毕业设计开题答辩报告..

便携式油气浓度检测装置

开题报告

姓名：胡慧

专业：测控技术与仪器

学号：1107010103

指导老师：葛亮

一、设计背景及意义

目前，随着全球经济高速发展，石油、天燃汽等能源在工业、汽车和化工等多个领域得到广泛应用。在使用过程中，油品及天然气的易燃、易爆、腐蚀性、有毒性以及挥发性极易酿成火灾、爆炸和人员中毒等安全事故。尤其是在油库、加油站、加气站等石油、天然气的储存和加注场所，然而事故发生的主要原因是没有更加先进的油气浓度检测设备来代替技术落后的检测设备，以至不能提供准确的检测结果并及时报警。因此，一种可靠性较好，检测范围较大，信息提示较为准确的便携式油气浓度检测装置的研制就显得尤为重要。

二、系统设计及方案论证

1.系统框图

系统框图设计如图所示

设计思想：该便携式油气浓度检测装置是一种运用传感器、集成电路、放大电路、A/D转换器、单片机以及微型计算机控制组成的成熟技术手段。

该仪器是利用催化燃烧式气敏传感器对现场油气浓度进行采集，输出的微弱电压信号通过放大电路进行放大后，将该放大后的模拟信号通过A/D转换器转换层数字信号，此转换过程通过单片机控制，最终传输给计算机进行数据处理，用LCD显示出来。可及时、精确测量并显示油气的爆炸下限百分比浓度(%LEL)值、油气的体积百分比浓度(%VOL)值、油气的爆炸下限百分比浓度峰值。当油气浓度达到预设的浓度报警阈值，则蜂鸣器、LCD显示屏及偏心振子发出声光振动起到报警作用。该检测仪具有好的稳定性，高的灵敏度，较高水平的响应时间，恢复时间。为了达到方便携带，就需要装置的体积小、重量轻。

2．方案论证

（1）传感器

定义：是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

特点：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

分类（根据其基本感知功能）：热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。

方案一接触燃烧式气体传感器

这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸F限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。这类传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不足的是催化剂寿命有限，当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。

方案二半导体式气体传感器它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的。比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小的原理制备的。半导体式气体传感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体地检测。尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体

检测的需求。下列几种半导体式气体传感器是成功的：甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。高质量的传感器可以满足工业检测的需要。

在本次设计研究中选择催化燃烧式气体传感器，其计量准确，响应快速，寿命较长，价格便宜。传感器的输出与环境的爆炸危险直接相关，同时克服半导体式气体传感器稳定性较差，受环境影响较大等缺点，在安全检测领域是一类主导地位的传感器。

该检测仪选用催化燃烧气敏传感器MC105，其特点如下：

1)元件工作稳定、可靠；

2)具有良好的重复性、选择性；

3)响应速度快；

4)桥路输出电压呈线性；

5)优异的抗H2S、有机硅中毒能力。

（2）放大电路

定义：放大电路（amplification circuit）能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管、场效应管），得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。

方案一差分放大电路

差分运算放大电路如图所示。

差分运算放大电路

由虚短、虚断的概念有，VI=i1=0，所以(Vs1-Vn)/R1=(Vn-V o)/Rf,及(Vs2-Vp)/R2=Vp/R3,由于Vp=Vn，可得出

V o=[(R1+Rf)/R1]·[R3/(R2+R3)]·Vs2-(Rf/R1)·Vs1，当取R3/R2=Rf/R1，则上式简化为V o=Rf/R1·(Vs2-Vs1)。

差分运算放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力，对差模信号却没有多大的影响，因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级，可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响，如温度噪声等。

缺点是存在共模输入电压。应当选择共模抑制比较高的集成运放因以保证运算精度。差分式放大电路也广泛应用于检测仪器中，可以用多个集成运放构成性能更好的差分式放大电路。

方案二同相比例运算电路如图所示。

同相比例运算电路