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开题报告红外二氧化碳报警仪的设计

时间:2014-02-09 14:55来源:友好论文中心 作者:秩名 点击:
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题    目 红外二氧化碳报警仪的设计 来源 生产实践
1.研究目的和意义:
半导体技术、网络技术、通讯技术和软件技术的飞速发展使得智能气体浓度报警仪器已经逐渐向数字化、自动化、小型化方向发展,并且由于包括微处理器、单片机在内的大规模集成电路的成本和价格不断的下降,功能和集成度不断提高,使得许许多多以单片机、微处理器为核心的报警仪器在功能上实现了智能化,在结构实现了简单化,在体积实现了小型化。
近年来,虽然国内研制的红外气体报警仪有很大进步,但大都采用国际上80年代的红外气体检测部件与结构型式,存在很多的缺点,例如:使用镍铬丝作为红外光源,热稳定性差、寿命短、测量误差大;电机机械调制红外光,仪器功耗大、稳定性差、故障率高、维护困难;薄膜电容微音器或锑化铟(InSb)等作为传感器,使得仪器对震动十分敏感。
随着现代产品的生产越来越精密、严格,要求仪器性能指标越来越高,需要制作一种精度高的气体浓度报警仪器来投入现代化的生产。并且对于不同检测环境和不同的检测对象,需要制作一种能够适应多种环境的快速气体浓度检测仪,便于对特殊环境下的气体进行浓度检测,并保证工作状态的精确度。同时,采用标准通信接口通信,能够实现整个检测过程的监控。红外气体浓度检测技术在我国无论是在用新技术改造传统产业,还是在替代进口各方面都有明显的优势,应用范围广泛,具有明显的经济和社会效益。
随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,在冶金、空调、农业、医疗、环保、等方面都需要对CO2的浓度进行定量的检测与控制,因此,开发出灵敏度高、选择性好、稳定性好、小型化便携式的CO2气体传感器就成为了一项有意义的工作。高精度的红外CO2气体报警仪采用新工艺、新技术,可以实现检测生产过程中的现场在线连续和快速监测,无需样品预处理,分辨率高,并可用于高温、高压、有磁场和易燃易爆场合。在一些需要精密监控CO2气体浓度的场合,如微电子加工、精密分析、生物科学、新型材料生产、高炉燃烧等。一台精度高的红外CO2气体报警装置,可以提供可靠的实时气体测量和监控,有利于工艺参数的调整与稳定,保证工作顺利地完成。仪器可以用于大气环境监测、农牧业培养箱设备CO2气体浓度的监测与校正,工业流程中产生的CO2气体浓度检测,计量部门气体配比仪器的检定、测试工作等方面。
2.国内外发展情况(文献综述):
在国外早在20世纪70年代,英国就研制了防爆型红外二氧化碳报警仪SIGMA- CO2。该仪器具有较高的灵敏度和选择性,其测量范围为0-0.01% CO2,精度±6%,测量周期60s,但其体积较大(质量为77kg),更换过滤器频繁,使用不方便。
80年代初,美国研制的LEL-5610防爆型红外二氧化碳报警仪,测量范围0-0.1%CO2,零漂小于3%(无积累),响应时间8s,重复性优于2%,输出4-20mA(DC)。该检测仪采用敞开式气室,直接接触所检测气体;具有自检测功能,可消除零漂;在检测过程中,对红外光源老化、探测器老化、镜头堆积灰尘引起的误差自动补偿;仪器设计能够满足井下恶劣环境的要求,可与监控系统连接。
90年代初期,德国研制了CNTMA-CO2-B型矿用二氧化碳检测装置。能自动检测和校零等功能,不用标准气就可以检查气体灵敏度和技术状况。测量范围0-0.1%CO2,选择性强、灵敏度高,精度±6%;另外,于1992年对CNTMA2M型矿用红外甲烷传感器的防爆问题进行了研究,提出了红外辐射器在正常和故障情况下安全温度和电流的计算公式。
在国内近几年才在矿用红外气体检测方法的研究方面有很大的进展,1996年,我国科研院所对现有红外传感器光路结构进行探讨,设计了适用于井下的光学系统,并改进了斩波技术,信号处理采用以单片机为核心的软件处理技术。同年,又对法国LEL-5610防爆型二氧化碳检测仪进行了分析,并提出了几种国产化方案。
2004年,我国在非分光红外(NDIR)气体传感技术研究方面取得了新进展,这一研究结果使我国非分光红外气体传感器关键技术达到了国际同类产品的先进水平。
随着科学技术的发展,使得以往研制的红外气体传感器需要的期间成本大大降低,新技术、新材料、新原件、新工艺的发展使得新型红外气体检测仪的研制得到了技术上的有力保障,如自动校零、线性化指示和线性输出、干扰误差的消除都已成为现实。
近几十年来,在光学结构上,检测仪器也在进行不断的改进和革新。如采用性能稳定的黄金做为灯丝来加热高效陶瓷光源,其加热功率为2W。该光源由于结构密封,所以安全,寿命也长;因为化学稳定性极好,不存在镍铬丝释放微量气体的问题。
在光路系统上,国内外多数产品都是采用分光型双光路系统。但是随着光干涉滤光片制造技术的日趋完善,计算机技术的普及,为使用红外半导体探测器为接收元件的红外气体传感器产生了巨大的影响。国外很多厂家都开始采用以半导体器件为接收元件的单光路结构的红外气体传感器。
随着国内外近几年来在红外气体传感器领域的迅速发展,红外气体浓度检测技术在气体检测仪器生产领域取得了巨大的成就,正在成为该领域新的发展方向。
 
 
3.研究/设计的目标:
(1)、检测范围:0~3000PPm,检测时间:<10秒,分辨率:20ppm;
(2)、液晶显示环境中二氧化碳气体的浓度;
    (3)、可以通过按键对输出报警点进行设置,报警输出有声、光两种形式;
   (4)、自行设计电源,单片机有欠压指示功能。
4.设计方案(研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等):
设计框图如下:

系统设计框图说明如下:
1.放大电路的设计,其主要的功能为将红外二氧化碳传感器输出微弱的电压信号进行放大处理。
2.液晶显示电路的设计,其主要的功能为显示CO2气体浓度、时间等一些相关信息。
3.键盘电路的设计,其主要的功能为对报警点以及其他一些数据的设置。
4.A/D转换器电路的设计,其主要的功能为将放大处理的模拟电信号转换成数字信号,并将其传入单片机进行处理。
5.声光报警功能电路的设计,其主要的功能为当二氧化碳的浓度超出报警点时,本系统会自动发出声光报警。
 
5.方案的可行性分析:
目前应用于二氧化碳气体传感器主要有电化学式、热传导式、电容式、固体电介质式和红外吸收式等。下面主要介绍几种传感器:
(1)固体电解质CO2气体传感器
固体电解质CO2气体传感器是由Gauthier提出的。初期用K2CO3固体电解质制备的电位型CO2传感器,受共存水蒸气影响很大,难以实用,后来有人利用稳定化锆酸盐ZrO2-MgO设计一种CO2敏感传感器,LaF3单晶与金属碳酸盐相结合制成的CO2传感器具有良好的气敏特性,在此基础上有人提出利用稳定化锆酸盐/碳酸盐相结合而成的传感器。
(2)电容式传感器
电容式传感器是利用金属氧化物一般比其碳酸盐的介电常数要大,利用电容的变化来检测CO2。报道采用溶胶——凝胶法,以醋酸钡和钛酸丁脂为原材料,乙醇和醋酸为溶剂制备了BaTiO3纳米晶材料。采用这种纳米晶材料为基体,制备电容式CO2气体传感器,其缺点是检测低浓度CO2时输出倍号小,且易受其他气体的影响。
(3)光纤CO2传感器
光纤CO2传感器利用CO2与水结合后,生成的碳酸酸性很弱,其酸性的检测多采用灵敏度较高的荧光法,其原理是利用环糊精对叶琳的荧光增强效应,且该荧光能被溶液中二氧化碳碎灭,该膜响应速度快、重现性好、抗干扰能力强,这对化学传感器来说是一个较好的性能指标。该方法克服了化学发光传感器消耗试剂的不足,不必连续不断地在反应区加送试剂。但其系统繁琐,此外,使用寿命也较短。
(4)红外吸收型CO2传感器
红外吸收型CO2传感器是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱,吸收强度与气体浓度有关的事实来检测CO2浓度的。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内,那么红外辐射透过被测气体后,在相应谱线处就会发生能量的衰减,未被吸收的辐射被探头测出,通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度。红外线气体检测仪的优点是测量范围宽、选择性好、防爆性好、设计简便、价格低廉。从上面的介绍可以看出,基于红外吸收原理的CO2传感器具有独到的优势。
因此,研制和开发CO2红外光谱气体分析仪对提高我国CO2气体检测监控水平有着重要的现实意义。
     
6.该设计的创新之处:
本文利用红外二氧化碳气体传感器设计了一种红外二氧化碳报警仪,详细阐述了其结构和工作原理。该报警仪具有测量范较宽、灵敏度高、响应时间快等优点,简单易用,快速直读,价格较低,具有较好的应用前景和使用价值。
 
7.设计产品的主要用途和应用领域:
利用红外检测技术,研制成功后将对国计民生产生巨大影响。开发出灵敏度高、选择性、小型化和稳定性好的CO2气体传感器具有非常重要的意义。
8.时间进程:
选择设计题目,并搜集相关资料(第1周);
图书馆查找资料(第2周);
图书馆查找资料(第3周);
初步确定设计任务(第4周);
撰写开题报告并准备答辩(第5周);
设定总体的设计方案(第6周);
主体控制系统部分的设计(第7周);
单片机系统的设计传感器模块的设计(第8周);
单片机系统的设计(第9周);
显示软件的设计(第10周);
硬件电路的设计与分析(第11周);
系统软件的设计(第12周);
绘制原理图、绘制PCB板(第13~14周);
整理并撰写论文,准备答辩(第15~18周)。
9.参考文献:
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 指导教师意见:
 
 
 
 
 
 
 
教师签字:
 
年     月      日
毕业设计领导小组意见:
 
 
 
 
 
 
 
 
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年      月      日
         
 
 
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