【摘 要】
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近些年国家经济快速发展与人民生活水平的提升,大气中的CO2含量逐年增加,我国所面临的环境问题也愈发严峻。因此,为了满足矿下生产安全需求、保障矿下施工人员的生命安全,设计一种具有高灵敏度、大量程、微型化、稳定性能优异和环境适应性良好的CO2传感器显得尤为重要。本文根据调研的市场出售上的各类气体浓度检测仪器,比较和分析了各类气体检测方法的优缺点,最终利用气体分子具有特征波长的红外吸收光谱,设计完整的非
【基金项目】
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科技部重点研发计划（资助编号2019YFB2005704）； 山西省留学人员科技活动择优资助项目（20210011）； 基于MEMS的微功耗二氧化碳（CO2）气体传感芯片及模组设计（2020CG00728）；
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近些年国家经济快速发展与人民生活水平的提升,大气中的CO2含量逐年增加,我国所面临的环境问题也愈发严峻。因此,为了满足矿下生产安全需求、保障矿下施工人员的生命安全,设计一种具有高灵敏度、大量程、微型化、稳定性能优异和环境适应性良好的CO2传感器显得尤为重要。本文根据调研的市场出售上的各类气体浓度检测仪器,比较和分析了各类气体检测方法的优缺点,最终利用气体分子具有特征波长的红外吸收光谱,设计完整的非分光红外CO2传感器系统,包括传感器设计和配套的上位机。首先,采用红外热辐射光源HSL5-1115与热释电红外探测器PYS3228,并针对所选光源与探测器进行测试,选出合适的斩波频率。设计一种微型折叠式光学气室,通过Solid Work完成气室的3D设计,并使用Trace Pro光学软件对其反射特性与光强分布特性进行光学仿真。其次,根据所选光源与探测器结合所设计光学气室,设计出光源驱动电路、窄带通滤波放大电路、电源设计、单片机STM32核心电路以及温度采集电路等,有效实现对探测器输出信号的读出。并制成电路板,通过实验室仪器完成各模块电路的焊接与调试。再次,完成单片机程序设计,包括光源驱动与ADC采样。并通过中值滤波与均值滤波去除大幅值脉冲干扰与小幅值高频噪声,实现峰峰值的有效值取样。使用Lab VIEW编写上位机软件,具有数据实时采集与波形显示功能、数据保存与读出功能、数据安全保密功能等。最后,通过在高低温潮湿箱内进行标定实验,探究传感器温度补偿功能,确定所设计传感器的浓度计算公式,并对传感器各项性能进行测试。实验数据表明:该传感器能够在0-40℃内,通过温度补偿,实现该传感器能够实现精确测量。在0-2%之间,测量误差小于0.1%;在2%-5%之间,测量误差小于0.25%;基本满足工业生产与幸福生活的需求。本课题设计NDIR双通道热释电CO2传感器满足了一定环境下CO2气体浓度的实时监测,对后续气体传感器的研究具有参考价值。
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