n-红外瓦斯传感器微弱信号处理电路设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
煤矿瓦斯报警无线传感器网络节点设计与实现
煤矿瓦斯报警无线传感器网络节点设计与实现
瓦斯气体浓度是煤矿监控系统的重要指标之一，目前绝大多数矿用瓦
斯气体传感器设备都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电力线缆或信号线
缆等。
但这种传统的有线布设方式存在着本质的缺陷[1]：部线繁琐、线路依赖
性强、安装部设维护成本较大等。
矿井一旦出现事故，特别是发生爆炸事件时，传感器设备及线缆往往会受到致命的破坏，不能为搜救工作及事态检测提供信息。
把无线传感器网络应用到煤矿监控系统中，通过各种传感器实时采集矿井的环境信息，由嵌入式系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳
中继方式将信息传输到井外的监控终端，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高、易于校正等优点。
本文设计并实现了煤矿瓦斯报警无线传感
器网络的节点系统。
1 煤矿瓦斯报警无线传感器网络
如图1 所示，整个网络由瓦斯传感器网络节点群、接收发送基站、互联
网和监控终端构成[2～3]。
由多个瓦斯传感器网络节点在矿井内形成自组网，
某个节点的采集数据可以通过多跳中继方式发送到井外接收发送基站，再通过
串口发送到本地或远程PC 机上，实现实时监控。
瓦斯传感器网络节点作为整
个网络的基本组成部分，不仅能够进行瓦斯浓度、温湿度信号的采集处理，还
能够在节点之间组网，进行节点定位和无线收发。
节点系统提供信息的本地液
晶显示。
2 瓦斯传感器网络节点硬件系统设计
瓦斯传感器网络节点系统的硬件框图如图2 所示，主要包括LXK－3 瓦
斯传感器、SHT11 温湿度传感器、PPD4NS 粉尘传感器模块、ATmega128L 单片机、CC1000 无线收发芯片、液晶显示模块等。
122-矿用红外瓦斯传感器系统抗干扰设计与信号处理
矿用红外瓦斯传感器系统抗干扰设计与信号处理李 明(天地科技股份有限公司建井研究分院,北京100013)[摘 要] 重点介绍了矿用红外瓦斯检测系统中检测信号受到的干扰因素及解决办法,在排除干扰影响下进一步将信号进行处理,采用了高功能放大、整流电路等,有效地提高了传感器对信号采集的可靠性和精确度。
[关键词] 红外;瓦斯;传感器;抗干扰;信号处理[中图分类号]T D 712.55[文献标识码]A [文章编号]1006-6225(2010)04-0125-02A n t i -i n t e r f e r e n c e D e s i g n a n dS i g n a l C o n t r o l o f Mi n e I n f r a r e dMe t h a n e S e n s o rL I M i n g(S h a f t B u i l d i n g R e s e a r c hB r a n c h ,C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 100013,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r m a i n l y i n t r o d u c e d i n t e r f e r e n c e f a c t o r s o f t e s t s i g n a l i n m i n e i n f r a r e d m e t h a n e t e s t s y s t e ma n d s o l u t i o n s .T h e s o l u -t i o n s i n c l u d i n g d i s t i n g u i s h i n g i n t e r f e r e n c e ,e n l a r g i n g s i g n a l a n du s i n gr e c t i f i e r c i r c u i t w e r ea p p l i e dt o e f f e c t i v e l y i m p r o v i n gr e l i a b i l i t y a n d a c c u r a c y o f s i g n a l c o l l e c t i o n .K e yw o r d s :i n f r a r e d ;m e t h a n e ;s e n s o r ;a n t i -i n t e r f e r e n c e ;s i g n a l d i s p o s a l[收稿日期]2010-06-30[作者简介]李 明(1953-),男,山东莒县人,高级工程师,从事矿用仪器仪表的研究开发。
一种新型智能瓦斯传感器硬件电路设计
一种新型智能瓦斯传感器硬件电路设计作者：辛斌来源：《硅谷》2010年第17期摘要: 以国家煤矿瓦斯检测标准为依据,进行智能瓦斯传感器的电路设计。
重点研究检测电路的设计,并介绍信号放大电路的设计。
该智能瓦斯传感器硬件系统具有结构紧凑、性能可靠、功能完善等特点,奠定智能瓦斯传感器的基础,为高可靠性瓦斯检测提出新的解决方法。
关键词: 智能传感器;瓦斯检测;单片机中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0910098-01从硬件角度看,现有煤矿瓦斯检测仪器有模拟式和数字式两种类型,其工作原理都是对传感器测量电路(惠斯顿电桥)输出进行放大处理,瓦斯超限后触发报警装置实现声音报警或光源闪烁报警。
传统模拟式瓦斯检测系统无法处理传感器长时间工作出现的零点漂移和灵敏度非线性变化,测值稳定性差,导致校准周期短。
另外系统校准大多采用电位器调节电桥平衡,调校、测试过程繁琐,对调试人员水平要求高,且受人为因素影响较大,使得调校工作量大、维护成本高,限制了瓦斯检测安全设备的推广和发展。
智能瓦斯传感器的硬件系统是实现瓦斯检测数字化、智能化的关键。
由于该传感器应用于矿井,且属于多催化气敏元件系统,因此,在硬件系统的研制中要综合考虑性能、防爆、价格等多种因素。
该智能传感器系统的硬件设计包括数据采集、电源设计、信号放大电路设计以及控制输出电路设计等。
1 系统防高浓度瓦斯冲击电路的设计目前煤矿检测设备大部分采用锂电池供电,为了和其它煤矿检测设备对接方便。
本智能瓦斯传感器设计采用锂离子电池供电,可以和其它煤矿检测设备公用电源,也可以单独使用锂电池供电。
锂离子电池标称电压3.7V,充电截止电压4.2V。
故需要采用专用的稳压器件将锂离子电池的电压稳定到一定值,保证系统电源稳定可靠。
传统的线性稳压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2V-3V以上,否则就不能正常工作。
LDO低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。
家用瓦斯警报系统的电路设计
摘要在物质文明飞速发展的今天，传感器技术作为一门新兴学科已经得到了大规模的开发和应用。
现在随着科学技术的进步以及电子计算机、机器人、自动控制技术和单片机嵌入系统的迅速发展，迫切需要形形色色的传感器。
显而易见，传感器在现代科学技术领域中占有极其重要的地位。
了解、掌握和应用传感器已成为电子专业技术人员的必需技能。
本文以瓦斯报警器为例，详细阐述了气体传感器的工作原理的传感器的未来发展趋，并与实际电路相结合，对其具体工作过程进行了分析探讨，对以气敏元件为基础构成势与应用也有所探讨。
家用瓦斯报警器主要应用于室内等有爆炸性气体环境对甲烷浓度进行检测，从而避免瓦斯爆炸，保证家庭安全。
与之相关的气体传感器设备如：酒精报警器、自动去湿装置、自动空气净化换气扇等也逐渐出现在人们的视线中，可见传感器技术在人们日常生活中所起的作用越来越大。
通过阅读本文，读者可以了解到气体传感器的工作原理、理论基础和实际应用。
关键词气体传感器，瓦斯，半导体气敏元件AbstractToday flown to develop soon in the material civilization, spread the feeling machine technique conduct and actions, a newly arisen academics has already got a large-scale development and the application.Imbed the quick development of the system along with science technical progress or computer,robot,automatic control technique and single slice machine now, urgent demand the myriad shapes spread a feeling machine.Spread the feeling machine to occupy a very important position in the modern sciece technique obviously,understand,control to spread the essential technical ability that the feeling machine has become a professional technical personnel of electronics with application.This text with the gas report to the police a machine for example, elaborated air to spread the future development that the work principle of the feeling machine spreads the feeling machine to tend in detail, and combine together with actual electric circuit, as to it's the concrete work process carried on an analytical study, having a study towards taking the spirit component as foundation to constitute power and apply also.The home use gas alarm apparatus mainly apply in the room and so on have the fire damp environment to carry on the examination to the methane density, thus avoids the gas explosion, the guarantee family security.With it correlation gas sensor equipment for example: The ethyl alcohol alarm apparatus, go to the wet installment, the automatic air purification ventilating fan automatically and so on also gradually appear in people's line of sight, the obvious sensor technology the role which plays in the people daily life is more and more big.Through reading this article, the reader may understand the gas sensor the principle of work, the rationale and the practical application.Key word: gas sensor, gas, semiconductor gas sensorses目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第1章课题背景1.1 课题背景 (1)1.1.1 课题背景 (1)1.1.2 课题研究的目的及意义 (2)1.2 瓦斯的概念和性质 (2)1.3 瓦斯报警器的发展及动态 (3)1.3.1气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 31.3.2 国内现状与差距 (4)第2章气体传感器原理 (5)2.1 传感器简述 (5)2.2 气敏电阻传感器特性及工作原理 (5)2.3 半导体气敏传感器的机理 (7)2.3.1 半导体气敏元件原理 (7)2.3.2 半导体气敏传感器类型及结构 (8)2.4 气体传感器应用 (11)第3章瓦斯检测技术介绍 (13)3.1 集成电路IS0212P介绍 (13)3.2 电位器 (14)3.3 扬声器 (15)3.3.1 扬声器的分类 (15)3.3.2 压电式传感器 (16)3.4 瓦斯切断装置 (18)第4章瓦斯报警器工作原 (19)4.1 QM-N型半导体气敏元件 (21)4.2 QM-N5型气敏元件 (21)4.3 Q－N10型气敏元件 (23)结论........................... .. (25)致谢........................... .. (26)参考文献 (27)第1章课题背景1.1课题背景1.1.1课题背景近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。
微弱光电信号检测电路设计
微弱光电信号检测电路设计孙红兵1,莫永新2(1.淮阴师范学院 江苏淮安 223001;2.江苏电大武进学院 江苏常州 213161)摘 要:光电检测电路的性能对基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数测量系统有重要的影响。
针对测量系统中光信号的特点,从改善信噪比、提高带宽及稳定性入手,设计了一种宽带低噪声光电信号放大电路,具有电压增益高、上升沿短及噪声低的特点。
该电路主要适用于探测快速变化的微弱光,并在某型发动机多参数测量系统中得到了成功应用。
关键词:光电检测;信噪比;前置放大;频率特性;脉冲信号中图分类号:T N710.2 文献标识码:B 文章编号:10042373X(2007)182156203Design of Amplifier Circuit of Photo 2electric Detection for Weak SignalSUN Hongbing 1,M O Yongxin 2(1.H uai yin Teachers College,H uaian,223001,Chi na;2.Wuji n College,Jiangsu Broadc a st U niversity,Changzhou,213161,China)A bstra ct :The multi 2par ameter measur ement system for pulse detonation engine based on laser 2diagnose technology is af 2fected by the performance of phot o elect ric detecting cir cuit.I n view of the character istic of opt ic signa l of t he measur ement system,taking int o account the improvement of signal to noise ratio and the stability obtains,has designed one kind of wide band and low noise photo 2elect ric detecting circuit.It has character istic of high voltage gain and low noise.T he cir cuit is fit for detecting fleetness change and faint signal,and is applied to a multiple parameter measur ement system of an engine.Keywords :photo 2electr ic detection;signal 2to 2noise;pre 2amplifier;frequency char act eristic;pulse signal收稿日期:2007204203基金项目:国防预研项目(402030202)1 引 言在研制基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数自动测量系统过程中,需要针对中心波长为1.33L m,1.55L m 的红外脉冲光进行测量,而且该脉冲光是频率为1MH z 的方波信号,工作现场有很强的电磁干扰,这给电路设计带来了困难[1]。
瓦斯传感器信号采集及处理电路的设计与制作
瓦斯传感器信号采集及处理电路设计与制作［摘要］在2050年之前，煤炭生产，作为我国能源工业支柱，其地位将是长期的、稳定的。
可是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，频发的甲烷爆炸事故已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产。
进行瓦斯浓度监控，预防瓦斯事故势在必行。
本次设计一种基于STC12C5A60S2/AD/PWM单片机的瓦传感器，用于实时监测瓦斯浓度。
采用催化燃烧式传感头作为敏感元件，设计电路将敏感元件的电阻变化通过电桥转换成毫伏信号，再通过放大电路将之转换成A/D转换器可以接受的0-5v 信号。
然后由单片机完成数据的采集、处理。
最后通过数码管可以显示瓦斯浓度以及实时监控报警。
本次尝试从经济，简便等方面对瓦斯浓度监控进行了探索，对煤矿企业采购设备进行瓦斯监控具有很大的参考借鉴作用。
［关键词］瓦斯传感器；信号采集；放大处理；浓度监控The Developed Trend and Innovation of Human ResourcesManagementMeasurement and Control Technology and Instruments Xu Yan-qingAbstract: By 2050 from coal production, as our country, the energy industry, its positionwill be the backbone of long-term, stable. But the coal industry safety situation is not optimistic, frequent methane explosion accident has a direct threat to the stability of the coal industry production. For gas concentration monitoring, prevent gas accident is imperative.. This design USES catalytic combustion type sensor head as sensitive components, circuit design will sensitive components resistance change through the bridge convert millivolt signal, again through amplifying circuit will convert A/D converter acceptable 0-5v signal. Then bysingle-chip commputer completes data acquisition, processing. Finally through digital tube can display the gas concentration and real-time monitoring alarm. This attempt from aspects of economic, convenient gas concentration monitoring carried on the exploration of the coal mine enterprises purchase equipment, has very big on gas monitoring reference.Key words:Gas sensor acquisition of signal Amplification processing Concentration monitoring目录1概述 (1)1.1 瓦斯浓度监测的必要性 (1)1.2国家关于煤矿安全浓度的规定 (1)1.3国内外研究水平和动向........................................................... 错误！未定义书签。
一种新型智能瓦斯传感器硬件电路设计
度 增 大而 成 正 比例增 大 ，补 偿元 件 起参 比及温 度补 偿作 用 。分 析本 系 统采 集 到 的信 号 的特 点发 现 ：信 号 的变 化范 围 是０ ２ｍ ， 当瓦斯 浓度 每 上升 一 — ５Ｖ 个 百分 点 的 时候 ，其 输 出量 为毫 伏 级 。随 甲烷浓 度 的变 化 ， 电桥 的输 出信 号 很 小 ，即有 用信 号 的 幅度绝 对 值 很小 。 因此 必须 采用 相 应 的信 号 放大 技 术 才能 很好 的处 理 。小信 号对放 大 电路 的基 本要求 ：１ ）输入 阻抗 应与传 感
件 系统 具有结构紧凑 、性能可靠 、功 能完善等特 点，奠定智 能瓦斯传感器 的基础 ，为高可靠 性瓦斯检测提 出新的解决方 法。 关键 词： 智 能传 感器 ；瓦斯检测 ；单片机
中图分类号：Ｔ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１ ７ ７ ０ （ ０ ０ ９ ０ ９ －０ Ｐ １ ５ ２ １ ）０ １ ０ ８ １ ６
从硬 件角 度 看 ，现 有 煤矿 瓦斯 检测 仪器 有模 拟 式和 数字 式 两种类 型 ，
元 件 发 生 中毒 现 象 ， 而使 其 受永 久 性 损 坏 。 为此 我 们 设 计 了硬 件 保 护 电 路 ，当瓦 斯浓度 超 限时切 断 气敏 元件 检测 电路 的 电源 。利用Ｓ ６０ —．Ｖ ｐ ２５ ２ｓ 的 快速 开 ／ 功 能 ，通 过微 处 理 器Ｍ ｇ４ ｖ ｉｏ 关 ｅａ ８ 的 ／ ｎ控 ￥ Ｓ６０ — ．Ｖ Ｎ Ｊ ｉｐ ２５ ２Ｓ 的Ｅ 管脚
来实 现其 开断 功能 。
其 工作 原理 都是 对传 感 器测 量 电路 （ 惠斯 顿 电桥） 出进 行 放大 处 理 ，瓦 斯 输 超 限后 触发 报警 装 置实现 声 音报 警 或光 源 闪烁 报警 。传 统 模拟 式 瓦斯 检 测
矿用红外瓦斯传感器系统抗干扰设计与信号处理
２１ ０ ０年 ８月
煤 矿 开 采
Ｃｏ ｌｍｉ ｎ ａ ｎｉｇ Ｔｅｃ ｏｏ ｙ ｈｎ ｌｇ
Ｖ １ １ Ｎ ． （ ｅｉｓ ｏ ９ ） ｏ ．５ ｏ４ Ｓｒ ．５ ｅＮ
Ａｕ ｕｓ ２ ０ ｇ ｔ ０１
矿 用红 外 瓦斯 传 感 器 系统 抗 干 扰 设 计 与信 号 处 理
矿用 红外 瓦斯 传感 器 系统 由光学 系统 和 电气 系
统 ２部分 组成 ，Ｃ 测 流程 为 ：红 外 光 源一 气 室 Ｈ检
程 序指示 器 Ｐ Ｃ的指示 逐条 运行 ，当受 到 干扰后 Ｐ Ｃ 值发 生改 变 ，Ｐ Ｃ可 能 指 向一 个 不 确 定 的 Ｒ Ｍ 地 Ｏ
一 探测 器一放 大 电路一 单 片机一 输 出显示 。 红 外瓦 斯测控 系统 在运 行 中会受 到 多方 面的 干 扰 ，干扰 主要 来 自系统 外部 和 内部 。系统 的结 构设 计 、元 器件 的选择 、地 线 的布设 及安 装 、制造 工艺 和 外部 环境 条件 等 因素也会 对 系统造 成 不 同程 度 的 影 响 。以上 诸 因素对 测控 系统 造成 不 同干扰 ，主 要
ＬＩＭ ｉ ｇ ｎ （ ｈｆ Ｂ ｉ ｉｇＲ ｓａｃ ｒｎｈ ｈｎ ｏｌＲ ｓａｃ ｎｔｕｅ ｅｉｇ１０ １ ，Ｃ ｉａ Ｓａｔ ｕｌ ｎ ｅｅｒｈＢａ ｃ ，Ｃ ｉａＣ ａ ｅｅｒｈＩｓｉ ｔ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｈｎ ） ｄ ｔ ｊ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｍａｎ ｙ ｉｔｏ ｕ ｅ ｎｅ ｆｒ ｎ ｅｆ ｃｏ ｓ【 ｓ ｉｎ ｌ ｎ ｍｉ ｅｉ ｆ ｒ ｄ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｙ ｔ ｍ ａ ｄ ｓ ｌ ｔ ｎ ．Ｔ ｅｓ ｌ — ｈ ｓ ａ ｅ ｉｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｔｒｅ ｅ ｃ ａ ｔ ｒ ） ｔ ｔｓｇ ａ ｎ ｒ ｅ ｔ ａ ｅ ｔ ｔｓ ｓｅ ｎ ｏｕ ｉ ｓ ｈ ｏｕ ｆｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｏ
微弱光信号探测设计参考
APD光电二极管
• PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 • APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 • 工作过程： 入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)-------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流） 增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
C (m )
hc E
g
E
1 . 24
g
( eV )
在短波长段，材料的吸收 吸收系数变得很大，因此 光子在接近光检测器的表 面就被吸收了，电子－空 穴对的寿命极短，结果载 流子在由光检测器电路收 集以前就已经复合了。
Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0 m Ge： C=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m InGaAs： C=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m
气相色谱仪上检测器的放大电路 ：据说可以测量到1pA以下， 测量速率最大150Hz
指零仪电路：具有超高的电流灵敏度、可以悬浮使用、无需换档、 短路法测试、双输出
《图解DIY+1pA超微电流测试器》 第44页 的几点总结说明可以参考
微弱信号检测电路总结： 1，用最简单的电路，任何其他电路或器件都将引 入新的漏电和额外的不确定因素。 2，选用Ib尽可能小的运放和尽可能大的电阻。 3，检测电路必须做好屏蔽。 4，应注意线路板上的布线, 减少泄漏电流。 5，必要时可将PIN 管和反馈电阻悬浮, 与运放直 接相连,以减小泄漏电流,提高检测的灵敏度。
吸收 外电场加速
耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。
APD倍增系数与过剩噪声因子
• 1、倍增系数 M = Ip / I0 IP--平均输出电流， • I0--一次光生电流 • IP ＝M I0 ＝MRPin • 倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。 • 2、过剩噪声因子F • 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程， 具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外 的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这 种倍增噪声。F又可近似表为：F＝Mx • x被称为过剩噪声指数。
被动FTIR遥感技术的微弱信号调理电路设计
： 一
红外 光 谱 被 自动鉴 别 软 件将 其 与 预 先 获 得 或 收 集 的被 动 红外 谱 库 进行 比较 ． 可 实现 对 各 种 有机 化 就 合物 的鉴 别
系 统 选 择 ２ １ ｍ 的 大 气 窗 口进 行 光 谱 采 集 ， ～３
ＺＣ
１
． ＿
Ｚｃ ／ ７ ｇ／ Ｒ Ｚｃ ／Ｒ６ ４／
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｏ ｄｔ ｎｎ ｃｒｕｔ ｅ ｋ ｉｎ ；ｐｅ—ｍｐｉｅ ；ｓｇ ａ ｏ ｏｓ ｒｔ （ＮＲ）Ｆ ｕ ｅ ｒｎ ｆｒ ｎｒｒｄ ｙ ｒ ｓ ｃ ｎ ｉｏ ｉｇ ｉ ｉ；ｗ ａ ｓｇ ａ ｉ ｃ ｌ ｒ ａ ｌ ｒ ｉｎ ｌｔ ｎ ｉｅ ａｉ Ｓ ｉ ｆ ｏ ；ｏ ｒ ｒ ｔ ｓ ｍ ｉｆａｅ ｉ ａ ｏ
ｓｅ ｔ ｃ ｐ （ ｐ ｃｍｓｏ ｙＦＨＲ）
被 动 红 外 光 谱 遥 感 系 统 可 以 在 复 杂 气 象 条 件
成微 弱 电流 信号 ． 在实 际信 号 处理 中以 电压作 为 而
下检测 云 团和 背景 层辐 射 的红 外光 谱 ． 终监 测 大 最 气 中的痕量 气体 ． 中红外 信号 检 测及 放 大是 该 系 其 统微 弱信 号调理 电路 中的重要 组成 部分 。在光 电探
ＳＮＲ， ｐ ｓ ｃ ｍｐｅ ｓ ｔｏ ｈａ ｅ ｏ ｎ ａ ｉｎ， ｎ ｉｅ ｎｄ ｔｍ ｐ ｒ ｔｒ ｒｆ ｅ ｕｃ ｄ， ａ ａｇ ｄ ｎ ｍｉ ｉｐｕ ａ ｇ ．Ｕｎ ｅ ｈｅ ｏ ｉｉｎ ｏ ｓ ａ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｄ ｉｔｒ ｄ ｅ ｎｄ ｌｒ ｅ ｙ ａ ｃ ｎ ｔｒ ｎ ｅ ｄ ｒ ｔ ｃ ｎｄｔｏ ｓ ｏ ｆ
质 组 成 或 结 构 有 关 的 特 征 吸 收 ． 测 系 统 采 集 到 的 检
毕业设计(论文)-瓦斯传感器数据处理及数显子程序编程调试
瓦斯传感器数据处理及数显子程序编程调试 [摘要]现阶段煤矿安全问题已经成为全社会关注的焦点，成为关系到人民生命财产，甚至影响建立和谐社会的重大问题。
研发出高质量、高性能、高可靠性、低成本的煤矿瓦斯检测报警系统无疑对解决这一重大问题有很大帮助。
采用煤矿瓦斯检测报警系统,能有效地对瓦斯气体状态进行连续跟踪检测和报警。
为我们调控瓦斯气体浓度,保障工人在最安全的状态下工作，提供及时准确的数据。
本文根据总体设计的要求，在总体设计方案的基础上，提出切实可行的瓦斯传感器数据处理及数字显示的方案。
所设计的方案可以保证系统能高效，稳定地实现设计的所有要求。
本文论述了该系统的硬件和软件设计，并对数据处理及数显子程序编程调试进行了详细的介绍。
[关键词]瓦斯传感器；STC单片机；AD转换；数显Intermediate Injection Mould DesignMachincal Designing Manufacturing and Automation Major WANG Shao-feng Abstract:This topic is intermediate injection mould design. The topic of the problems involved in the following aspects: the parts of measurement, analysis, drawing, plastic mold structure design, Part of the mould parts processing procedures and after processing mould assembly. The main problem is plastic mould design.By surveying and intermediates for the plastic parts for linear structure analysis, design of a pair of the production of plastic mold two cavities. The mould chose double parting surface, using a runner gating system, putting out feed-in institution, double guide column type institution, the mould structure column orientation, steering mechanism of forming parts structure form, and the size of molding is calculated, the injection machine tooling for the preliminary selection and checking.Key Words: Plastic mold; Process Analysis ; Double parting surface目录1.引言2.系统的功能和设计的要求2.1 该系统所要实现的主要功能2.2 系统设计要求2.3 系统的调试和试运行要求3.主要元器件的选择3.1单片机的选型3.2 传感元件的选择3.3变压芯片的选择4.硬件电路设计4.1 硬件总体结构4.2 传感器信号放大电路4.3 变压电路4.4 时钟电路4.5 LED显示电路4.6 声光报警电路4.7 红外遥控部分5.系统软件设计5.1单片机程序设计的特点5.2系统初始化子程序5.3系统参数设定子程序5.4自检子程序5.5数据处理子程序5.6 LED显示子程序5.7 红外遥控子程序5.8 软件抗干扰措施6.参考文献7.附录8.致谢1 引言当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。
传感器课课程设计瓦斯
传感器课课程设计瓦斯一、教学目标本章节的教学目标是使学生掌握瓦斯传感器的基本原理、结构、分类及应用。
知识目标包括了解瓦斯传感器的原理，掌握不同类型瓦斯传感器的结构和工作原理，以及了解瓦斯传感器在实际应用中的重要作用。
技能目标包括培养学生使用瓦斯传感器的操作技能，以及分析瓦斯传感器数据的能力。
情感态度价值观目标包括培养学生对安全问题的重视，提高学生对瓦斯传感器在保障生产安全方面的重要性的认识。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括瓦斯传感器的基本原理、结构、分类及应用。
首先，介绍瓦斯传感器的工作原理，包括电化学式、半导体式、红外式等类型。
然后，详细讲解不同类型瓦斯传感器的结构特点和工作原理。
接着，介绍瓦斯传感器的分类及应用领域，如煤矿、石油化工、城市燃气等。
最后，结合实际案例，分析瓦斯传感器在保障生产安全方面的重要作用。
三、教学方法为了实现本章节的教学目标，将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
首先，采用讲授法，为学生讲解瓦斯传感器的基本原理、结构和分类。
其次，通过案例分析法，分析瓦斯传感器在实际应用中的重要作用。
再次，利用实验法，让学生动手操作瓦斯传感器，加深对瓦斯传感器的理解和掌握。
最后，通过讨论法，激发学生的思考，培养学生的创新能力和团队协作精神。
四、教学资源为了保证本章节的教学质量，将充分利用校内外教学资源。
教材方面，选择权威、实用的瓦斯传感器教材，为学生提供准确、系统的知识。
参考书方面，推荐学生阅读相关领域的经典著作，拓宽知识面。
多媒体资料方面，制作精美的PPT，直观地展示瓦斯传感器的工作原理和实际应用。
实验设备方面，确保实验器材的完好和充足，为学生提供充分的实践机会。
此外，还将邀请行业专家进行讲座，分享实践经验和最新研究成果，丰富学生的学习体验。
五、教学评估本章节的评估方式包括平时表现、作业和考试三个部分。
平时表现主要评估学生在课堂上的参与程度、提问和回答问题的积极性等。
作业方面，布置与瓦斯传感器相关的练习题，评估学生对知识点的掌握程度。
瓦斯传感器远距离供电稳压设计
瓦斯传感器远距离供电稳压设计瓦斯传感器是一种用于检测燃气泄漏的重要安全设备，它在家庭和工业环境中被广泛使用。
在实际应用中，瓦斯传感器的远距离供电和稳压设计成为了一个挑战。
本文将就瓦斯传感器远距离供电稳压设计进行讨论。
1. 问题描述在一些情况下，瓦斯传感器需要被放置在距离电源较远的地方，例如在高空作业的塔吊、工厂车间等地方。
这就需要在远距离输送电源的保证瓦斯传感器能够获得稳定的工作电压。
2. 设计要求为了解决这一问题，我们需要设计一个远距离供电稳压系统，满足以下设计要求：- 高效的能量传输：确保能够将电能有效地输送到远距离的传感器处。
- 稳定的稳压性能：在远距离输送电源的保持供给瓦斯传感器的电压稳定。
- 低成本：设计方案要尽可能低成本，以便在实际应用中得到广泛应用。
3. 方案设计基于以上设计要求，我们可以采用以下方案进行瓦斯传感器远距离供电稳压设计：- 无线能量传输技术：可以利用无线能量传输技术，例如电磁感应、谐振器等技术，将电能有效地输送到远距离的传感器处。
通过合理的发射天线和接收天线设计，可以在不需要直接接触的情况下实现远距离的能量传输。
- 脉宽调制稳压电路：利用脉宽调制技术，设计一个稳压电路，可以在输入电压波动较大的情况下，输出稳定的电压。
通过合理的电路设计和元器件选择，可以实现较高的效率和稳定性能，并且成本较低。
- 低功耗设计：由于瓦斯传感器通常处于长时间的工作状态，因此设计中需要考虑功耗的问题。
通过采用低功耗的电路设计和元器件选择，可以有效延长系统的使用寿命，减少能耗。
4. 实施方案在实际应用中，可以通过以下步骤来实施瓦斯传感器远距离供电稳压设计方案：- 选择合适的无线能量传输技术，例如电磁感应、谐振器等技术，根据具体的应用场景设计出相应的能量传输系统。
- 设计稳压电路，采用脉宽调制技术，实现输入电压波动的稳定输出。
- 选择低功耗的元器件和设计方案，确保整个系统能够实现长时间稳定的工作。
红外瓦斯检测系统中硬件电路设计与实验
90电力工程技术一、绪论甲烷浓度检测系统可以实时监控或随时测量环境甲烷浓度，以预防安全事故发生。
国内外市场常见产品光源限制多用机械方式调制，复杂的精密机械和光学系统使成本、功耗、稳定性和寿命等问题很难改善，低功耗嵌入式系统的气体检测设备进入新时代。
利用郎伯比尔定律，设计一种便携式甲烷气体检测系统，以红外传感器作为核心检测元件，用模拟电路配合单片机实现多模式工作、显示与声光报警等功能。
从检测系统电源选取，光源调制设计，信号调理电路设计，基于单片机的设定、显示与报警电路设计等几方面做出阐述。
为实现便携式小型设备，用锂离子电池和充放电保护技术替代９Ｖ干电池，提高待机时间，与ＵＳＢ接口和多集成供电电压兼容，方便电源扩容、通信扩展或其他升级和改进，同时降低功耗。
二、方案设计热光源输出信号是含有直流偏置的载波信号，中红外波段和远红外波段的宽带红外光，其宽带红外线含有载波信号。
甲烷会吸收特定波长的红外光，于是对特定波长的载波红外光产生了强度调制效果，甲烷浓度变化就可以转化为光强变化。
一对热释电传感器配合不同的窄波段滤光片可以分别作为载波信号接收端和已调信号接收端。
将载波信号和已调信号做差分检测，就可以将光强的变化转变为电信号变化。
光源在供电电压的调制下发出含有５ＫＨｚ信号的调制光，波长为宽波段。
热释电传感器配用的窄带滤光片通带中心为３．９μｍ和３．３１μｍ红外光。
甲烷会对３．３１μｍ的特定波长红外光有吸收效果，所以甲烷浓度会对一个传感器接收到的光强信号产生影响，并用另一个受干扰较小波段的光强传感器作为对比信号。
系统整体输出通道包括ＬＣＤ显示，声光报警和光源驱动，单片机控制；系统输入通道包括传感器与前置放大、包含带通滤波的主放大、信号解调电路和Ａ／Ｄ转换器，由模拟电路和与单片机直接通信的ＡＤＣ集成组成。
红外瓦斯检测系统中硬件电路设计与实验武天姿 吕晨梦 杨 通 苏 洋 刘 昀 于 鑫 长春工业大学电气与电子工程学院【摘 要】利用气体在红外区有选择性吸收原理，设计便携式甲烷浓度检测系统。
基于红外光谱的煤矿新型瓦斯传感器的设计与研究解读
基于红外光谱的煤矿新型瓦斯传感器的设计与研究 The Design And Research Of The New Coal Gas Sensor Based On IR作者姓学位类学科、专研究方导师及职名杨柳型工程硕士业电子与通信工程向智能信息处理称昂志敏副教授2011年11月合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。
主席：委员：导师：答辩委员会签名独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：签字日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：学位论文作者毕业后去向：工作单位：电话：通讯地址：邮编：基于红外光谱的煤矿新型瓦斯传感器的设计与研究摘要我国是煤矿大国，在煤矿的生产过程中，仍有较多的危险事故发生，而在重大事故中瓦斯爆炸造成的伤亡人数占了50%以上，成为了煤矿生产的重大障碍之一。
在矿井中，瓦斯的主要成分是甲烷，其所占的比例约为83%~89%。
瓦斯超限就很可能引起事故的发生，所以及时的检测甲烷的发生源、泄露源和浓度对人身安全、工矿的安全运行及环境保护是十分重要的。
若积聚在煤层中的甲烷气凝聚，使洞内的甲烷气体压力过大而达到燃点，就会产生爆炸。
红外探测报警 电路设计
摘要本设计给出了一种基于热释电红外传感器的被动型红外探测报警电路，该电路能探测人体发出的红外线，当有人进入传感器的探测区域内时，即可发出报警声。
该红外探测报警电路在原理上主要由信号检测电路、信号放大电路、电压比较电路以及报警电路组成，本设计将在对各个模块电路的功能及电路参数计算的基础上,实现模拟仿真，以对本设计提出的实现方案进行验证。
关键词：热释电红外传感器；红外探测；报警目录1 概述 (1)2 红外报警电路总体方案 (2)2.1总体方案框图 (2)2.2各模块电路功能说明 (2)2.2.1 电源电路 (2)2.2.2 信号检测电路 (3)2.2.3 信号放大电路 (3)2.2.4 电压比较电路 (4)2.2.5 报警电路 (4)3 模块电路设计 (5)3.1电源电路 (5)3.2信号检测电路 (6)3.3信号放大电路 (7)3.3.1 电路功能分析 (7)3.3.2 电路参数计算 (10)3.4电压比较电路 (13)3.5报警电路 (15)3.5.1 HEF4538B触发控制电路 (15)3.5.2 KD9561报警电路 (16)4 电路仿真 (17)4.1信号放大电路仿真 (18)4.1.1 测试信号 (18)4.1.2 放大电路输出波形 (19)4.2电压比较电路仿真 (24)5 课程设计总结及体会 (24)5.1课程设计总结 (25)5.2设计体会 (26)参考资料 (27)附录A 红外传感器报警电路原理图 (28)附录B 红外传感器报警电路元器件清单 (29)红外探测报警电路设计1 概述随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。
现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。
由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。
此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。
瓦斯传感器远距离供电稳压设计
瓦斯传感器远距离供电稳压设计瓦斯传感器是用于检测室内或工业环境中瓦斯浓度的装置，它能够及时地发现并报警有毒有害气体的存在，提高人们对室内环境的安全性。
在一些特殊环境中，瓦斯传感器的供电却成为了一个难题，比如在远距离、无源电源的场景下，传感器如何获得稳定的供电成为了一个挑战。
本文将介绍一种瓦斯传感器远距离供电稳压设计方案，旨在解决这一难题。
一、需求分析在一些工业场景中，瓦斯传感器需要远距离供电，而且由于环境的特殊性，无法使用有线或者无线的供电方式，因此需要一种无源电源供电稳压设计方案。
该设计方案需要能够稳定地为传感器提供必要的电压和电流，确保其正常工作。
由于工业环境的复杂性，供电设计还需要考虑防水防尘、耐高温等特点，以确保传感器的稳定工作。
二、设计方案为了解决瓦斯传感器远距离供电稳压的难题，我们提出了一种基于能量收集器的无源电源供电方案。
该方案主要包括三个部分：能量收集器、能量转换器和稳压器。
能量收集器负责收集环境中的能量源，比如太阳能、热能等，将其转化为电能存储起来。
能量转换器负责将存储起来的电能转换为规定电压和电流输出，以供给瓦斯传感器工作所需。
稳压器则负责确保输出的电压和电流稳定，以满足传感器的工作要求。
三、技术细节1. 能量收集器：我们选择了太阳能电池作为能量收集器，因为太阳能电池具有高效能量转换和可靠性高的特点。
在工业环境中，可以将太阳能电池板固定在建筑物顶部或者其他适合的场所，通过自然光的辐射将能量转换成电能储存起来。
2. 能量转换器：为了实现太阳能电池储存起来的电能转换为瓦斯传感器需要的电压和电流输出，我们提出了一种高效的能量转换器方案。
该转换器能够将太阳能电池输出的电能进行高效转换，并通过调节器进行相应的调节，输出稳定的电压和电流。
考虑到工业环境的特殊性，我们还需要对能量转换器进行防水、防尘、耐高温等方面的设计。
3. 稳压器：稳压器是保证输出电压和电流稳定的关键部件，我们选择了一种高效可靠的稳压器进行保障。
瓦斯传感器远距离供电稳压设计
瓦斯传感器远距离供电稳压设计瓦斯传感器是一种用于检测环境中瓦斯浓度的传感器，广泛应用于工业生产、煤气管道、煤矿等领域。
瓦斯传感器的远距离供电稳压设计是为了解决传感器在远距离供电时可能遇到的稳压问题，确保传感器在工作过程中能够正常、稳定地运行。
本文将详细介绍瓦斯传感器远距离供电稳压设计的原理、方法和实现步骤。
瓦斯传感器通常需要通过电压供电，并且在传感器工作过程中，电压的稳定性对传感器的性能和准确性都有着重要影响。
在远距离供电的情况下，电压的稳定性会受到更大的挑战，因此需要设计合适的稳压电路来保证传感器的正常工作。
远距离供电稳压设计的原理主要包括两个方面：一是选择合适的供电方式，二是设计稳压电路以确保供电电压的稳定性。
对于供电方式的选择，可以采用有线供电或者无线供电。
有线供电是通过电缆等传输线路将电能从电源端传输到传感器端，这种方式通常能够提供相对稳定的电压，但受到传输距离和线路质量的限制。
而无线供电则是通过无线电波或者激光等方式将能量传输到传感器端，这种方式可以实现较大距离的供电，但对传输效率和稳定性有一定要求。
稳压电路的设计是保证供电电压稳定性的关键，常见的稳压电路包括电压稳压器、开关稳压电路等。
电压稳压器通过电子元件的稳压特性将输入电压稳定在设定的数值，保证输出电压的稳定性；而开关稳压电路则通过开关管的开关动作来维持输出电压的稳定。
在设计稳压电路时，需要考虑电压波动范围、负载变化、温度影响等因素，选择合适的稳压方案以确保稳定供电。
在进行瓦斯传感器远距离供电稳压设计时，需要综合考虑传感器需求、供电条件和稳压方案，采取合适的方法来实现稳定供电。
1. 确定供电方式根据实际情况，选择合适的供电方式。
如果是通过有线供电，需要考虑传输线路的质量和距离限制；如果是通过无线供电，需要选择合适的无线供电技术并进行供电效率和稳定性的测试。
2. 设计稳压电路根据传感器的工作电压范围和稳定性要求，选择合适的稳压电路方案。
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2010年 第6期仪表技术与传感器Instrum ent T echn i que and Sensor 2010 N o 6基金项目:科技部国际科技合作重点项目 矿井瓦斯浓度、温度监测与安全预警传感网络研究 (2006DFB72510)收稿日期:2009-09-15 收修改稿日期:2010-03-15红外瓦斯传感器微弱信号处理电路设计刘东旭1,王志斌1,2,张记龙1,2,李 晓1,2,田二明1,2(1.中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)摘要:为提高红外瓦斯传感器的检测灵敏度和系统信噪比,基于微弱信号检测原理,采用单光路双波长的实验方案,设计了以差动放大电路为核心的微弱信号数据处理电路,提高了系统的检测灵敏度,电路结构简单、实用、可靠。
在实验室条件下,对该系统进行了瓦斯浓度的性能测试,并对实验数据进行了数据拟合处理,给出了瓦斯浓度与电压的关系式。
试验结果表明,该电路能够有效地提取瓦斯浓度变化量信息,满足系统要求的0 5%检测灵敏度。
关键词:红外瓦斯传感器;微弱信号检测;差动放大电路;数据处理中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2010)06-0069-03D esign of Fai nt Signal Processi ng C ircuit Based on InfraredM ethane SensorL I U D ong xu 1,WANG Zh i b i n 1,2,ZHANG Ji l ong 1,2,L I X iao 1,2,T I AN Er m i ng 1,2(1.Engineering Technol ogy Research Cen ter of Shanxi Prov i nce for O p to E lectron ic In for m ati on and Instru m ent ,North Un i versity of Ch ina ,Ta i yuan 030051,Ch ina ;2.K ey Laboratory of In strum en tation Sc ience &D yna m ic M easure m en t ,M i n istry of Edu cation ,North Un iversity of Ch i na ,Taiyuan 030051,Ch ina)Abstract :In orde r to i m prove si gna l noise ra ti o and sensiti v ity o f i nfrared me t hane gas sensor ,t he fa i nt si gnal process i ng cir cu itw ith d ifferen ti a l a mp lifier as t he core was designed based on de tecti on pr i nc i ple of fa i nt s i gna.l W ith the experi m ental sche m e o f si ng l e bea m path and doub le w ave length ,detecti on sens iti v ity w as enhanced .The c i rcu it has the fea t ures o f si m p lic i ty ,utilit y and credibility .P erfor m ance test w as m ade under laboratory conditi ons ,exper i m enta l data was data fitting and relati on bet w een m ethane concentration and vo ltage was g i ven .T he resu lt o f expe ri m en t i ndicates t hat the c ircu it can get t he va riab l e quantity ofm ethane con centrati on i nfo r ma ti on effec tive l y ,m eeti ng 0.5%sensiti v ity o f the syste m requ irement .K ey word s :i n frared m ethane gas senso r ;fa i nt si gnal detecti on ;d ifferentia l amp lifier ;data process i ng 0 引言瓦斯是易燃、易爆气体,在大气中的爆炸下限为5 3%,上限是15 0%[1]。
随着开采规模不断扩大,瓦斯事故,特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中的比例也越来越高。
瓦斯实时测量对瓦斯浓度监控和煤矿安全生产有重要意义。
现有的瓦斯检测手段主要有载体催化式、电化学式、光干涉式和光谱吸收型等几种[2-3],其中基于红外光谱吸收原理的瓦斯传感器已日趋成熟,具有灵敏度高、寿命长、安全防暴、不存在中毒现象等特点。
文中利用红外光谱吸收原理,设计了一种探测范围为0-5%、探测灵敏度达到0 5%的瓦斯传感器微弱信号处理电路。
基于瓦斯气体在3 33 m 处存在较强的吸收线,采用廉价的I RL 715为红外光源,T PS2534热电堆为探测元件,设计了差动式瓦斯气体微弱信号检测电路。
由于探测器输出电信号只有十几个 V,并且淹没于背景噪声,研究了微弱信号检测技术,采取有效的噪声抑制措施,确保检测电路能够有效地提取信号,满足探测灵敏度要求。
1 气体红外检测原理当红外辐射通过被测气体时,气体分子吸收光能量,不同气体对红外光有着不同的吸收光谱,气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度有关。
利用这一原理可以测量某种气体的浓度[7]。
气体分子对红外光的选择性吸收遵循朗伯-比尔(L a m bert-Beer)定律[4],假定气体分子在波长 处存在吸收峰,则有I ( )=I 0( )e - ( )c l(1)式中:I ( )为透射光强;I 0( )为入射光强; ( )为波长在 处的吸收系数;c 为待测气体浓度;l 为光和气体作用长度即吸收长度。
每种气体都有其特定的吸收峰,而对吸收峰以外波长的光吸收极少[5]。
为此,采用双波长测量方法,引入了不被探测气体吸收的光作为参考光。
设I m ( !)和I m0( !)为参考光 !的出射光强和入射光强,则有I m ( !)=I m0( !)(2)把式(1)和式(2)相除并取对数,可以得到l nI m ( !)I ( )= ( )cl +ln I m 0( !)I 0( )(3)从式(3)上可以看出,测量系统从理论上完全消除了光路的干扰因素,并且还消除光源输出光功率不稳定的影响。
70Instru m ent T echn i que and SensorJun 2010当气体浓度很低或者吸收层厚度很薄时,满足 ( )cl <<1,式(1)通过泰勒公式展开后可以化简为I =I 0[1- ( )cl](4)把式(4)和式(2)相减可得I =I 0[1- ( )cl]-I m0( !)(5)与式(3)相比,利用式(5)的检测方法,只需设计差分放大电路,即可检测出浓度信息。
2 光电微弱信号处理电路设计根据式(5)设计了微弱信号处理电路,其原理框图如图1所示。
图1 检测系统原理框图图1中,单片机产生一个特定频率调制红外光源,光源发出的光在气室内被瓦斯气体吸收后,经过窄带干涉滤光片选择出探测波长和参考波长,由热电堆红外探测器将携带有瓦斯浓度信息的探测光信号和不被吸收的参考光信号分别转换为电信号输出。
由于探测器的输出信号极其微弱,只有十几个 V 到几十个 V,先通过第一级前置放大后,经过有源带通滤波电路抑制工频干扰和电路中的噪声后送入差动放大电路中再次放大,再经A /D 转换后送入到C8051F320单片机解调出瓦斯浓度信息。
根据图1的原理框图,设计的信号处理电路如图2所示。
图2 信号处理电路2 1 前置放大电路和有源带通滤波电路设计T PS2534热电堆有两路输出:探测通道输出和参考通道输出,两路信号在特征上基本一致,因此前置放大电路和带通滤波电路采用相同的结构,以简化电路设计。
前置放大电路采用仪器仪表放大器AD620。
AD 620是一款低价格、低噪声、高精度的仪器仪表放大器,只用一个电阻就能决定放大电路的增益,适合于微弱信号检测。
由于探测器输出信号只有十几个V,因此前置放大电路的放大倍数设置为500~1000可调。
有源带通滤波电路采用精密运算放大器OP07,中心频率为1H z .在输入信号同为1V 的情况下,分别观察在不同的输入频率下的信号输出,通过实验验证了电路具有非常好的滤波选频功能,能够有效地提取有用信号,抑制工频干扰等噪声。
实验表明,可使50H z 信号幅度降低到原来的1/35。
2 2 差动放大电路设计差动放大电路是整个检测系统的关键部分,利用差动放大电路的高度对对称性,通过设计良好的电阻匹配,使电路有较高的共模抑制比,放大有用信号而抑制共模信号,并抑制由温度等引起的零点漂移问题。
此外,差动放大电路还大大提高了系统的检测灵敏度和信噪比。
差动放大电路的结构如图4所示。
图4 差动放大电路原理图在图4的电路中,电路的输出V 0=R 2R 11+R 1/R 21+R 3/R 4V 2-V 1(6)在式(6)中,若要使阻抗匹配,即使输出V 0=R 2/R 1(V 2-V 1),则有R 1/R 2=R 3/R 4,通常取R 1=R 3,R 2=R 4。
为了得到更高的共模抑制比,电阻选用0 1%精度的金属膜电阻。
3 实验结果及分析实验条件:室温为25∀,光源驱动电流100mA,气室长度8c m,瓦斯样气纯度99%,在单光路状态下,用数字示波器TD S3032B 观测差动放大电路的输出电压,得到的瓦斯吸收实验数据如表1所示。
表1 瓦斯气体吸收实验数据瓦斯浓度/%输出电压/V 瓦斯浓度/%输出电压/V 瓦斯浓度/%输出电压/V 04 601 7363 883 4723 400 2174 501 9533 813 6893 360 4344 392 1703 743 9063 320 6514 292 3873 674 1233 280 8684 202 6043 614 3403 251 0854 122 8213 554 5573 221 3024 033 0383 504 7733 201 5193 953 2553 444 9903 18根据表1中的实验数据,采用数据处理软件对实验数据进行二项式拟合,得到输出电压与浓度的关系式为c =37 98-15 46V +1 57V 2(6)拟合曲线如图5所示。