J I A N G S U U N I V E R S I T Y本科课程设计说明书光学测试技术应用课程设计题目：学院名称：机械工程学院专业班级：学生姓名：指导教师姓名：20 年6月一氧化碳浓度监测系统设计专业班级：学生姓名：指导教师：摘要一氧化碳是一种对人类和环境有很大危害性的气体。

由于工业生产中排放的废气大多有毒、易发生爆炸且其检测环境极其恶劣，所以对气体检测系统提出了更高的要求。

因此，研究一种高精度、高灵敏度、非接触式、稳定可靠的现代化测量技术以实现对一氧化碳气体浓度的测量具有重义。

本文设计了一种基于近红外吸收光谱技术的CO气体浓度检测系统，利用分子光谱选择吸收理论，对一氧化碳气体的几个特征吸收光谱的比较，选择1.568um作为氧化碳气体浓度检测的特征吸收波长。

根据Lambert-Beer定律以及弱光检测技术，采用锁相放大器的补偿法双通道测量方法，测量一氧化碳气体浓度。

关键词：近红外吸收光谱技术Lambert-Beer定律锁相放大器A Design of Carbon Monoxide Gas Concentration Measurement SystemAbstract Carbon Monoxide Gas is a kind of dangerous gas It is seriously harmful to environment and people. Emissions detection is the foundation and the key of prevention and control of pollution in the production of industrial. But because most of the exhaust gas are poisonous and explosive, and the testing environment very bad, so gas detection system must achieve higher requirements. Therefore, the study of a modern measurement technology of high precision, high sensitivity, non-contact, stable and reliable have the important meaning to realize the measurement of carbon monoxide gas concentration.In this paper ,a new design of Carbon Monoxide Gas Concentration Measurement System based on near-infrared absorption spectrum technology has been made. After analyzing the theory of gas molecules absorption and comparing, several absorption spectrum of carbon monoxide gas, It is a great deal to selected 1.568 um as the features absorption wavelength of carbon monoxide gas concentration measurement. Based on Lambert-Beer law and the technology of weakly light measuring, the system can detect the concentration of carbon monoxide gasKey words near-infrared absorption spectrum technology Lambert-Beer law lock-in amplifier第一章光谱吸收式气体检测原理 (4)1.1 分子光谱选择吸收理论 (4)1.2 Lambert-Beer定律 (4)1.3 一氧化碳气体分子特征吸收谱线的选择 (5)1.4 弱光检测中锁相放大器的原理 (6)第二章一氧化碳近红外吸收光谱检测系统设计 (7)2.1直接吸收检测 (7)2.2 差分吸收检测 (7)2.2.1差分吸收检测原理 (7)2.2.2差分吸收检测系统结构 (9)第三章气体检测系统各模块的选择及系统性能分析 (9)3.1光源的选择 (9)3.2气室的选择 (10)3.3光电检测器的选择 (11)3.4系统性能分析 (11)结论 (11)致谢 (11)参考文献 (12)附图 (13)一氧化碳是一种对人类和环境有很大危害性的气体。

人吸入一氧化碳气体后，血液中的血红蛋白就会与其结合，从而阻碍了氧气与血红蛋白的结合，导致机体组织的严重缺氧[1]。

浓度较低的一氧化碳气体也会导致如头痛、耳鸣、疲劳等这些症状，如果浓度较高，轻则会有损人的思维和感觉，导致身体的运动能力降低，重则会造成脑部的严重受损甚至出现死亡[2]。

在空气流通不畅的环境中，燃煤燃烧不充分产生的煤气或液化气管道气体的泄漏以及工业生产或采矿产生的一氧化碳气体非常容易被人体吸入而导致中毒。

一氧化碳的比重为，非常接近空气的比重0.97，所以不容易扩散，若是达到空气混合爆炸极限，发生爆炸的可能性极大，因此极易造成重大事故。

因此，对人类生产、生活环境中一氧化碳气体进行实时、准确的检测和报警是与人类自身安全、社会可持续发展切实相关的重要问题。

然而大多数传统的气体浓度检测技术是采用非光学法的检测，如电化学式气体浓度传感器、半导体气体浓度传感器等。

虽然这些传感器也能够达到比较低的检测限，但都无法避免稳定性差、易中毒、易受电磁干扰等这些缺点。

而基于光学法的气体传感器与传统的非光学类气体传感器比较，其具有高可靠性、低系统运行成本、无需人员值守、可连续工作、存在表面污染等优点，将是气体检测技术新的发展方向。

[3]本文设计了一种基于近红外吸收光谱技术的CO气体浓度检测系统，利用分子光谱选择吸收理论，对一氧化碳气体的几个特征吸收光谱的比较，选择1.568um作为氧化碳气体浓度检测的特征吸收波长。

根据Lambert-Beer定律以及弱光检测技术，采用锁相放大器的补偿法双通道测量方法，测量出一氧化碳气体浓度。

第一章光谱吸收式气体检测原理1.1分子光谱选择吸收理论光谱学研究表明当气体分子受到光线照射时，分子的跃迁就要吸收一部分光能量，使透射光强相对于入射光强有所减弱。

气体分子对光能量的吸收具有选择性，只吸收能量等于跃迁的始末能级的能量之差的光子（∆E=hν），这样不同的气体因其能级结构不同，所吸收的光子的能量不同。

而光子的能量又和其频率有关，不同的气体会吸收不同频率的光子。

光源的波长只有在与气体的特征吸收波长重叠时才会导致共振吸收，其吸光度与与该气体分子浓度存在一定的关系，吸收后透射光强将不同于入射光强，通过测量两个光强度就可以得到气体分子的浓度。

1.2 Lambert-Beer定律光吸收定律，即Lambert-Beer定律，是研究和计算对光强吸收的最基本的定律。

两条定律构成了光吸收定律：第一条是朗伯定律，是Lambert在1760年左右发现的，朗伯定律指出入射光经过介质时的吸收光强的量与该介质的厚度存在一定的关系；第二条是比尔定律，是比尔在1852年提出的，比尔定律指出了入射光经过介质时的吸收光强的量与该介质的浓度存在一定的关系。

对于一束光强为I0(ν)的入射光，通过待测气体吸收气室后，其强度为： I(ν)=I0(ν)e−α(ν)CL（1.1）其中I(ν)为经气体吸收后的光强，I0(ν)为初始光强，α(ν)为气体在频率为ν处的光谱吸收系数，C为待测气体的体积浓度，L为光通过待测气体的光程。

Lambert-Beer定律是进行光谱吸收法气体检测的基本原理和重要依据。

在已知吸收系数和吸收光程，通过测量入射光强和吸收的光强，由上式即可计算出待测气体的浓度。

1.3一氧化碳气体分子特征吸收谱线的选择在进行CO气体检测时，对其特征吸收谱线的选择非常关键，需要从以下几个方面进行考虑：（1）CO气体在选定的测量谱线处要有较强的吸收峰。

（2）吸收谱线波长的激光器要相对成熟，易于实现，价格相对便宜。

（3）必须确保在该吸收谱线处其它背景气体没有吸收，或是相比CO气体吸收很微弱，可以忽略。

在CO气体的吸收谱线中，主要有三个主要的吸收峰，波长分别为4.6μm、2.33μm和1.568μm。

最大吸收峰值位于4.6μm波长处。

然而这个吸收波长属于中红外波段，需要中红外光源测量，对光源的滤波器要求高，而中红外激光器不仅寿命短，价格而昂贵，而且需要设置冷却系统，因此不采用4.6μm吸收波长作为测量波长。

2.33μm和1.568μm波长的近红外激光器性能已经相当成熟，实现起来比较容易，而且价格不高。

其屮，1.568μm波长的激光器具有相当高的成熟度且市场应用最为广泛，可实现单纵模运行。

另外背景干扰气体对被测气体吸收的影响是方案选择的重要依据，所以对于其它干扰气体在这个位置是否有影响也是一个非常关键的因素。

在 1.568μm 处，吸收相对明显的只有CO和CO2，并且CO2的吸收强度要比CO低一个数量级，可以忽略不计。

所以综上所述采用1.568μm的吸收波长作为测量波长。

1.4弱光检测中锁相放大器的原理由于环境温度改变、红外光源强度不稳定、光强变化量较小以及由于使用近红外光作为探测波长造成背景噪声会较大。

如果采用直接测量的方法会导致测量精度很低。

所以采用弱光检测中锁相放大器来降噪以提高精度。

锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。

利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比，并且具有很高的检测灵敏度，且信号处理比较简单。

锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其它频率成份将不能对输出电压构成任何贡献。

锁相放大器被用来侦测和量测非常小的交流信号直至数个nV。

甚至当信号被比它大数千倍噪声掩盖时，也可以做正确的量测。

图1-1锁相放大器的组成示意图锁相放大技术的四个基本环节：（1）通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。

检测系统变成交流系统；（2）在调制频率上对有用信号进行选频放大；（3）在相敏检波中对信号解调。