甲烷气体的检测系统毕业设计

第一章绪论1.1引言随着工农业现代化经济的发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门急需解决的重要问题。

同时随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求也越来越高，迫切要求监测监控易燃易爆和有毒有害气体，减少环境污染，确保身心健康。

因此研制气体传感系统是十分重要的，已成为当今传感技术发展领域的一个重要前沿课题。

过去研究开发的气体传感器主要用于家庭中常用的煤气、液化石油气、天然气以及矿井中瓦斯气体的检测和报警，并取得了很大的成就，基本满足了市场的需要。

进入90年代随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器的需求已有所不同。

同时，随着近年酸雨、温室效应、氧层破坏及环境污染等的频繁发生，严重影响了人类的健康和生存。

检测气体的种类由原来的还原性气体（如H2、CH4等）扩展到毒性气体(如CO、NO2、H2S、NH3等)以及食物相关的气体(如鱼、肉鲜度、醋酸乙脂等)1⎡⎤⎣⎦。

气体浓度的检测主要应用于以下几方面：1) 用于环境保护工业应用会排放大量废气产生有毒有害气体。

CO2的超标排放导致温室效应，使全球变暖，气候恶化，结果是冰川融化，陆地减少，山洪爆发造成洪涝灾害，农业病虫害更为严重；Flon(氟里昂) 制冷剂的泄漏对臭氧层破坏严重，致使人们暴露在太阳的强紫外线下，从而危害人们的健康；SO2、CO等氧化物则直接危机人民的健康和生命财产安全。

有毒有害气体检测的目的是为了帮助人们了解所处环境的安全状况，以便采取措施减少或消除这些气体的排放和泄漏。

(2) 防火防爆在存在可燃气体源的很多场所，经常因可燃气体大量泄漏引起不幸事故，例如社会生活与生产中存在的天然气（CH4）、煤气（CO）泄漏事故，矿井中瓦斯（CH3）爆炸事故等，给国民经济、人民生命安全造成巨大损害。

因此对这些气体检测的可靠性和实时性至关重要，一旦气体泄漏超过允许标准（爆炸下限）时，要及时报警，以便采取措施，防患于未然。

由于甲烷气体（CH4）是普通的液体燃料的主要成分，既是易燃易爆又有毒有害，最近研究表明它还与温室效应有关，其吸收红外线能力是二氧化碳的15～20倍，据整个温室效应贡献量的15%，因此把甲烷气体作为本文实验研究中的样气。

(3) 故障前兆气体的检测“障前兆气体”是指所检测气体的出现或浓度发生变化兆示着某种事故将要发生，且浓度变化越大，预示着事故越严重。

研究表明地球在形成过程中，其内部就贮存了一些气体，地球内部的活动会使其内部的气体沿其断层渗透出来。

目前世界上很多国家都通过检测这些微量气体的浓度来推测地球内部的活动，从而预测地震发生的可能性，这些气体有氡（Rn）、氦（He）、氢（H2）、汞（Hg）、二氧化碳（CO2）等；在电力工业中，大型变压器或其它充油高压电气设备在运行过程中，由于绝缘材料的老化以及局部放电和电能热损耗对绝缘材料的作用，变压器中就会产生多种气体，这些气体的各组分浓度与变压器等电气设备的运行状况以及它们的故障大小和位置具有明显的对应关系2⎡⎤⎣⎦；另外警察通过监测司机口中乙醇（Alcohol）的浓度也属于一种前兆检测。

要控制污染物的排放，满足人们对生存环境越来越高的要求，必须努力做到：(1)寻找污染小的能源；(2)实时监测污染物的浓度，作到有的放矢地控制污染物的排放。

因此研制一种能够实时监测、高灵敏度、高分辨率的气体浓度传感器不仅具有理论意义，更有服务国民经济，改善人民生活的现实意义。

1.2气体检测方法概述气体浓度检测方法很多，如化学法、气相色谱法和光谱法等这些方法，有的已经形成产品，应用在工农业生产中；有的还在科学研究和试验阶段。

为了研究高性能、更先进的气体传感器，有必要对各种气体检测方法作一一概述。

1.2.1化学气敏传感器化学气敏传感器的机理是敏感体和环境中的某种物质发生特定的物质交换从而导致敏感体电学性质的变化。

敏感体材料主要有电解质、半导体氧化物和高分子聚合物。

电学性质主要指电导率、晶振频率和电容。

敏感体和待测气体之间的作用主要是物理吸附和化学吸附，所谓物理吸附是指气体分子在敏感体表面因电负性引力亲和力而产生的吸附；化学吸附是指气体分子在敏感体表面产生一种氧化还原反应3⎡⎤⎣⎦。

化学气敏传感器具有结构简单、反应速度快、结构紧凑的特点。

但是，这种传感器也存在很多缺点：(1)交叉敏感，即敏感体对气体的选择性差；(2)输入输出之间呈现复杂的非线性关系，不利于数据处理；(3)稳定性差，化学传感器存在着温度适应性问题。

1.2.2气相色谱分析法气相色谱法是色谱法中的一种。

它分析的对象是气体和可挥发的物质。

气相色谱法实际上是一种物理分离的方法，基于不同物质物理化学性质的差异，在固体相(色谱柱)和流动相(载气)构成的两相体系中具有不同的分配系数(或吸附性能),当两相作相对运动时,被测物质随流动相一起迁移,并在两相间进行多次的分配,使得那些分配系数只有微小差别的物质,在迁移速度上产生了很大的差别,经过一段时间后,各组分之间达到了彼此的分离.被分离的物质顺序的通过检测装置.就可对其进行定性和定量分析4⎡⎤⎣⎦。

气相色谱法的优点是分离效能高。

另一个优点是选择性高，可以对同位素、空间异构体、光学异构体等进行有效的分离。

第三个优点是灵敏度高，10-ɡ。

可高达1110-~13虽然气相色谱法可检测的灵敏度比较高，但是气相色谱法的局限性主要表现：首先，在对被分离组分的定性工作上，如果没有标准样品供对照，那么定性方面将存在很多的困难；另外，这种方法很难做到在线检测，实时性差。

从取样到分析结果出来通常不能在同一天完成。

因此气相色谱法不适合实时监测大气中的污染气体。

1.2.3 光谱法光谱法可以分为荧光光谱法和光谱吸收法。

1) 荧光检测法一些气体分子吸收适当能量(光能、电能、化学能、生物能等)后，分子被激发到激发态。

激发态很不稳定，将很快衰变到基态。

激发态在返回基态时常常伴随光子的辐射，这种现象称为发光。

荧光属于分子的光致发光现象。

荧光可以由被测物质本身产生，也可由与其相互作用的荧光染料产生5⎡⎤⎣⎦。

被测气体的浓度与荧光辐射的强度成一定关系。

检测气体浓度时，使光源的强度和波长保持不变，对荧光辐射进行扫描，测得荧光辐射的强度，进而求出气体浓度。

另外，气体浓度和荧光寿命也有关系。

因此，可以通过测量荧光寿命检测气体浓度。

2) 光谱吸收检测法光谱吸光谱吸收法通过检测样气透射光强的变化来检测气体浓度。

每种气体分子都有自己的吸收谱，当光束照射气体时，与气体吸收谱重叠的部分将被气体吸收，使透射光强衰减。

气体吸收的光谱范围可划分为红外光谱吸收、可见光谱吸收和紫外光谱吸收。

1852年，Beer提出了透过气体的光强与气体浓度之间的关系，即I=I0exp(αLC )(1-1)式中I —光通过气体后的透射光强I0—入射到气体上的光强α—气体的吸收系数C —气体浓度L—光通过气体的长度式(1-1)称为Lambert-Beer定律，表明吸收度与吸收路径和气体浓度之间的关系。

光谱吸收法检测气体浓度具有灵敏度高的特点，但在一般情况下，测定的是透射光和入射光的比值，当测量非常弱的吸收时，透射信号几乎不衰减，可能造成相当大的误差。

如果用光纤传感器，存在着光源和光纤的耦合问题，光源功率不可能太大。

而且气体分子的吸收谱线和光纤低损耗传输窗口不可能完全重合，这不但限制了光源的选择，也使光纤气体传感器可测气体的种类大大减少。

所以，基于光谱吸收原理的光纤气体传感器在应用当中是有很多困难的。

1.2.4 气体光声光谱检测技术作为光谱吸收法有益和必要的补充，光声光谱法是通过检测气体吸收光能后产生的声压信号的大小来测量气体的浓度。

这种方法从发现到现在已经有一百多年的历史了，有很多自身的特点。

光声学和光声技术的应用发展如此迅速的原因是由它本身的特点所决定的。

光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于，光声方法检测的光声信号是直接取决于物质吸收光能的大小，所以反射光、散射光等对光声检测的干扰很小。

对于弱吸收试样则可增大入射光功率，从而提高信噪比。

因此，它可以成功地用来检测各种试样，透明的或不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶态等等。

1.3光声光谱技术的发展概况光声效应是1880年美国著名科学家Bell在固体中首先发现的。

光声光谱分析方法就是用一定频率的调制光照射密闭的物质组分，物质吸收光能后，有一部分能量转化为分子的平移动能，即分子热能，并以声压的形式表现出来，检测声压信号就可以对物质组分进行分析6⎡⎤⎣⎦。

继发现固体的光声效应之后，Bell及其同事以及著名科学家T yndall等在1881年各自独立地进行了气体和液体的光声试验，也都观察到了同样的效应。

但是，在此之后对这种效应的研究出现了几十年的停顿。

直到二十世纪四十年代，苏联学者Veingerov才开始重新研究该效应，他用一个绕有电热丝的炉子所产生的热辐射作为红外波段的激发源，研制出世界上第一台测量气体浓度的光声光谱装置，成功的测定了混合气体各成分的浓度7⎡⎤⎣⎦。

到了60 年代，由于高灵敏度的微音器和压电陶瓷检测器出现以及各种激光器的问世，光声光谱技术的检测灵敏度实现了一个飞跃。

1968 年Kerr 和Atwood首次报道了利用激光光声光谱法测量气体的弱吸收。

单色性好，强度高的激光光源的利用使得光声技术的发展向前跨进了一大步8⎡⎤⎣⎦。

1973年，美国Bell实验室的Robin等人受到Kreuzer工作的启示，将大功率氙灯作为光源，并与单色仪联用，测定了从紫外到可见光范围内的气体和固体的吸收光谱。

在这一阶段，美英日等国已先后有光声谱仪和热波显微镜产品问世9⎡⎤⎣⎦。

1980年，Gerlach和Amer根据共振式光声腔光声信号声波模式和光强耦合的特点，设计了一种以布鲁斯特角入射或无窗片的角向谐振光声腔，该结构不仅达到了较高的Q值，而且可以对流动式样进行检测10⎡⎤⎣⎦。

1990年，F.J.M.Harren和J.Reuss等人设计了一套光声系统，该系统在以空气为载体的条件下，对凋谢的兰花产生的乙烯的检测灵敏度达到20ppt11⎡⎤⎣⎦。

1997年，M.A.Gondal设计了一套用于远距离和实时检测空气污染物的光声系统。

该系统可以用来远距离检测汽车尾气中的污染物12⎡⎤⎣⎦。

在国内，光声技术也得到了飞速的发展。

1977年，北京大学应用光声技术开展了大气污染的检测工作；中国科学院长春应用化学研究所自1978年以来研制了两种用于气体和固体检测的光声谱仪；自从1979 年以来，中国科学院上海硅酸盐研究所、同济大学、南京大学、南开大学等二十多个单位相继开展了光声技术应用研究，研究对象包括半导体材料、无机极性材料、结构材料、有机物质、金属及医疗诊断等13⎡⎤⎣⎦。