论文总字数：16832字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本论文主要工作 3

2 理论基础 4

2.1 红外光谱吸收原理 4

2.2 朗伯-比尔定理 4

3 传感器系统设计方案 6

3.1 总体方案设计 6

3.2 传感器光路系统设计 6

3.2.1 光源的选择 7

3.2.2 探测器的选择 8

3.2.3 滤光片的选择 8

3.3 电路系统设计 8

3.3.1 单片机的选择 9

3.3.2 电源电路 11

3.3.3 光源驱动电路 13

3.3.4 信号调理电路模块 13

4 系统软件设计 16

4.1 软件系统总体流程 16

4.2 显示程序设计 17

5 实验结果与讨论 18

5.1 系统标定实验 18

5.2 传感器性能测试 19

6 总结与展望 21

6.1 总结 21

6.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

基于NDIR原理的六氟化硫气体传感器的设计

田月鹏

,china

Abstract: Although SF₆ gas has been widely used in the power system for decades, but as a highly toxic gas, SF₆ can cause serious injury when it was leaked. In order to realize accurate and rapid detection of SF₆, in this paper, we designed a SF₆ gas sensor based on NDIR theory. According to SF₆ has characteristic absorption spectrum when irradiated with infrared light, the gas sensor we reported here could be used to detect SF_6, which features: high accuracy, good stability, long service life and miniaturization et al. The gas sensor is consist the light path system and the circuit system. The light path system is constructed by novel infrared light source and infrared detector. Structure of light path system was optimized through reasonable design of gas chamber structure，which improves the stability of the system. The circuit system includes signal adjustive module, A/D convertor module, signal pocessing module, light source module and alarm module. The gas sensor is easy to maintain and modify, since the system was programmed by C language. The feasibility of the system has been tested by experimental verification, and the desired result was attained.

Keywords:SF₆ gas;NDIR theory;sensor

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

常温环境下，六氟化硫（SF₆）气体具有无色、无味、无毒以及不可燃的特性。从化学性质角度来说，六氟化硫这种气体是相对比较稳定的，在空气中它既不会燃烧也不会起到助燃的作用。而且无论是与水还是与碱、盐酸、硫酸等都不会产生化学反应。当温度低于150摄氏度时，六氟化硫就会呈现化学惰性，它的化学惰性主要是指在低于150摄氏度时，只有极少数的六氟化硫会与水相熔。除了这些化学性质以外，SF₆也不会与电器中的金属或者有机材料相互作用。在绝缘性方面，六氟化硫比空气和油更加优异，属于新一代的超高压绝缘介质材料。SF₆应用范围十分广泛，在电力系统中，SF₆可以用来制造大容量的变压器以及作为用于高压电缆的绝缘材料；在采矿业方面，SF₆可以被当做吸附剂使用以置换矿井中的氧气；在冷冻工业方面，由于它是一种很好的冷却介质，故可以发挥强大的冷却作用。在科学技术的不断进步的影响之下，SF₆也越来越多的发挥它的作用，被越来越多的行业所使用。

SF₆气体因在灭弧和绝缘方面有着优越的性能，因而SF₆被广泛的应用于电力工业中，主要是在高压开关、气体绝缘设备、超高压断路器、绝缘输电管线还有复合开关设备上。接触六氟化硫的环境常见的有以下几种，电力变配电的六氟化硫开关室、六氟化硫储气仓库、六氟化硫生产厂家、高压开关厂实验室、电科院中式所的实验室、六氟化硫运输环节等。这种场合的SF₆一旦泄漏，如果遇到大功率电弧、火花放电以及电晕放电的作用，SF₆将会分解出含有毒性甚至是剧毒的氟化物和硫化物，这些氟化物和硫化物主要是SF₄和SF₂。虽然灭弧后会迅速的还原成原有气体，但仍有化学混合有毒气体产生。六氟化硫气体泄露时，会造成房间内氧气不足，一经泄漏的六氟化硫混合气体容易导致人身窒息，吸入六氟化硫过量会导致胸闷，短时间内吸入六氟化硫过量还会导致呼吸道破损出血，鼻腔干燥、出血。长期接触并微量吸入SF₆，容易导致皮肤肿瘤，呼吸道破损，口腔溃疡等，严重的还会有眼角膜炎症等，进而可能会造成人缺氧死亡，所以电厂均会采用六氟化硫在线监测系统，及时报警六氟化硫泄漏量。长期接触SF₆气体的人员比如电力检修、巡检等工作人员，必须注意进入装有SF₆电气设备室内应提前排风或安装六氟化硫泄漏在线监控报警系统，以绝对保障人员安全。SF₆在经过高压或者放电作用下较容易分解，在与空气中的氧气和水分产生化学效应后，生成强腐蚀性的物质，所生成的物质会对固体绝缘材料和金属材料形成损害，加速绝缘劣化，引起设备故障，乃至威胁到工作人员的身体健康。所以，在进行电力工作时最重要的事情就是必须要保证相关电力设备安全运行并且要仔细检查SF₆气体是否泄漏。因此，我们需要尽快展开针对SF₆传感器的研究。

1.2 国内外研究现状

目前检测SF₆气体浓度的方法，较为普遍的有五种方法，分别为电化学检测法、气相色谱检测法、电击穿检测法、电子捕获检测法以及红外光谱吸收检测法。电化学法是利用化学原理通过被测气体与物质进行氧化还原反应，从而生成电流来检测气体浓度，由于当SF₆气体接触到温度高达200℃左右的催化剂表面时会与之产生氧化还原反应，因而可以通过输出电信号来间接检测SF₆气体浓度含量，随着SF₆气体浓度的变化，输出信号也会随之改变。电化学原理制成的气体传感器有着造价低，使用寿命长的优点，但常常伴随着测量精度差的缺点。利用SF₆气体具有绝缘性的特性，电击穿法通过空气中的高压变化来检测SF₆气体在空气中的含量。然而，这种方法受到的干扰因素很多并且缺点是使用寿命短。气体能吸附在元件表面，改变元件的导电能力，气体吸附法利用这一特性实现对SF₆气体的浓度监测^[2]。但这种方法检测误差大，易出现误报漏报现象，使用寿命较短。气相色谱法是利用两相之间的相对运动，实现气体的定性定量分析。气相色谱传感器灵敏度高，分离效率高，并且可以检测多种气体；但是，这种传感器同样具有缺点，即成本高、响应时间长，且不利于小型化设计。电子捕获法利用气体分子的带电性，吸附电子，通过检测气体的电荷量，可以对气体浓度进行检测。由于该方法检测结果误差较大，辐射源的存在限制了电子捕获法的推广使用。红外光谱吸收原理是利用不同气体分子吸收光谱有着选择性的特点，来实现对不同的特定气体的检测。NDIR原理传感器与其它传感器相比，优点在于价格更低、功能损耗更小、寿命更长、精度更高，尤其以其极高的气体选择性而具有难以替代的作用，近年来得到迅速发展。本设计采用技术优越的红外光谱吸收法检测SF₆气体。

国外发达国家对于红外吸收原理的检测技术研究起步较早。德国在上世纪七十年代研发了具有防止爆炸类型的基于红外吸收基本原理一氧化碳检测仪器并于1992改进其型号，虽然检测范围很小，精度不高，设备笨重，但是这种仪器大力发展了气体检测技术。在同一时间，德国PerkinElmer公司研制的红外光源IR715、热释电探测器PYS3228-TC可以称得上是在红外光源和探测器领域的巨大成果。这种光源极为稳定且可靠。特别要提及的是，这整套产品不仅技术参数稳定，而且成本低、性价比高。红外光源、气体检测传感器及电子科技技术在近些年来不断发展，本文中基于NDIR原理制成的传感器在光源部分选用电调制光源以及选取新型红外探测器，选取低功耗嵌入式系统应用于系统电路，对比其他检测气体浓度仪器，有着更为小型化、功能损耗更低、传感器性能更高、实验检测成本更低的优势^[3]。美国和日本生产的产品较之其他国家的产品更加成熟完善。

国内对于红外气体检测方法的研究起步较晚。多采用国际80年代初的红外气体分析方法，这种分析方法在稳定性能以及功能损耗存在着明显瑕疵，且实验成本过高；由于薄膜电容微音器易受到震动的影响，因而这种传感器不便于随身携带。随着MEMS电调制红外光源及新型红外传感器的发展，我国在这方面研究取得了一定进步发展，2009年，哈尔滨工业大学孙辉等人设计出了在红外线吸收基础之上的多组分气体检测仪。它可以达到同时测量氧气、二氧化硫和一氧化氮多种气体的目的。该设备上位机采用基于嵌入式工控系统，下位机在传感器采集模拟量方面，选用 PIC单片机，内含CF存储卡、6.4寸触摸液晶屏。在数据通信方面，选取RS232串口。多组分气体检测仪具有完善的设备，可视化程度高。杭州聚光科技和奥式气体分析仪是国内较为先进的红外传感器。但国内产品在精度、稳定性和寿命等方面较之国外产品还有待提高。

1.3 本论文主要工作

在通过对几种不同的气体检测方法的优缺点进行分析研究之后，最终决定利用NDIR原理设计制作本次实验的传感器。根据NDIR原理，针对不同气体分子对红外光辐射光源的选择性吸收这一特点作出阐述，并对气体分子吸收光谱的理论依据朗伯-比尔定律简单做出介绍。根据理论指导构建传感器模型，选择单光路单波长的测量结构，设计出传感器的总体流程方案。在光学系统中，针对红外光源、镀膜气室、探测器、滤光片等光学器件的选型做出阐述说明，分别对各器件选择的注意点以及性能简单说明；介绍气室的构造，对可能影响传感器性能的部件进行分析。光路系统设计是通过热释电探测器完成光信号到电信号的转化。结合光源和探测器的性能特点以及功能特点，设计传感器的电路系统，主要是要达到处理信号、计算浓度、驱动光源等的目的。本文将传感器涉及到的电路一一做出介绍说明，分析其性能作用，并设计系统软件部分，制作流程图，并对软件的主要部分作出说明。然后进行浓度标定实验以及对传感器进行基本功能测试实验，结合测试数据，反复试验，再分析检测结果。本文最后，对在实验过程中遇到的问题以及工作结果进行总结，并提出对不足或者需要改进的地方思考。

2 理论基础

2.1 红外光谱吸收原理

根据红外光谱理论，气体分子吸收光谱具有选择性，当红外光照射气体分子时，气体分子的振动频率与红外光某频率相一致时，气体分子就会吸收这一波段的红外光，该频率的红外光能量就传递给气体分子，导致该频率的红外光辐射减弱。不同的气体分子因振动频率的差异而吸收不同频率的红外光辐射。本设计就是根据SF₆气体对红外光具有频率选择性这一特点，实现了对SF₆气体浓度的精确检测。

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