1、中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)姓名：張勇申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：信號與信息處理指導(dǎo)教師：戴永壽;孫洪濤20090501摘要在石油鉆井、煤層氣勘探等過程中，通常使用氫火焰離子化檢測儀（）作為分析烷烴氣體的主要手段，此種儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、造價昂貴、測試周期長、難以連續(xù)檢測等缺點；而在煤礦瓦斯（甲烷）氣體檢測中，通常使用電學(xué)、電化學(xué)類氣體濃度檢測儀，其靈敏度低、精度差，易中毒。針對以上氣體濃度檢測儀的缺點，本文在研究氣體分子的紅外吸收光譜理論的基礎(chǔ)上，以集成位的單片機為核心，利用扣的中紅外光作為激勵光，設(shè)計和開發(fā)了一種紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)。在系統(tǒng)硬件設(shè)計方

2、面，對比選擇了紅外光源、紅外探測器、紅外濾光片等器件，提出將光學(xué)元器件與氣體分析室集成在一個模塊上的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，減小了系統(tǒng)體積，并對后續(xù)放大濾波電路、單片機處理電路、液晶顯示接口電路等進行了詳細設(shè)計：在軟件設(shè)計方面，對數(shù)據(jù)采集、處理模塊、液晶顯示模塊以及串口通信模塊進行了編程設(shè)計，提出了一種有效的數(shù)據(jù)采集方法，該方法利用單片機發(fā)出的脈沖去控制紅外光源亮滅，同時控制片上在光源亮滅瞬間對紅外探測器的輸出數(shù)據(jù)進行采集。最后，對所設(shè)計的檢測系統(tǒng)在實驗室條件下進行了標(biāo)定。經(jīng)過實驗室調(diào)試運行，所設(shè)計的電路達到了很好的效果，放大濾波電路能夠有效地濾除環(huán)境噪聲，檢測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，能夠準確采集數(shù)據(jù)。該檢測

3、系統(tǒng)的靈敏度為，可測量范圍在，精度達士，響應(yīng)時間小于。經(jīng)現(xiàn)場氣測錄井實驗，該系統(tǒng)能夠較為準確地測出待測氣體中甲烷氣體濃度，且克服了檢測儀的缺點，可代替分析儀對鉆井液中甲烷含量進行檢測。關(guān)鍵詞：甲烷，氣體濃度檢測，紅外吸收光譜，熱釋電紅外探測器（），（），（），士，：；關(guān)于學(xué)位論文的獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標(biāo)注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國石油大學(xué)（華東）或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對研究

4、所做的任何貢獻均已在論文中作出了明確的說明。若有不實之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文作者簽名：拯霧學(xué)位論文使用授權(quán)書日期：矸年廠月沖同本人完全同意中國石油大學(xué)（華東）有權(quán)使用本學(xué)位論文（包括但不限于其印刷版和電子版），使用方式包括但不限于：保留學(xué)位論文，按規(guī)定向國家有關(guān)部門（機構(gòu)）送交學(xué)位論文，以學(xué)術(shù)交流為目的贈送和交換學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱、借閱和復(fù)印，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。學(xué)位論文作者指導(dǎo)教師簽名：矽絳：功繹廠月砷日月沖同中國石油人學(xué)（華東）碩：學(xué)位論文第章緒論氣體傳感器

5、即氣體敏感元件，是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件，它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，從而可以進行檢測、監(jiān)控、分析、報警【。目前，氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、石油石化、煤礦等領(lǐng)域具有重要作用。本章從氣體傳感器定義出發(fā)，主要分析氣體傳感器的研究和應(yīng)用背景、分類及其國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，確定本文所研究的主要內(nèi)容以及論文的框架結(jié)構(gòu)。課題背景及研究意義國外從年代起就開始研究開發(fā)氣體濃度傳感器，至今已走過了半個多世紀，品種達到了數(shù)百種，主要用于廠礦和家庭的煤氣測試、液化石油氣、天然氣以及瓦斯等有害氣體的檢測和報警，并取得了顯著的效果，基本上滿足了市場的需要【】。上世紀年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的

6、發(fā)展以及工業(yè)規(guī)模的逐漸擴大，在生產(chǎn)中使用的氣體原料和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體種類和數(shù)量也在不斷增多，尤其是石油、化工、煤礦、汽車等工業(yè)的飛速發(fā)展，致使大氣污染日益嚴重，比如，由氮氧化合物、二氧化硫等成份引起的酸雨；由二氧化碳、碳氫化合物以及碳氟化合物（氟利昂）等產(chǎn)生的溫室效應(yīng)；由碳氟化合物和鹵化碳等造成臭氧層破壞，所有這一切都對人類的生存造成了極大的威脅，引起了全人類的關(guān)注，而先前研究開發(fā)的氣體傳感器已不能滿足人們的要求，人們正在尋求一種性能優(yōu)良、能滿足多種環(huán)境條件的新型氣體傳感器。在石油石化行業(yè)，一對氣體濃度的檢測是非常重要的一項工作。在原油加工過程中會產(chǎn)生大量氣體，包括氫氣、，烷烴、烯烴以及少

7、量烷、烯及以上重組分，另外還有少量二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等，需要定性定量檢測各種氣體的組分；在錄井過程中，需要實時監(jiān)測鉆井液中所含的氣體成分（主要為甲烷），以此分析井下地質(zhì)狀況，對油氣層做出準確的判斷。我國從上世紀年代開始研制開發(fā)簡單氣測錄井儀，從對樣品氣中甲烷和重?zé)N的簡單分析，發(fā)展成為對石油全烴的連續(xù)分析和組份的全自動分析，初步判斷油氣層的性質(zhì)及成分組成。在錄井過程中，通常使用的是氫火焰離子化檢測器（）作為分析氣體的主要手段，但此種方法具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、造價昂貴、測試周期長、難以進行連續(xù)檢測等缺點。我國煤礦資源豐富，煤產(chǎn)量居世界第二，但是由于礦難事故頻頻發(fā)生，礦工的死亡人數(shù)與日俱增

8、，對礦工的生命以及周圍的環(huán)境造成嚴重威脅。據(jù)有關(guān)媒體報道，我國由第章緒論于礦難死亡的礦工總?cè)藬?shù)約占全球礦難死亡人數(shù)的。在各類礦難事故中，發(fā)生頻率最高、破壞最為嚴重的是由煤層氣體一瓦斯的爆炸而引起的。瓦斯是一種可燃氣體，其主要成分是甲烷（），當(dāng)甲烷在空氣中的體積分數(shù)達到時，接觸到火花便容易發(fā)生爆炸；此外，煤層氣體中所含的一氧化碳（）有毒且易燃，當(dāng)在空氣中體積分數(shù)達到時，會使人在短時間內(nèi)中毒身亡，達到時，遇火花會引起爆炸】。由此可見，對煤礦井下氣體進行定性定量監(jiān)測的重要性。因此，需要研制出一種瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，及時檢測瓦斯氣體的產(chǎn)生源、泄露源及濃度，對工礦安全運行、人身安全及環(huán)境保護有著十分重要的作用

9、。此外，甲烷是大氣平流層的組成要素，在大氣化學(xué)和溫室效應(yīng)中起著重要的作用，隨著人類社會的發(fā)展和生產(chǎn)活動的擴大，地球大氣中溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）濃度的增加，成為導(dǎo)致全球氣候變暖的重要原因。氣候變暖是國際社會公認的最重要的全球性環(huán)境問題之一，長期以來，我國都在估算并限制二氧化碳和甲烷等溫室氣體的排放量，這就需要對溫室氣體濃度進行有效而準確的檢測。因此，對二氧化碳、甲烷等氣體濃度的探測有非常重要的意義。氣體濃度檢測儀的分類及比較目前，按照檢測原理的不同，氣體濃度檢測儀主要分為以下幾類：、光學(xué)類氣體傳感器利用氣體的光學(xué)特性來檢測氣體成分和濃度的傳感器稱為光學(xué)類氣體傳感器。根據(jù)光學(xué)原理可分為紅外吸

10、收式、可見光吸收光度式、光干涉式、化學(xué)發(fā)光式和試紙光電光度式、光離子化式等的氣體傳感器【】。紅外吸收式氣體分析儀是利用氣體的特征紅外吸收光譜來鑒別氣體并分析其濃度的儀器。其理論依據(jù)是：不同氣體的特征紅外吸收光譜不同，在一定濃度范圍內(nèi)，每種氣體的紅外吸光度值與氣體的濃度具有一定關(guān)系，當(dāng)被測氣體通過受特征波長光照射的氣室時，被測組分吸收特征波長的紅外光，透射光強度與入射光強度、吸光組分濃度之間的關(guān)系遵守朗伯比爾定律，此定律將在第章詳細介紹。光離子化氣體檢測儀的工作原理是：在一定能量的光照射下，氣體分子吸收光子產(chǎn)生電離，這種光電離形成的離子數(shù)與氣體分子的濃度有關(guān)，通過測定離子流可以得到氣體分子濃度。

11、光離子化檢測儀的主要特征是以快速檢測電離勢低于燈絲能級的各種低濃度的揮發(fā)性有機物，但由于發(fā)光燈需要經(jīng)常清潔，不便用于連續(xù)、在線分析的場合。中國石油人學(xué)（華東）碩學(xué)位論文、電學(xué)類氣體傳感器利用材料的電學(xué)參量隨氣體濃度的變化而改變的特性制作的氣體傳感器為電學(xué)類氣體傳感器。這類氣體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩大類，其中電阻式氣體傳感器主要有接觸燃燒式、半導(dǎo)體氣體傳感器等，而非電阻式氣體傳感器則通常是利用材料的電流或電壓隨氣體含量變化的特點而制成的傳感器，主要包括二極管式、結(jié)型二極管式和場效應(yīng)管式等【。、電化學(xué)類氣體傳感器電化學(xué)類氣體檢測儀主要用于檢測毒性氣體如，等。檢測時將儀器置于待測氣源附近，

12、反應(yīng)產(chǎn)生的電流經(jīng)儀器轉(zhuǎn)換成待測氣體的濃度值；這類儀器相對成本不高，對氣體泄漏的響應(yīng)快，用于現(xiàn)場監(jiān)控比較方便，其主要優(yōu)點是選擇性好、靈敏度高。不足之處在于某些這類氣體傳感器對干擾氣體也有響應(yīng)，會引起誤報，因而需要增加抗干擾部分。另外它們的缺點是壽命短，一般年就應(yīng)更換傳感器。、其它氣體傳感器除了上述吸收光譜式氣體傳感器外，檢測氣體濃度的儀器還有氣相色譜儀。氣相色譜法是目前分析和研究氣體最準確的方法之一，常用于檢測烴類氣體。利用色譜原理制成的氣體檢測器，常用的有熱導(dǎo)檢測器、氫火焰離子化檢測器、氧選擇性火焰離子化檢測器等。熱導(dǎo)檢測器（，）是利用被測組分和載氣的熱導(dǎo)率不同而設(shè)計的濃度型檢測器【，由熱導(dǎo)池

13、和檢測電路組成。熱導(dǎo)池包括熱敏元件和池體兩部分。熱敏元件是的感應(yīng)部件，它是檢測器的核心部件，可以是熱敏電阻或熱絲，其阻值隨溫度的變化而變化。工作時，熱敏電阻通電生熱，當(dāng)被測氣體與載氣一起通入熱導(dǎo)池時，由于氣體的熱導(dǎo)率不同，熱敏電阻阻值發(fā)生變化，由檢測電路測出變化的阻值，即可測定氣體的濃度。熱導(dǎo)檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、性能可靠等特點，是目前應(yīng)用最廣最成熟的色譜法檢測器【。氫火焰離子化檢測器（，）根據(jù)色譜流出物中可燃性有機物在氫、氧火焰中發(fā)生電離的原理而制成的；氫火焰離子檢測器的原理是：含碳有機物在氫火焰中燃燒時，產(chǎn)生化學(xué)電離，電離后生成的正離子在一個電場作用下被收集到負電極上，產(chǎn)生微弱電流

14、，經(jīng)放大后產(chǎn)生色譜信號。是選擇性質(zhì)量型檢測器，它對含碳有機物的敏感度高、線性范圍寬、易于掌握、應(yīng)用范圍廣，對溫度變化不敏感【】，但它分析周期長、技術(shù)含量高，很少用于現(xiàn)場分析。第章緒論氧選擇性火焰離子化檢測器（，一）是一種對烴類氣體無響應(yīng)而僅對含氧化合物響應(yīng)的選擇性檢測器，通過在普通的的前面加兩個微反應(yīng)器（裂解器和鎳還原器）轉(zhuǎn)化而來。其檢測原理與氫火焰離子檢測器類似。不同種類的氣體濃度檢測儀具有不同的使用場合，各有其優(yōu)缺點，光學(xué)類檢測儀靈敏度較高，電學(xué)類及電化學(xué)類檢測儀成本較低，氫火焰離子檢測儀精確度較高。各類氣體濃度檢測儀的特點如表所示。表各種氣體濃度檢測儀的特性比較一氣體濃度檢測儀靈敏度精確

15、度對氣體的選擇性響應(yīng)速度穩(wěn)定性光學(xué)類較高高較好快較好電學(xué)類較低較低一般較快較差電化學(xué)類較高較低一般一般較差氫火焰離子（）高高好較快好由表可知，在各類氣體濃度檢測儀中，光學(xué)類檢測儀和氫火焰離子（）類檢測儀具有較好的特性，但是檢測儀成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在分析時需要氫氣源，在環(huán)境惡劣的現(xiàn)場不適用；而光學(xué)類檢測儀成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，因此得到了廣泛的應(yīng)用，其中，利用紅外吸收法原理制成的光學(xué)類氣體濃度檢測儀發(fā)展尤為迅速。就目前來說，紅外吸收光譜法是最精確的檢測氣體的方法，它具有高抗振能力和抗污染能力，與計算機系統(tǒng)相連，具有靈敏度高、測量范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快、誤報率低、不消耗氣體等優(yōu)點【。國內(nèi)外研究現(xiàn)

16、狀國內(nèi)外科研人員很早就致力于研究各種有毒、可燃氣體的檢測方法和控制方法，在探索新材料和新器件等方面取得了較大的進展，研制出各式各樣的氣體檢測和分析儀器，用于環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)過程中的監(jiān)控及氣體成分分析、氣體泄漏報警等【。國外研究現(xiàn)狀國外發(fā)達國家對二氧化碳、甲烷等氣體在線檢測儀器的研究起步較早，使用的檢測方法也較多，比如氣相色譜法、紅外光譜吸收法以及光學(xué)干涉法等，但在諸多的檢測方法中，基于紅外吸收光譜的氣體傳感技術(shù)方案是最有效并且應(yīng)用最廣泛的方法之一。中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文早在世紀年代，德國就研制了防爆型紅外一氧化碳氣體濃度檢測儀，并在年研制了其改進型。該儀器具有較高的靈敏度和選擇性，其測

17、量范圍為，精度士，測量周期，其體積較大，隔一段時間需要更換氣體過濾器，使用十分不便。年代初，日本大學(xué)的和等人用紅外光譜吸收式傳感技術(shù)進行甲烷氣體濃度的測試研究。他們用作為寬帶光源，配合窄帶干涉濾光片，對甲烷在附近的線進行檢測。這一系統(tǒng)的氣室長度為，接收元件采用干冰和甲醇混合制冷的鍺探測器，系統(tǒng)最小可探測靈敏度為（氣體爆炸下限）】。年，和等人利用梳狀濾波器和寬帶光源（）測量甲烷氣體濃度乃】。寬帶入射紅外光可覆蓋一簇氣體吸收峰，通過氣體吸收后，光譜被調(diào)制為梳狀。這種方法適合于甲烷和乙炔等具有梳狀吸收峰的氣體。世紀年代，和等利用單模分布反饋式半導(dǎo)體激光器（），采用了波長（頻率）調(diào)制的諧波檢測方法，室

18、溫下檢測甲烷氣體濃度，最小可探測靈敏度可達。該系統(tǒng)將可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光源（）波長調(diào)制諧波檢測和光纖技術(shù)結(jié)合起來，獲得了很高的探測靈敏度【。年，英國大學(xué)的利用空分復(fù)用方式工作的多點光纖氣體傳感系統(tǒng)【】，原理比較簡單，相當(dāng)于多套光纖氣體傳感系統(tǒng)共用一個光源。進入世紀后，國外的甲烷濃度檢測儀發(fā)展很快，如美國公司的非色散型紅外甲烷氣體濃度變送器，測量精度能達到滿量程的，并逐漸取代電化學(xué)式氣體濃度變送器，且隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用微電子機械（）體化的紅外氣體檢測儀的研究正在興起，并向著體積小、功耗低、精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高，易于實現(xiàn)本質(zhì)安全等方向發(fā)展。國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對光譜吸收型氣體傳感器方面的研

19、究起步較晚，始于年代末。國內(nèi)紅外光譜吸收式氣體傳感器主要還是以紅外作光源，利用光纖作為傳輸介質(zhì)。年，上海交通大學(xué)應(yīng)用物理系的個研究小組用國產(chǎn)元件建立了一個檢測大氣中甲烷氣體濃度的實驗裝置。該裝置的測量靈敏度約為，是甲烷氣體在大氣中最低爆炸極限。年，大連理工大學(xué)劉文琦等用的型作光源對甲烷氣體第章緒論進行了光纖傳感研究【】。為了獲得更大的光強變化量，在氣室中采用了納米級多孔透射膜來增加氣體的傳感長度。此種方法具有靈敏度高、選擇性好，重復(fù)性好等優(yōu)點，但由于采用了多孑透射膜，孔的直徑很小，氣體滲透到孔中的時問就較長導(dǎo)致響應(yīng)時間變長，而當(dāng)有明顯響應(yīng)后，氣體從孔中散出仍需要很長時間，因此，其恢復(fù)時問也相應(yīng)

20、變長。年，浙江大學(xué)葉險峰博士在對分子近紅外吸收光譜分析比較的基礎(chǔ)上，采用了價廉的紅外波段的作為光源，實現(xiàn)了對甲烷氣體濃度的檢測，檢測靈敏度為】，同時對分別用分布反饋激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器以及其它單頻器件做光源的激光氣體傳感方法進行研究實驗。年燕山大學(xué)王玉田教授及郭增軍博士提出光纖傳感技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，研制一種基于差分吸收技術(shù)的光纖甲烷氣體檢測儀【引。年，吉林大學(xué)的王一丁等基于朗伯一比爾吸收定律，設(shè)計了具有新型光路和電路結(jié)構(gòu)的便攜式紅外氣體檢測儀。該儀器具有智能化、低功耗和低成本等特點，可以用于礦山、冶金、化工、石油、機械等工業(yè)和環(huán)境保護中【。年，西安工業(yè)學(xué)院的權(quán)貴秦等人利

21、用氣體紅外吸收原理，采用“單光源、單探測器技術(shù)，研制了一種測量波段新型甲烷濃度的測試議。該儀器的特點是測量時不受其它氣體成份影響、體積小、精度高，采用數(shù)字顯示，操作簡單，適合野外條件下使用【。年，武漢理工大學(xué)的劉泉教授等人，根據(jù)乙炔氣體的光譜吸收特性，提出了一種帶有參比通道的光纖乙炔氣體在線實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用做紅外光源，二極管作為光電探測器【】，在設(shè)計過程中采用了雙光源、雙光路、雙氣室結(jié)構(gòu)，并給出了該乙炔光纖氣體濃度檢測系統(tǒng)實驗結(jié)果。年，王玉田教授和他的研究小組利用復(fù)用多個光譜吸收型光纖傳感器，并通過諧波檢測技術(shù)對微弱信號進行處理，設(shè)計一套甲烷氣體多點光纖傳感系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)可探測氣體

22、濃度范圍為，儀器可在多場合進行多點在線，測量精確度和穩(wěn)定性均大大提高。綜上分析，目前國內(nèi)外對紅外甲烷氣體濃度檢測儀的研究主要集中在近紅外光波段，利用光纖作為傳輸介質(zhì)，且大多處于實驗室分析階段，投入實際運用還需進行進一步研究。中國石油大學(xué)（華東）碩上學(xué)位論文本文的主要研究內(nèi)容本文通過對氣體的紅外吸收光譜原理的研究，以集成位的單片機為核心，設(shè)計了一套能夠?qū)崟r在線檢測甲烷氣體濃度的檢測系統(tǒng)，整個檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖所示，包括光學(xué)測量以及信號檢測處理兩大部分。紅囂射樣錨分紅囂收槲鏊燃數(shù)囂及數(shù)據(jù)輸出光學(xué)測量部分信號檢測處理部分：一：，：圖紅外甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng)原理框圖一其中光學(xué)測量部分包括：、紅外光

23、發(fā)射裝置：發(fā)射某一波段的紅外光；、樣品氣體分析室：在線檢測氣體時，作為氣體流通的通道；、紅外光接收裝置：接收通過待測氣體的特定波段的紅外光，并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號，此信號反映氣體濃度的大??；信號檢測處理部分包括：、前置放大濾波電路：對紅外探測器輸出的微弱信號進行放大濾波處理；、數(shù)據(jù)采集及其處理部分：采集經(jīng)過放大濾波后的信號，并依據(jù)紅外吸收光譜原理，對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為氣體濃度信號。、數(shù)據(jù)輸出部分：濃度信號通過液晶顯示模塊直接顯示或通過進入上位機進行其它處理。本論文的章節(jié)安排如下：第一章主要介紹課題背景及研究意義，紅外甲烷濃度檢測儀的國內(nèi)外現(xiàn)狀以及本文的主要研究內(nèi)容、方案設(shè)計。第二章主要分

24、析分子光譜理論，介紹氣體的紅外吸收光譜原理以及朗伯一比爾吸收定律，分析利用氣體紅外吸收光譜檢測氣體濃度的可行性，通過對比甲烷氣體在近紅外與中紅外區(qū)的吸收峰，確定利用波長為岫的中紅外光作為檢測甲烷濃度的激勵光源，根據(jù)紅外探測器特性，推導(dǎo)甲烷濃度檢測的理論公式，確定具體的檢測方法。第章緒論第三章主要對紅外甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計，包括對光學(xué)測量部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及對信號檢測處理部分的設(shè)計。第四章主要對檢測系統(tǒng)的軟件進行設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集、存儲功能模塊設(shè)計、液晶顯示功能模塊設(shè)計以及串口通信功能模塊設(shè)計。第五章主要對輸出信號的波形進行測試，將實驗所得數(shù)據(jù)進行分析處理，在實驗室對檢測儀進

25、行標(biāo)定，對儀器的精度、穩(wěn)定性等指標(biāo)進行分析，并將其用于氣測錄井現(xiàn)場，與分析儀測量結(jié)果進行對比。中國石油人學(xué)（華東）碩十學(xué)位論文第章紅外光譜原理及甲烷紅外檢測方法的確定由第章分析可知，紅外氣體濃度檢測儀的基本原理是氣體分子對紅外光的選擇吸收。本章介紹了分子紅外吸收光譜的形成機理，分析了紅外氣體濃度檢測儀的基本原理一氣體分子紅外吸收定律：朗伯比爾定律，并論證了利用紅外光檢測氣體濃度的可行性。通過對比甲烷氣體在各個紅外波段的吸收峰，確定利用波長為的中紅外光作為激勵光源對其進行濃度檢測，并根據(jù)紅外探測器特性，推導(dǎo)甲烷濃度檢測的理論公式，確定具體的檢測方法。分子的紅外吸收光譜原理分子光譜是研究分子結(jié)構(gòu)、

26、分子內(nèi)部運動及分子之間相互作用的有力工具。物質(zhì)分子在不同條件下吸收或發(fā)射的光譜的波長、強度、偏振態(tài)等情況和該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征有固有關(guān)系，這種關(guān)系可以通過研究它的光譜來確定【。分子的振動一轉(zhuǎn)動光譜不同分子由不同的原子組成，因此不同分子的結(jié)構(gòu)千差萬別，其內(nèi)部的運動形式和原子間的相互作用非常復(fù)雜。分子內(nèi)部的運動可分為電子的運動、分子內(nèi)原子的振動和。分子自身的轉(zhuǎn)動，因此具有電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。當(dāng)分子的電子能級和振動能級保持不變，只是轉(zhuǎn)動能級之間發(fā)生躍遷，這時所得到的光譜就是分子的純轉(zhuǎn)動光譜。討論分子只有振動而無轉(zhuǎn)動的情況，不考慮電子運動的影響，這時所得到的光譜就是分子的振動光譜。實際上，當(dāng)分子

27、由一個振動能級躍遷到另一個振動能級時，必伴隨著轉(zhuǎn)動能級的改變，所以此時得到的是分子的振動一轉(zhuǎn)動光譜而不是純振動光譜?？傊?，物質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，其運動形式也千變?nèi)f化。分子的運動形式表現(xiàn)為轉(zhuǎn)動、振動者的相互作用，而每一種形式的運動都表現(xiàn)出各自的光譜特性【】，這就是分子的振動一轉(zhuǎn)動理論。分子的紅外吸收光譜如前所述，分子中的運動形式很多，除了有外層價電子的運動以外，還有組成分子的各原子間的振動，以及分子作為整體的轉(zhuǎn)動。分子中這三種不同的運動狀態(tài)都對應(yīng)有一定的能級，即分子的電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級，這些能級都是量子化的【。如第章紅外光譜原理及甲烷紅外檢測方法的確定果不考慮這三種運動形式之間的相

28、互作用，則分子的總能量可認為是這三種運動能之和，即一個分子內(nèi)部運動的總能量是由其外層價電子的能量。、分子的振動能量，和分子的轉(zhuǎn)動能量組成。在這三種能級中轉(zhuǎn)動能級的間距最小，其次是振動能級，而外層價電子能級的間距最大，即有：。，當(dāng)分子被光照射時，將吸收能量引起能級躍遷，即從基態(tài)能級躍遷到激發(fā)態(tài)能級。由上述分析可知，三種能級躍遷所需能量是不同的，需用不同波長的電磁波去激發(fā)。（）紫外及可見光譜電子能級躍遷所需的能量較大，一般在，吸收光譜主要處于紫外及可見光區(qū)，這種光譜稱為紫外及可見光譜。（）紅外光譜如果用紅外線（能量為，）照射分子，此能量不足以引起電子能級的躍遷，而只能引發(fā)振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，

29、得到的光譜為振轉(zhuǎn)光譜，也稱作紅外光譜。（）遠紅外光譜若以能量更低的遠紅外線（）照射分子，只能引起轉(zhuǎn)動能級的躍遷，這種光譜稱為遠紅外光譜。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同對上述各能級躍遷所需能量都不一樣，因此對光的吸收也就不一樣，各種物質(zhì)都有各自的吸收光帶，因而就可以對不同物質(zhì)進行鑒定分析。除了單原子和同核分子（如、）等之外，幾乎所有的化合物在紅外光譜區(qū)均有吸收。除光學(xué)異構(gòu)體外，凡是具有不同結(jié)構(gòu)的兩個化合物，一定不會有相同的紅外光譜。由于紅外光譜分析特征性強，氣體、液體、固體樣品都可測定，并具有用量少，分析速度快，不破壞樣品的特點【，因此，分子紅外光譜在各個領(lǐng)域的到了廣泛應(yīng)用。氣體分子紅外吸收定律氣體濃度檢測系

30、統(tǒng)重要的基本理論是氣體分子對紅外光的選擇吸收，即氣體分子只能吸收那些能量正好等于它某兩個能級的能量之差的光子（）。不同氣體分子因為其不同結(jié)構(gòu)所決定的不同能級而吸收不同頻率的光子，即氣體分子的選擇吸收。當(dāng)一束頻率為的紅外光通過充有氣體的氣室時，氣體分子吸收光能量，吸收關(guān)系遵循朗伯一比爾（）定律。如果氣體吸收譜線在入射光源光譜范圍內(nèi)，那中國。油人學(xué)（華東）碩？學(xué)位論文么光通過氣體以后，在相應(yīng)譜線處會發(fā)生光強的衰減，圖為氣體對紅外光的吸收示意圖【”。圖氣體紅外吸收示意圖設(shè)輸入光強為，輸出光強為，氣體濃度為，氣體介質(zhì)厚度為，單位長度下氣體的分子數(shù)為。由個氣體分子吸收紅外光所造成的光強減弱為，則根據(jù)朗勃

31、一比爾吸收定律：一（）式（）中，為比例常數(shù)。對等式兩邊積分得：一僅（）式（）中，為氣體介質(zhì)中氣體分子的總數(shù)，【為積分常數(shù)。顯然有，則式（）可化為：（一）（）（），將，：代入式中有：（一）（）其中¨為氣體分子的吸收系數(shù)，與入射光頻率有關(guān)。由于輸出光強與輸入光強均為光頻率的函數(shù)，可用（），（）表示，則式（）可寫為：（）（）肛（）（）式中¨（廣一定光頻率下單位濃度、單位長度氣體的吸收系數(shù)；一吸收路徑的長度；一吸收氣體濃度。由式（）可得：垡旦（）“（）（）式（）表明，如果與¨（）已知，通過檢測入射光強度（）出射光強度（）就可以測得氣體的濃度，這就是利用紅外光譜吸收方法檢測

32、氣體濃度的基本原理。第章紅外光譜原理及甲烷紅外檢測方法的確定甲烷濃度紅外檢測方法的確定甲烷氣體紅外吸收峰的對比與選擇紅外吸收光譜的本質(zhì)是由于分子內(nèi)部運動和紅外光相互作用的結(jié)果。當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的光能量，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強度減弱，產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，并將其轉(zhuǎn)變成另一種能量，即分子的振動能量和轉(zhuǎn)動能量，從而產(chǎn)生紅外吸收光譜。同一種物質(zhì)對不同波長的紅外輻射吸收程度不同，如果將不同波長的紅外輻射按順序通過某一物質(zhì)，逐一測量其吸收程度，并記錄下來。以波數(shù)或波長為橫坐標(biāo)，以吸收（透射）強度為縱坐標(biāo)，得到紅外光被物質(zhì)吸收（透射）的能

33、量與波數(shù)或波長的關(guān)系，這就是該物質(zhì)的紅外吸收光譜圖【】。本次設(shè)計的氣體濃度檢測系統(tǒng)主要用于石油鉆井中的氣測錄井以及煤層氣的勘探，待測氣體中含有許多其它雜質(zhì)氣體，如、蒸汽等，這些氣體對紅外光都有吸收作用。為了避免各種氣體雜質(zhì)對甲烷氣體濃度的影響，精確測定甲烷的濃度，雜質(zhì)氣體的紅外吸收峰所對應(yīng)的波長不能與甲烷的吸收峰所對應(yīng)的波長重疊。表為常見氣體在近紅外區(qū)與中紅外區(qū)的特征吸收峰所對應(yīng)的光波長【趴。表常見氣體吸收紅外輻射波長峰值表近紅外區(qū)吸收峰對應(yīng)的波長中紅外區(qū)吸收峰對應(yīng)的波長氣體單位（¨）單位（）甲烷（）二氧化碳（）一氧化碳（）水蒸汽（）一氧化氮（）二氧化硫（）由表可知，、蒸汽等雜質(zhì)氣體

34、在近紅外區(qū)和中紅外區(qū)的吸收峰不與的吸收峰重疊，因此，當(dāng)檢測含有、等雜質(zhì)的甲烷氣體濃度時，只要利用甲烷吸收峰對應(yīng)的紅外光波長作為輻射光源，便能夠有效地排除雜質(zhì)氣體的干擾。由于甲烷分子具有個固有的基頻振動【，每個振動對應(yīng)一個光譜吸收區(qū)，它們的中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文波長分別為，和，其吸收光譜圖如圖、圖所示。圖中的橫坐標(biāo)表示紅外光波長，縱坐標(biāo)表示甲烷分子對紅外光能量的吸收強度。圖在附近的紅外吸收光譜圖圖在附近的紅外吸收光譜圖由圖、圖可知，在中紅外區(qū)的各吸收波段中，波長處的吸收峰強度，比波長處的吸收峰強度約高一個數(shù)量級。上世紀年代，日本大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，甲烷分子除具有固有的基頻振第章紅外光譜

35、原理及甲烷紅外檢測方法的確定動外，在近紅外區(qū)有多個泛頻帶和組合頻帶，其對應(yīng)的吸收峰出現(xiàn)在近紅外波段圖在附近的紅外吸收光譜圖幢圖在附近的紅外吸收光譜圖圖、圖表明，在近紅外區(qū)甲烷氣體也有較強的吸收峰，但是，與圖、圖相比可知，甲烷在中紅外區(qū)（、）的吸收峰約為近紅外區(qū)（、）的吸收峰的倍。由以上分析可知，近紅外光譜和中紅外光譜都適合用于對甲烷氣體濃度的檢測。但中國石油大學(xué)（華東）碩上學(xué)位論文由于中紅外區(qū)是基頻吸收帶，對紅外光能量的吸收幅度更大，所以本設(shè)計將選擇的檸的中紅外吸收譜線來探測其濃度。甲烷濃度檢測理論公式推導(dǎo)本次設(shè)計所選用的紅外探測器為雙通道熱釋電紅外探測器（其特性將在第章中介紹），其輸出兩路電

36、壓信號，分別為氣測通道電壓信號和參比通道電壓信號，此兩路電壓信號反映了扣波段的紅外光通過待測氣體后的強度變化。根據(jù)紅外探測器本身特性以及朗伯一比爾紅外吸收定律，輸出電壓信號雒，他與入射光強符合以下關(guān)系：鯽亂（）耐他（）其中：卜氣體的吸收系數(shù)；一氣體分析室的長度；一待測氣體濃度；。探測器氣體測量通道的響應(yīng)度；探測器參比通道的響應(yīng)度；。氣體測量通道濾光片的特性常數(shù)：他廠參比通道濾光片的特性常數(shù)。將上兩式相比得：墜竺墊（）他把、。當(dāng)氣體濃度時，有：坐：墾鯉±墨墮竺壁（）他耐佗定義。鼉，將式（）與（）相除，可得：瓦卻軍令濤，可見，與濃度在理論上符合指數(shù)關(guān)系，只要測得等，就可根據(jù)式（）計算出待

37、測氣體的濃度。本次設(shè)計將利用集成的單片機采集兩通道電壓數(shù)據(jù)，找出甲烷氣體濃度與兩通道電壓數(shù)據(jù)的實際關(guān)系，利用此關(guān)系得到待測甲烷氣體的濃度。第章紅外光譜原理及甲烷紅外檢測方法的確定本章小結(jié)本章主要分析了甲烷氣體濃度檢測儀的基本原理一氣體對紅外光的選擇吸收。簡要介紹了分子光譜理論、分子的振動一轉(zhuǎn)動理論，以及由分子振動及轉(zhuǎn)動所形成的紅外吸收光譜理論，介紹了氣體分子的紅外吸收定律：朗伯一比爾吸收定律，說明了利用紅外光檢測氣體濃度的可行性；根據(jù)甲烷分子在近紅外區(qū)與中紅外區(qū)的紅外吸收光譜圖的對比，選擇波長為，的中紅外光作為激勵光源來對其濃度進行檢測，最后根據(jù)所選用紅外探測器的本身特性，確定了檢測甲烷氣體濃

38、度的具體方法。中國石油人學(xué)（華東）碩學(xué)位論文第章紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計由以上分析可知，甲烷氣體分子對某些特定波長紅外光具有吸收作用，通過對比吸收前后的紅外光強度，根據(jù)朗伯一比爾定律即可得到甲烷氣體的濃度。基于此原理，本章對紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計。該系統(tǒng)由光學(xué)測量部分和信號檢測處理部分組成，通過分析各組成部分的功能，對各部分所使用的元器件進行選型，從而完成了對檢測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。系統(tǒng)的總體設(shè)計紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。紅外光發(fā)射裝置在驅(qū)動電路以及單片機發(fā)出的脈沖控制下，發(fā)出周期性的紅外光，經(jīng)過充滿待測氣體的氣室后，論的紅外光被甲烷氣體分子吸收，強度發(fā)生變化，

39、紅外光到達雙通道紅外探測器后，被轉(zhuǎn)換成兩路電壓信號，其中路電壓信號表征被氣體分子吸收后的紅外光能量，稱為氣測通道電壓信號：另一路表征未被氣體吸收的紅外光能量，稱為參比通道電壓信號，此兩路信號反映了待測氣體的濃度。：一一旦星盟：圖紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)原理框圖由于紅外探測器屬于光敏元件，對溫度變化比較敏感，因此，在設(shè)計時需要在該位置安裝一個溫度探測器，實時監(jiān)測環(huán)境溫度的變化。從紅外探測器輸出的微弱電壓信號第章紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及環(huán)境溫度信號經(jīng)過高精密的前置放大濾波電路后，得到三路信號，再將此三路信號送入集成的高性能中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及其它分析處理。處理后得到的氣體濃度信息可通過傳到上位

40、機進行其它處理，也可通過液晶顯示模塊直接顯示。此外，本次設(shè)計的電路板還留有備用接口，可根據(jù)實際需要擴展報警、打印等端口。由圖可知，整個系統(tǒng)包括由紅外光源、氣體分析室、紅外探測器、溫度探測器組成的光學(xué)測量部分以及后續(xù)的信號檢測處理部分。下面將結(jié)合圖對各部分進行詳細設(shè)計。光學(xué)測量部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖為紅外氣體濃度檢測系統(tǒng)光路部分的結(jié)構(gòu)框圖，主要由紅外光源、反射鏡、鍍膜氣室、紅外濾光片和紅外探測器組成。紅柱外石形石紅輻英英外射斗玻鍍光璃膜玻探片氣璃測源室片器圖光學(xué)測量部分結(jié)構(gòu)框圖紅外輻射光源的選擇紅外輻射光源是紅外甲烷濃度檢測系統(tǒng)極為重要的組成部分，其性能好壞直接關(guān)系到光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及紅外探測器對光

41、信號的接收與處理，本次設(shè)計的檢測系統(tǒng)要求有較高靈敏度、較快的響應(yīng)速度、較小的體積，因此對紅外光源的選擇要滿足以下要求：（）光源所發(fā)射的紅外光譜要包含甲烷分子的特征吸收峰，且有較高的吸收峰值，這樣才能滿足系統(tǒng)較高靈敏度的要求；（）紅外光源的輸出功率要滿足紅外探測器的最低輸入功率要求，即光源與探測器要匹配：（）要求驅(qū)動電路簡單，具有電調(diào)制特性，避免使用切光片進行機械調(diào)制，以減小檢測系統(tǒng)的體積，使系統(tǒng)小型化、簡單化：（）可靠性高，輸出的紅外光波長穩(wěn)定，能夠在室溫下長期穩(wěn)定的工作：、紅外光源的分類及比較當(dāng)前常用的紅外光源主要有熱輻射紅外光源、氣體放電紅外光源、激光紅外光源。（）熱輻射紅外光源中國石油大

42、學(xué)（華東）碩上學(xué)位論文熱輻射紅外光源通常采用黑體、通電碳化硅棒、白熾燈等紅外加熱元件。黑體是理想的紅外輻射光源，因為在同一溫度下，黑體的輻射功率密度最大。碳化硅棒通電加熱后在波長為一范圍內(nèi)近似黑體輻射，是一種中、遠紅外光源。如果在發(fā)熱物體表面涂敷鈦、鋯、鉻、錳、鐵、鎳和硅的氧化物，或硼和硅的碳化物，可以制成遠紅外光源。紅外白熾燈泡能將以上的輸入電能轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外輻射，可作為紅外光源。因白熾體輻射出的波長為，以上的紅外輻射均被玻璃外殼吸收，故白熾燈是一種近紅外和中紅外光源。為充分利用白熾燈泡的紅外輻射，可采用反射形玻璃外殼，通過玻璃外殼后部的鋁反射面把紅外輻射集中到前方，進一步增強紅外輻射效果。此外

43、，還可采用石英管形紅外白熾燈作為紅外光源，它利用鹵鎢循環(huán)原理工作，體積小、機械強度高、便于安裝使用，且壽命可達小時以上。（）氣體放電紅外光源某些氣體放電光源放電時產(chǎn)生紅外輻射，可作為紅外光源使用。氙燈的光譜連續(xù)并且在近紅外區(qū)域產(chǎn)生強烈的輻射，常被用作太陽模擬光源、熔煉特殊金屬或材料的熱源；其紅外輻射容易調(diào)制，適用于紅外通信。（）激光紅外光源激光光源是利用激發(fā)態(tài)粒子在受激輻射作用下發(fā)光的電光源，是一種相干光源。自從年美國的。梅曼制成紅寶石激光器以來，各類激光光源的品種已達數(shù)百種，輸出波長范圍從短波紫外直到遠紅外。按照輸出波段分，激光器可分為以下幾類：遠紅外激光器，輸出波長范圍處于微米之間，某些分

44、子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區(qū)域。中紅外激光器，指輸出激光波長處于中紅外區(qū)（一）的激光器件，代表者為分子氣體激光器（）、分子氣體激光器（岬）。近紅外激光器，指輸出激光波長處于近紅外區(qū)（）的激光器件，代表者為摻釹固體激光器（）、半導(dǎo)體二極管激光器（約）和某些氣體激光器等?？梢娂す馄鳎篙敵黾す獠ㄩL處于可見光譜區(qū)（扯）的一類激光器件，代表者為紅寶石激光器、氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器以及一些可調(diào)諧染料激光器等。第章紅外甲垸濃度撿測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)啦近紫外激光器，其輸出激光波長范圍處于近紫外光譜（），代表者為氮分子激光器、氟化氙（）準分子激光器、氟化氪（）準分子激光器以及某些可調(diào)諧染料激光器等。在各類紅外光源中，紅外激光光源具有單色性好、方向性強、光亮度高等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是與熱輻射光源相比其成本較高，需要專門的驅(qū)動電路，功耗較大。因此，在對輻射光強度要求不高時，通常選用熱輻射光源作為激勵光源。、本次設(shè)計所選用的紅外光源傳統(tǒng)的氣體分析儀采用連續(xù)紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件，它們發(fā)出的紅外光波長在之間。由于它們的熱容量火。通常采用切光片對光源進行調(diào)制，因此需要一個同步電機帶動切光