【摘 要】
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红外甲烷传感器利用甲烷分子在特定波段下的光谱吸收特性进行浓度检测,但其吸收特性受到温度和压强的影响较大,因此设计高精度甲烷浓度传感器必须研究不同温度与气压下的甲烷分子吸收系数。本文通过结合分子光谱理论、HITRAN数据库,设计了吸收系数计算的Python程序,计算了甲烷吸收系数随温度、气压变化的公式,并通过傅里叶红外光谱仪对此公式进行了实验验证。以吸收系数为标准,确定了传感器的光程,最终设计出以L
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红外甲烷传感器利用甲烷分子在特定波段下的光谱吸收特性进行浓度检测,但其吸收特性受到温度和压强的影响较大,因此设计高精度甲烷浓度传感器必须研究不同温度与气压下的甲烷分子吸收系数。本文通过结合分子光谱理论、HITRAN数据库,设计了吸收系数计算的Python程序,计算了甲烷吸收系数随温度、气压变化的公式,并通过傅里叶红外光谱仪对此公式进行了实验验证。以吸收系数为标准,确定了传感器的光程,最终设计出以LED为光源,光电二极管（Photodiode）为探测器的甲烷浓度传感器结构,并对该传感器进行了标定与浓度测试。具体的工作如下:（1）研究甲烷气体吸收系数的计算方法,分析对比洛伦兹、多普勒和Voigt谱线线型函数在进行吸收系数计算时的联系与区别;结合Python与HITRAN数据库,实现了甲烷吸收系数的数学计算,分析了甲烷吸收区间的干扰气体,拟合了甲烷吸收系数随温度、气压变化的公式,并通过傅里叶光谱仪对甲烷吸收系数的拟合公式进行了实验验证。（2）在得出确切的甲烷吸收系数随温度、气压的变化关系后,通过朗伯比尔定律,分析了不同光程对甲烷浓度传感器分辨率的影响,并确定了传感器的光程长度;对比选择了传感器的光源与探测器。利用Solid Works设计了传感器的气室结构,并使用Trace Pro光学仿真软件对探测器的接收情况进行了仿真。（3）设计了LabVIEW上位机串口读取程序,搭建了由5 vol-%标准甲烷气体、99.99 vol-%标准氮气、减压阀、多组分动态配气仪、ABB气体浓度测试仪、恒温箱所组成的实验台架,通过甲烷吸收系数公式和朗伯比尔定律,直接拟合出甲烷浓度（0 vol-%～5 vol-%）与温度（-10℃～50℃）、气压（0.2atm～1.2atm）、电压比之间的关系式,并对传感器的重复性、响应性和受温度气压的影响进行了实验与误差分析。
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