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发布时间：2019年05月25号，星期六 快速评论
本科毕业论文(设计)开题报告
题 目 红外谱段烷烃气体传感器
学生姓名 学生学号 指导教师 导师职称 工程师 所在分院 信息工程学院 专 业 通信工程 班 级 提交日期 2017年10月28日
课题来源 随着社会经济的不断发展级保护环理念不断加深，温室效应引发了许多学者的关注，造成温室效应的气体大多为烷烃气体，烷烃气体本身对健康没有什么危害，但是高浓度的甲烷会取代空气中的氧气，而造成缺氧环境，危害人身健康，甚至危害生命。温室效应是大气对于地球保暖作用的总称，地球大气中能够吸收大量红外线辐射能的气体物质被称为温室气体，大气层中的温室气体主要是二氧化碳(CO2)，其次就是甲烷。大气中的甲烷气体会吸收地表辐射的能量，减少地表热量向太空的散失，且效果是CO2的15~30倍。从保障煤矿生产安全运作，保护人类赖以生存的环境，保障人民的生命财产安全等方面考虑，关于甲烷气体检测系统的研究工作十分必要。实现对气体的定性及定量分析，目前已经发展起多种成熟的技术，常用的包括催化燃烧法、电化学法、半导体法、比色法、光电离法和红外法等，它们都具有各自独有的优势。但由于红外法能够测量多种气体，红外光谱吸收法是近几年来发展起来的一种新方法,它是由光谱分析技术发展的产物，并且具有测量范围宽，灵敏度和精度高，寿命长，响应快等优点，更重要的是还具有良好的选择性，可以实现连续分析和自动控制等独特性能，目前对红外气体检测的研究已经成为研究的热点之一。 科学依据 随着这几年技术发展，近些年， 国内外一些高等院校及科研机构针对基于 NDIR气体检测技术的红外烷烃气体检测仪进行了研究. Crawford 等[1]利用甲烷在 1. 66 μm处的二倍频吸收峰位，使用近红外 LED 作为光源， 研制出一款便携式低成本甲烷检测仪， 其最低检测下限为 .中北大学的谭秋林等[2]采用单红外热光源双路差分技术研制出一种高集成化的CH 4 气体检测仪， 其最低检测下限为 5 × ;Kormann 等在制冷条件下利用激光器光源对大气中的 CH 4 进行了检测. 安徽光机所、 燕山大学和中科院半导体所等国内科研机构[3]也曾采用半导体激光器作为光源对 CH 4 气体进行检测 以上研究成果虽然取得了一定的进展， 但是研制的仪器在最低检测下限及稳定性方面均未达到理想效果， 因而限制了其实际应用。
气体成分的定量分析在诸如煤矿安全预警、石油录井、化工析、环境监测等许多领域都有着十分重要的意义，比如煤矿下瓦斯气体的主要成分为甲烷，甲烷是一种易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。它广泛存在于地质煤层中,是威胁煤矿安全的第一因素，国内急需研制具有自主知识产权的红外瓦斯检测仪， 从而可以更好地完成瓦斯检测工作并达到预防瓦斯爆炸的作用。气相色谱法虽然具有分析范围宽、灵敏度高、可靠性及重现性好的优点，但其固有的操作方法难以应用于混合气体的实时在线定量分析。红外谱分析法以其固有的优越性已成为近些年研究的热点。 研究内容 分析气体分子选择性吸收理论及其红外吸收定律，对不同的吸收线型及各类谱线展宽进行详细描述，研究甲烷的分子结构及其红外光谱，确定课题所采用的甲烷分子特征吸收谱线。 分析红外光学气体检测系统中噪声的主要来源;详细介绍差分光学吸收检测技术，比较单波长双光路和双波长双光路两种方法的优缺点。采用双波长双光路差分光学吸收检测技术作为气体微弱信号检测方案;以双波长双光路差分光学吸收检测原理为基础，结合NDIR气体分析机理，对甲烷气体传感器结构进行设计，包括对红外光源、探测器等的元器件选型，设计反射式光学气室结构，研究气室光程对传感器透光率的影响，给出甲烷气体传感器的集成封装设计。 拟采取的研究方法、技术路线 研究方法：
1.结合每种气体都有其特征吸收谱线，查阅资料对不同的吸收线型及各类谱线展宽进行分析，主要研究甲烷的分子结构及其红外光谱，进而获取甲烷分子特征吸收谱线。
2.分析红外法补偿误差常用的谐波检测法和差分吸收法，重点分析几种常用的差分检测方法，主要选择时间双波长差分法作为检测方法，采用一个四位的波长转换装置设计方案实现双波长差分甲烷气体传感器，完成单光源单光路单探测器结构,消除了探测器不稳定带来的误差。设计的半开放式多光路反射气室,可方便地动态调节系统灵敏度。
技术路线：
首先将传感器主要分为光源，波长切换滤光盘，气室，探测器，放大电路和处理器组成。滤光盘由步进电机带动转动，进行波长的切换。传感器工作过程为：发出的光经过准直之后由滤光盘进行滤光，进入气室被气体分子吸收后，再由探测器转为电信号， 电信号经放大器放大后送入处理器进行数据处理 。数据处理主要依据甲烷HITRAN数 据库， 对甲烷结合带和泛频带的最强吸收曲线对应波长分别进行分析，从而准确的依据吸收谱线对甲烷进行检测。 研究计划及预期成果 阐述和分析甲烷气体检测的常用方法，主要介绍红外光谱吸收法测量甲烷气体的原理，基于差分检测方法的分析，应用双波长差分法对甲烷气体进行检测，并完成甲烷气体吸收光谱的分析，选定检测波长。 在理论分析的基础上，采用单光源探测器结构，设计和实现了双波长差分检测甲烷传感器，传感器采用四位旋转滤光盘，对光源输出的波长进行切换，实现双波长时间差分检测传感器。 特色或者创新之处 针对光源不稳定的情况，利用旋转四位滤光盘对光源进行处理，同时解决探测器背光干扰的问题，从局部上提高了甲烷检测传感器的准确度。 设计反射式光学气室结构，这种结构有利于气体的快速扩散，提高传感器的响应速度，可以在不影响气流扩散的同时又防止尘粒和外界光的干扰，这种气室只要改变入射光的角度就可以动态调节光程。 已具备的条件和尚需解决的问题 具备的条件： 已经查阅资料对不同的吸收线型及各类谱线展宽进行分析，发现了甲烷的分子结构及其红外光谱，获取了甲烷分子特征吸收谱线 对甲烷探测传感器的设计流程已经有了一定的了解，熟悉双波长时间差分检测传感器检测原理。 尚需解决的问题：
如何双波长双光路差分光学吸收检测方法和NDIR气体分析机理结合起来构建甲烷传感器，气室光程对传感器透光率的影响以及如何将甲烷气体传感器进行集成封装设计。 研究进度 2017年9月31日-2017年10月15日 确定选题，查阅资料。撰写开题报告初稿
2017年10月15日-2017年11月3日 完成开题报告并定稿
2017年12月1日-2018年2月1日 撰写毕业论文初稿准备测试报告材料。
2018年2月9日-2018年2月28日 撰写毕业论文第二稿
2018年3月1日-2018年3月29日 完成毕业论文并查重
2018年3月29日-2018年4月30日 准备毕业答辩材料
2018年4月28日-2018年4月30日 完成毕业答辩 主要参考文献 Crawford, et al. Real-time infrared gas detection based on an adaptive Savitzky–Golay algorithm[J]. Applied Physics B, 2015, 120(2):207-216. 谭秋林, 陈媛靖, 熊继军,等. 一种多气体检测的红外气体传感器:, CN103500770A[P]. 2014. [3]Kormann, et al. On-chip mid-infrared gas detection using chalcogenide glass waveguide[J]. Applied Physics Letters, 2016, 108(14):201-210.
[4]李朝阳, 李东山. 一种微型红外气体检测传感器:, CN 103954577 A[P]. 2014.
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[9]Liu Z Q, Wang R L. Gas detection with infrared absorption principle[J]. Coal Science & Technology, 2005. 刘永平, 王霞, 李帅帅,等. 基于红外技术的气体浓度检测方法研究[J]. 光子学报, 2015, 44(1):189-195. 戴峰, 常建华, 房久龙,等. 差频产生中红外光源及甲烷气体光谱检测[J]. 电子测量与仪器学报, 2017, 31(9). 梁亮, 贾建, 高晓光,等. 具有开放气室的实时红外气体检测系统[J]. 仪表技术与传感器, 2006(7):58-60. 李黎, 王一丁, 李树维. 红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用[J]. 天然气工业, 2011, 31(1):96-99.
指导教师意见：