基于NDIR方法的多组分气体检测系统

合集下载

基于NDIR原理的呼吸末CO2监测系统的设计探讨

１系统原理
１．１非分光红外光蕾法（ＮＤＩＲ）目前用于检测Ｃ０２浓度的传感器主要有以下几种：固体电解质ｃ如传感器、电容式Ｃ０２传感器、光纤
Ｃ０２传感器和红外线吸收型Ｃ０２传感器等。其中前几类传感器各有明显的缺点，限制了其在实际应用中的推广。目前最常用的Ｃ０２检测方法是基于非分光红外线光谱分析（ＮＤＩＲ，ｎｏｎｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｉｎｆｒａｒｅｄａｎａｌｙｚｅｒ），利用Ｃ０２对波长为４．２６ｌａｍ的红外辐射有强烈的吸收特性而吸收率又和Ｃ０ｚ浓度成正比的原理来进行测量分析的。ＮＤＩＲ有两种实现方式：单波长双光路法和双波长单光路法。单波长双光路法采用窄带光源，其波长在Ｃｏｚ气体吸收最强的４．２６ｖｍ处。光源发出的光束被分为两路，一路经过待测气体，一路不经过待测气体仅作为参考信息。光源的不稳定性以及光路和电路的噪声信
浙江大学医学院附属儿童医院杭州３１０００３
ＴｈｅＣｈｉｌｄｒｅｎ’ＳＨｏｓｐｉｔａｌＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｄｉｃｉｎｅＨａｎｇｚｈｏｕ３１０００３Ｃｈｉｎａ
摘要：本文设计了一款以单片机为核心的基于ＮＤＩＲ原理的呼吸末ｃ０２监测系统。该系统实现了对呼吸通路中Ｃ０２浓度的实时监测。通过验证，该系统能够较为准确地测量ＥＴ—Ｃ０２值，供临床参考。
１７１
一１６９—
２０１３中华医学会医学工程学分会第十四次学术年会
图２系统硬件框图红外光源和红外传感器是ＮＤＩＲ法测量的核心部件，其稳定性和测量精度决定了系统的性能。红外光源必须由稳定的电源供电。红外传感器自带温度传感器，能够进行温度补偿。红外传感器采集的信号是模拟信号，极其微弱，且存在各种干扰，故需要高精度低漂移的模拟放大电路和ＡＤ转换作为信号预处理电路。经过预处理的信号送入单片机后经过相应的运算即可获得当前的Ｃ０２浓度值。单片机一方面直接驱动液晶显示器实时显示Ｃ０２浓度值，同时在定时器中断中间歇式地将数据存储在Ｅ２ＰＲＯＭ中，当检测结束后可以通过串口或ＵＳＢ口将Ｅ２ＰＲＯＭ中的数据上传到Ｐｃ机，形成直观的Ｃ０２浓度变化曲线，便于进行进一步的分析处理。２．３软件设计软件由Ｃ５１语言编写，采用模块化结构，由数据采样、预处理、补偿算法、数据存储和通信等几大模块组成。主程序流程图如图３所示：

一种基于NDIR原理的气体检测装置[实用新型专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020715616.8(22)申请日 2020.04.30(73)专利权人威海精讯畅通电子科技有限公司地址 264200 山东省威海市火炬高技术产业开发区鞍山路52-1号(72)发明人王相　田聪聪　杨开华　庞喜龙　(74)专利代理机构济南舜源专利事务所有限公司 37205代理人张营磊(51)Int.Cl.G01N 21/3504(2014.01)G01N 21/03(2006.01)(54)实用新型名称一种基于NDIR原理的气体检测装置(57)摘要本申请提供一种基于NDIR原理的气体检测装置，涉及气体浓度检测技术领域，包括底板和相扣合的检测壳体，底板上固定有安装座；安装座的一端为光源发射端，另一端为光源接收端；所述检测壳体的内部设有光路腔体，所述光路腔体采用塑料材质，所述光路腔体的内表面采用电镀金属抛光处理。

本申请基于NDIR原理进行设计，基于数学模型分析了光在气体检测腔体内的变化路径，基于此确定了腔体边角弧度，做塑料模型，并在塑料模型上进行电镀，以增加腔体的反射效果，并降低造价。

权利要求书1页说明书4页附图3页CN 212159554 U 2020.12.15C N 212159554U1.一种基于NDIR原理的气体检测装置，其特征在于：包括底板(1)和相扣合的检测壳体(2)，底板(1)上固定有安装座；安装座的一端为光源发射端(4)，另一端为光源接收端(5)；所述检测壳体(2)的内部设有光路腔体，所述光路腔体采用塑料材质，所述光路腔体的内表面采用电镀金属抛光处理。

2.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的气体检测装置，其特征在于：所述光路腔体采用直线型腔。

3.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的气体检测装置，其特征在于：所述光路腔体采用螺旋型腔。

4.根据权利要求2所述的基于NDIR原理的气体检测装置，其特征在于：所述检测壳体(2)靠近光源接收端(5)一侧的内侧面为弧形内腔面(7)，所述弧形内腔面(7)向远离光源发射端(4)的一侧内凹。

基于ndir和pid传感器的气体检测系统设计

热电堆电路如图3所示act和ref分别是测量和参考输出84k内部堆电阻与电容82nf的cact1组成低通滤波电路3db截止频率约231hzract1ract2cact2与ad8605构成同相放大电路cact2是滤波电容对低频信号电容可看作开路对高频信号电容看作短接此时的电路相当于一个电压跟随器避免了对高频信号的放大取值约15nf
摘要：针对电化学气体检测传感器的不足，基于ＮＤＩＲ和ＰＩＤ传感器设计了气体检测系统。采用ＡＤ８６０５＋ＡＤ７１９０设计了带增益的ＩＶ转换和同相放大电路采样传感器数据，辅以ＡＤＭ３２０２＋ＭＣＰ２２００＋ＡＤ５４２０＋ＡＤ５７００提供了串口、ＵＳＢ和兼容ＨＡＲＴ的４～２０ｍＡ输出的通信接口。详细介绍了电路的基本原理、关键参数选型和配置流程。下位机软件负责采样数据的计算和传输，基于ｊａｖａ和ＬａｂＶＩＥＷ的上位机软件实现了数据的ｈｓｑｌｄｂ存储和显示。以海曼ＮＤＩＲＣＯ２传感器和Ｓ１２２６为例进行了测试，结果表明系统运行稳定，丰富了气体检测的设计方法，具有一定的实用价值。关键词：气体检测；ＩＶ转换；ＬａｂＶＩＥＷ；ｊａｖａ；ｈｓｑｌｄｂ中图分类号：ＴＰ３９文献标识码：Ａ文章编号：１６７２９７０６（２０２０）０１０１１１０９
· １１１感器的不足，基于ＮＤＩＲ和ＰＩＤ传感器设计了一套完整的气体检测系统［４～６］，进一步完善了气体检测的设计方法。
１系统结构
ＮＤＩＲ＋ＰＩＤ传感器气体检测系统硬件结构如图１所示，包括信号处理模块、数据处理模块和通信模块等。对ＮＤＩＲ传感器，信号处理模块包括红外光源和增益滤波电路。ＡＤｕＣＭ３６０控制红外光源发出光脉冲，ＮＤＩＲ传感器根据检测到的光信号输出对应的电压值，本文采用的热电堆传感器输出最大ｍＶ级的电压信号，再经过增益滤波后传输给数据处理模块的ＡＤ７１９０采样。对ＰＩＤ传感器，信号处理模块包括带增益的ＩＶ转换和低通滤波电路。因为输出的是微弱电流信号，微弱电流经ＩＶ转换放大成合适的电压信号，经过低通滤波后送给数据处理模块的ＡＤ７１９０采样。ＡＤ７１９０把采样数据传给ＡＤｕＣＭ３６０处理并通过通信接口传输。通信模块包括串口、ＵＳＢ和４～２０ｍＡ的标准工业信号接口，可满足各种场合的应用。软件结构如图２所示，包括上位机与下位机两部分。下位机运行在检测硬件上，执行ＡＤ采样、ＤＡ输出和传输等功能。上位机运行在客户端，ｊａｖａ存储程序存储采样数据到ｈｓｑｌｄｂ数据库，ＬａｂＶＩＥＷ监控程序显示采样信息。

基于NDIR的汽车尾气检测系统设计

基于NDIR的汽车尾气检测系统设计吴晓燕;焦玉成【摘要】为实现对汽车尾气中的CO2,CO,HC的测量,介绍了非分光红外技术的工作原理,提出了基于此技术的便携式汽车尾气检测系统的设计方案.经实验结果证明,系统具有测量精度高、稳定性好和便于携带的特点,能够满足气体浓度测量分析的需求.%In order to implement the measure ment of CO2,CO,HC in automotive exhaust gas,the working principle of NDIR method is intro duced,and the design scheme of portable automo tive exhaust gas detection system based on it is proposed.The experimental results show that the system is accurate,stable and portable to meet the requirement for gas concentration measurement.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2013(000)008【总页数】4页(P51-53,62)【关键词】汽车尾气;非分光红外;检测;单片机【作者】吴晓燕;焦玉成【作者单位】南京化工职业技术学院,江苏南京210048;三江学院,江苏南京210012【正文语种】中文【中图分类】TP2160 引言伴随着汽车工业的发展，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具，然而由于汽车尾气排放所造成的环境破坏已发展成为严重的社会问题［1］。

汽车尾气危害人体健康，腐蚀城市建筑，破坏城市景观，对人类生存环境造成了严重影响。

因此，在环境意识倍增的今天，加强对汽车尾气的检测及治理显得尤为重要。

长久以来，国内使用的很多尾气分析仪由于精度低、检测时间长、体积大和不便于携带等缺点，无法满足现代社会发展的需求。

基于NDIR和PID的ADI气体检测解决方案

基于NDIR和PID的ADI气体检测解决方案
日前，ADI推出了业界首款具有真正的片上轨到轨模拟和基准输入缓冲器的24位Σ-∆模数转换器AD7175-2，吐速率可达250 kSPS。

AD7175-2在20SPS时具有24个无噪声位，在250kSPS时具有17.2个无噪声位，为设计人员提供了更宽的动态范围，可实现实验室分析仪器系统所需的较小信号测量偏差。

ADI公司亚太区精密仪器业务部系统应用工程师李强表示，ADI推出
AD7175-2的市场动因，主要来自日益增加的食品和饮用水监管压力、药物材料研究以及石油天然气勘探的需求。

在检测食品和环境污染，甚至实时的毒品光谱检测中，ADC发挥着重要的作用。

为什幺AD7175-2能用于化学分析和环境监测？
AD7175-2通过实现24位无噪声分辨率，可以解析到更小的信号和偏差，并且可以使用一种转换器处理具有不同特性的不同类型信号。

同时，还可通过轨到轨缓冲器来驱动和优化增益网络，降低设计风险和缩短产品上市时间。

李强介绍说，与竞争型解决方案相比，AD7175-2在相同功耗下的吞吐速。

多组分气体检测原理

多组分气体检测是通过各种技术手段对混合气体中不同成分进行定量或定性分析的过程。

以下是一些用于多组分气体检测的原理：1. 光声光谱法（Photoacoustic Spectroscopy, PAS）：原理：当气体样品吸收特定波长的光能时，会产生热膨胀和压力波动，形成可听见或检测到的声波信号。

通过测量这些声波的强度，可以推算出气体中各组分的浓度。

2. 非分散红外光谱法（Non-Dispersive Infrared, NDIR）：原理：不同类型的气体分子在红外光谱中有其特定的吸收峰，NDIR通过检测特定波长下红外辐射能量的衰减程度来测定对应气体的浓度。

3. 气相色谱法（Gas Chromatography, GC）：原理：利用待测气体混合物中各组分在固定相和移动相之间分配系数的不同，在色谱柱内实现分离，再通过检测器对各个流出组分进行识别和定量。

4. 质谱法（Mass Spectrometry, MS）：原理：气体样品进入质谱仪后被离子化，然后根据离子的质量/电荷比（m/z）进行分离和检测，从而确定各组分的存在及其相对含量。

5. 红外光谱法（Infrared Spectroscopy, IR）：原理：混合气体中的化学物质会吸收特定频率的红外光，每种化合物都有其独特的红外吸收光谱，通过测量总的红外光吸收曲线并进行解析，可以得到混合气体中各组分的信息。

6. 催化燃烧法、电化学传感器等其他方法：一些气体可以通过催化燃烧反应产生热量变化，或者通过与电极表面发生化学反应产生电流变化，以此间接或直接测量气体浓度。

综上所述，多组分气体检测技术的选择取决于目标气体的性质、检测要求的灵敏度、响应时间以及现场条件等因素。

不同的检测技术具有各自的优点和适用范围。

基于NDIR技术的SF_6气体浓度检测系统设计

基于NDIR技术的SF_6气体浓度检测系统设计SF6气体具有极高的稳定性、极强的电气绝缘强度和优异的灭弧性能,广泛应用于电力系统。

然而,由于设备制造工艺、生产安装等差异,以及老化等因素,发生SF6气体泄漏是一个普遍存在、无可避免的问题,一旦发生SF6气体泄漏,将给国家财产带来巨大损失,甚至严重威胁人员身体健康。

因此,对SF6气体浓度检测系统的研制具有重要意义。

基于红外光谱吸收原理,本论文设计了一套体积小巧、高测量精度的采用NDIR（非分光红外）技术的SF6气体浓度检测系统,主要研究内容如下:（1）详细阐述了SF6气体浓度测量原理,对比常用SF6气体浓度测量方法,分析了非分光红外技术的测量优势。

（2）设计并完成了一套SF6气体浓度测量系统,包括器件选型、电路系统、GUI（用户操作界面）设计、温度补偿算法设计。

其中,采用双通道热释电SF6气体探测器,可抑制红外光源老化造成的输出光强不稳定、灰尘等因素的影响;在电路系统中,设计二阶带通滤波器,以及高增益仪表放大器,提取探测器原始电压信号,信噪比较高;采用STM32单片机搭建最小系统,负责下位机中控任务以及与上位机之间的数据通信;GUI具有实时绘制通道曲线、浓度曲线、显示温度、保存图片等功能;修正Lambert-Beer定律,提出温度补偿算法,使测量结果更加准确。

（3）完成SF6气体浓度检测系统的测试工作,包括硬件电路测试、浓度标定测试。

红外(ndir)气体检测原理

红外(ndir)气体检测原理红外（NDIR）气体检测原理引言红外（NDIR）气体检测是一种常用的气体检测技术，它利用红外吸收的特性来测量气体浓度。

本文将介绍红外（NDIR）气体检测的原理及其工作过程。

一、红外吸收原理红外吸收原理是指在特定波长的红外光照射下，气体分子会吸收特定的红外光，并产生光谱吸收峰。

不同气体分子在红外光谱上有不同的吸收特性，这使得红外（NDIR）气体检测成为一种可靠的气体浓度测量方法。

二、红外（NDIR）气体检测工作原理红外（NDIR）气体检测仪器主要由光源、传感器、光学系统和信号处理器组成。

其工作原理如下：1. 光源发射：红外（NDIR）气体检测仪器中的光源会发射特定波长的红外光。

2. 光学系统：红外光通过光学系统进入气体测量室，其中包括光源透过窗口进入，经过气体测量室后，透过窗口离开。

3. 气体测量室：气体测量室是红外（NDIR）气体检测的核心部分。

气体进入测量室后与红外光发生相互作用，其中吸收特定波长的红外光的气体分子会吸收光能，而不吸收的气体分子则通过测量室。

4. 传感器接收：测量室外的传感器会接收透过测量室的红外光，并将其转换为电信号。

5. 信号处理：接收到的电信号将被信号处理器处理，通过校准和计算，最终得到气体浓度的读数。

三、红外（NDIR）气体检测的优势红外（NDIR）气体检测具有以下优势：1. 高灵敏度：红外光谱吸收峰较为明显，使得红外（NDIR）气体检测仪器能够对气体浓度进行精确测量。

2. 高选择性：不同气体分子在红外光谱上的吸收特性不同，使得红外（NDIR）气体检测仪器能够对多种气体进行同时检测。

3. 高稳定性：红外（NDIR）气体检测仪器采用了高质量的光学元件和传感器，具有较高的稳定性和可靠性。

4. 宽动态范围：红外（NDIR）气体检测仪器能够适应不同浓度范围的气体检测需求。

四、应用领域红外（NDIR）气体检测技术广泛应用于以下领域：1. 工业安全：红外（NDIR）气体检测可以用于工业环境中有害气体的监测，如燃气、有机溶剂等。

基于NDIR的多组分危险气体在线监测系统设计

基于NDIR的多组分危险气体在线监测系统设计
孙祚;郭永彩;焦敏;闫泽宇;万涛;刘邦学
【期刊名称】《激光杂志》
【年(卷),期】2024(45)4
【摘要】在冶金、石化、化工等工业领域生产过程中会产生大量易燃易爆、有毒
有害的多组分危险气体(CO、CO_(2)、SO_(2)、NO、NH_(3)等),这些有害气体容易引发事故。

而现有的在线测量预警系统不能满足高集成、低干扰、高灵敏的要求。

本文针对影响检测结果的微弱信号、光源调制、气体信号交叉干扰、温度控制等因素,设计了相应的电路和算法,并进行了实验验证。

实验结果表明,本文提出的基于锁相放大器电路的微弱信号提取技术、基于MOS管驱动电路的PWM波调制技术、基于融合算法的浓度反演模型,能够实现对五种危险气体(CO、CO_(2)、SO_(2)、NO、NH_(3))的在线监测,检出限达到0.01%,避免了多种气体之间的交叉干扰,适
用于工业生产危险气体在线分析及预警系统,具有广阔的应用前景。

【总页数】6页(P40-45)
【作者】孙祚;郭永彩;焦敏;闫泽宇;万涛;刘邦学
【作者单位】重庆大学光电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN209
【相关文献】
1.基于图像处理和光电传感技术的SF6气体在线监测系统设计
2.基于NDIR原理的多组分气体在线监测系统的设计与实现
3.基于NDIR和PID传感器的气体检测系统设计
4.基于SF_(6)气体的高压断路器运行状态在线监测系统设计
5.基于DSP 的GIS气体状态在线监测系统设计与实现
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于NDIR的二氧化碳气体浓度检测系统的开题报告

基于NDIR的二氧化碳气体浓度检测系统的开题报告
一、选题背景
随着全球气候变化的加剧，人们对空气质量的关注越发增加。

其中，CO2作为一种主要的温室气体，其浓度变化对大气环境和人的健康都产
生了不可忽视的影响。

因此，设计一种基于NDIR技术的CO2气体浓度
检测系统，对环境保护和人的健康具有重要意义。

二、研究内容
本文将设计一种基于NDIR（Non-Dispersive Infrared）技术的CO2
气体浓度检测系统。

该系统主要包括光学系统、光电转换模块、信号处
理模块等部分。

系统的主要原理是通过NDIR技术，在给定的波长范围内测量样品中CO2分子吸收的红外辐射强度，从而得到CO2气体浓度。

具体步骤如下：
1. 光学系统部分：利用光源、光路组件和样品池等构建NDIR测量
光路，从而实现可靠的CO2浓度检测。

2. 光电转换模块：将样品吸收的辐射信号转换为电信号并进行放大
和滤波，以提高信噪比和精度。

3. 信号处理模块：对光电转换模块得到的电信号进行数据处理和分析，进而得到CO2气体浓度。

三、预期结果
本文将通过实验对所设计的CO2气体浓度测量系统进行测试，并对测试结果进行分析和验证。

预计该系统将实现精度高、稳定性良好、响
应速度快的优点。

四、研究意义
本文将设计出一种基于NDIR技术的CO2气体浓度检测系统，该系统具有一定的创新性和实用性，并可用于环境保护、健康管理等领域。

同时，该研究还可拓展NDIR技术在其他气体浓度检测领域的应用。

ndir气体传感器原理

ndir气体传感器原理NDIR（非散射红外）气体传感器是一种广泛应用于气体检测和监测领域的传感器。

它基于非散射红外原理，通过测量气体分子对特定波长的红外光的吸收程度来确定气体的浓度。

NDIR气体传感器凭借其高精度、快速响应和良好的稳定性，在环境监测、工业安全和室内空气质量监测等领域得到了广泛应用。

NDIR气体传感器的工作原理主要包括红外光源、红外滤光片、红外探测器和气体室等关键部分。

首先，红外光源产生特定波长的红外光，然后通过红外滤光片选择性地过滤掉其他波长的光，只保留特定波长的红外光。

经过滤光片后的红外光进入气体室，与待测气体发生相互作用。

待测气体中特定分子对特定波长的红外光具有吸收能力，因此，通过测量红外光的吸收程度就可以确定气体的浓度。

在气体室中，红外探测器接收经过吸收后的红外光，并将其转化为电信号。

通过测量电信号的强度，可以确定气体浓度的大小。

NDIR 气体传感器通常使用双光束设计，即将红外光源分为两个光束，一个用于参考，一个用于测量。

通过比较参考光和测量光的强度差异，可以消除光源的漂移和光学元件的变化对测量结果的影响，提高传感器的准确性和稳定性。

NDIR气体传感器的选择性是其核心优势之一。

不同气体分子对红外光的吸收特性不同，因此通过选择合适的红外波长和滤光片，可以实现对特定气体的高度选择性检测。

这使得NDIR气体传感器在多气体混合环境下具有较好的分辨能力，能够准确地测量目标气体的浓度。

NDIR气体传感器还具有快速响应和高灵敏度的特点。

传感器的响应速度取决于红外光源的强度和气体分子对红外光的吸收能力。

红外光的强度越大，传感器的响应速度就越快。

而气体分子对红外光的吸收能力越强，传感器的灵敏度就越高。

因此，通过优化光源和选择合适的红外波长，可以提高传感器的响应速度和灵敏度。

然而，NDIR气体传感器也存在一些局限性。

首先，由于红外光在空气中的传播受到水蒸气和二氧化碳等气体的影响，传感器在高湿度和高浓度二氧化碳环境下可能出现测量偏差。