收法来实现甲烷气体的检测。红外吸收法克服了其他检测法常校准、误差大、寿命短等缺点,同时拥有检测速度快、选择性好、可测光谱宽等众多优点。本文基于红外吸收原理与单光路双波长差分吸收法,采用宽波长、高调制频率和长寿命的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)红外光源,设计了一种三椭球体结构的红外吸收气室,提出一种高分辨率的红外甲烷传感器,研究显示该传感器对于3.31μm波长红外光,其检测到的最小甲烷浓度可达到1.58ppm,由此使得该红外甲烷传感器的检测分辨率得到了显著的提高,扩展了其使用范围,不仅适用于矿井,也适用于分辨率要求更高的家庭灶具使用天然气、管道输送天然气时等场合气体微泄漏的检测。本文主要研究内容如下:1)设计三椭球结构吸收气室。该新型气室可使红外光线经5次反射后到达探测器,有效延长了光程;运用lighttools软件对所建立的气室模型进行了分析和研究,根据得到的模拟图显示该气室对光线实现了有效地聚焦,光线主要分布于中心条形区域,并且具有较好的对称性,集中区域范围为纵向为±2mm,横向为±6mm,完全覆盖了热释电探测器两个接收窗口的尺寸范围,调整热释电探测器位置,使两个接收窗口的纵横方向与红外光线照射分布纵横方向一致,即可实现探测器的最大接收;理论分析了该传感器可检测达到的最小甲烷浓度,即达到了1.58ppm,从理论上验证了本文气室能够显著提高红外甲烷传感器的分辨率。2)设计mems红外光源。为了减小光源尺寸以及向传感器提供高性能光源,本文利用mems技术设计了红外光源,并就光源结构设计和各膜层材料选择进行了阐述;为了使光源工作在较高温度时产生的形变和热应力尽可能地小,运用comsolmultiphysics软件对mems光源模型的厚度参数进行了仿真分析,优化得到了sio2支撑层厚度值的最优值0.58μm和si3n4钝化层厚度的最优值0.72μm,使得mems红外光源得到了较高的工作温度和较小的形变与应力,为后续该光源的实际制作提供了尺寸参数。3)进行了红外甲烷传感器部分电路设计。电路设计主要包括电源充电电路、升压电路、降压电路、光源稳压驱动电路以及放大滤波电路等电路的设计;计算得到了放大滤波电路放大倍数的理论值,运用proteus软件对放大滤波电路性能进行了仿真验证,得到了仿真中该电路的放大倍数,与理论值的吻合较为理想,说明了该电路具有较好的放大效果;通过得到的噪声图和幅频图得出该放大滤波电路对传感器中心频率2Hz之前和之后的噪声具有较好的抑制效果。4)使用模块化方法对软件进行设计,包括主程序、初始化程序、信号采集程序等主要程序的设计,单片机调用各程序来实现红外甲烷传感器的功能。 【关键词】：甲烷 三椭球体腔室 MEMS光源 电路设计 软件设计
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712;TP212
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 课题研究背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究动态14-17
• 1.2.1 国外研究动态14-15
• 1.2.2 国内研究现状15-17
• 1.3 本文研究内容和结构17-19
• 第二章 红外甲烷传感器检测原理和方法19-25
• 2.1 红外吸收技术19-20
• 2.1.1 红外光谱分析19
• 2.1.2 NDIR技术19-20
• 2.2 红外甲烷传感器检测原理20-21
• 2.3 差分吸收法21-24
• 2.3.1 双光路单波长差分吸收法22-23
• 2.3.2 单光路双波长差分吸收法23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 红外吸收气室结构设计25-39
• 3.1 红外吸收气室的分类25-27
• 3.1.1 直射式红外吸收气室25-26
• 3.1.2 反射式红外吸收气室26-27
• 3.2 红外吸收气室的结构设计27-29
• 3.2.1 三椭球体吸收气室结构27-28
• 3.2.2 三椭球体吸收气室光反射研究28-29
• 3.3 镀膜材料选择29-30
• 3.4 三椭球体红外吸收气室的仿真研究30-35
• 3.4.1 光学软件Light Tools30-31
• 3.4.2 吸收气室的仿真研究31-35
• 3.5 传感器分辨率理论推导35-37
• 3.6 本章小结37-39
• 第四章 MEMS红外光源的设计39-55
• 4.1 前言39
• 4.2 MEMS的材料及技术39-40
• 4.3 常见红外光源类型40-43
• 4.3.1 红外二极管40-41
• 4.3.2 激光器41
• 4.3.3 热辐射红外光源41-43
• 4.4 MEMS红外光源辐射原理43-44
• 4.4.1 工作原理43
• 4.4.2 电光转化率43-44
• 4.5 MEMS红外光源的设计44-47
• 4.5.1 光源材料的选择44-45
• 4.5.2 MEMS红外光源的结构设计45-47
• 4.6 MEMS红外光源仿真研究47-53
• 4.6.1 COMSOL Multiphysics仿真软件47
• 4.6.2 MEMS红外光源模型参数优化47-53
• 4.7 本章小结53-55
• 第五章 红外甲烷传感器硬件电路及软件程序设计55-71
• 5.1 系统总结构55
• 5.2 单片机的选择55-56
• 5.3 硬件电路设计56-64
• 5.3.1 电源电路56-59
• 5.3.1.1 充电电路56-57
• 5.3.1.2 升压电路57-58
• 5.3.1.3 降压电路58-59
• 5.3.2 MEMS红外光源驱动电路59-60
• 5.3.3 放大滤波电路60-64
• 5.3.3.1 放大倍数理论值计算61-62
• 5.3.3.2 Proteus仿真分析62-64
• 5.4 系统软件设计64-69
• 5.4.1 主程序设计64-66
• 5.4.2 初始化子程序设计66-67
• 5.4.2.1 定时器初始化子程序设计66
• 5.4.2.2 A/D模块初始化设计66-67
• 5.4.3 信号采集设计67-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士学位期间发表的学术成果81

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