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11
10-~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????。
中国科学技术大学化学物理系郝绿原等用光声光谱方法，测量了砷烷分子振动量子数为6的高分辨泛频谱。选用钛宝石激光器作为光源，输出功率约1W ，频率调制范围为4Hz ～4kHz ；光声腔直径为12cm ，长为100cm ，采用White 腔结构以增加有效吸收长度，检测灵敏度达到98.510-?1cm -。
总之，这些年来光声学和光声技术在我国的发展是迅速的，应用面正在不断扩大，其发展应用前景令人鼓舞。
1.4 光声光谱技术的特点及应用
光声学和光声技术的应用发展如此迅速的原因是由于它自身的特点所决定的。光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于，光声检测的光信号是直接取决于物质吸收光能的大小。正因为这样，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。
在光声检测中试样本身既是被研究的对象，又是吸收光辐射的检测器，因此可以在一个很宽的光学和电磁学波长范围内进行研究而不必改变检测系统。最低检测极限主要取决于光源强度，检测器和接收放大器的灵敏度以及窗口材料的吸收。而且光声信号是物质分子在吸收强度调制的外界入射能量后，由受激态通过非辐射过程跃迁到低能态时所产生的，因此，它与物质受激后的辐射过程、光化学过程是互补的。所以光声效应本身又是一种研究物质荧光、光电和光化学现象的极其灵敏又十分有效的的方法。光声效应不仅象光谱方法那样可以用来测定物质的吸收谱，而且还可以来研究弛豫过程，辐射过程的量子效率以及用于测定物质的热学性质，弹性性质，薄膜厚度等研究。
在红外波段，光声光谱具有其独特优点，我们知道红外光谱是分子同一电子态的不同振转能级之间的跃迁。因为分子振转能级的寿命较长，而处于
振转激发态的分子与其他分子，如本底气体的碰撞速率较大。这样绝大多数处于振动激发态的分子都以无辐射碰撞的形式返回基态。因而在红外波段采用通常的荧光光谱方法来研究将损失绝大部分能量，灵敏度很低。
在检测低浓度，弱吸收物质方面，光声光谱技术较传统的吸收法优越得多，物质吸收遵循Beer定律:
0al
I I e-
=(1-2)其中I0为入射光;I为出射光强;l为吸收长度;a为吸收系数。
吸收光谱通常是利用测量I,I0来确定吸收系数和浓度的，对于低浓度，弱吸收的物质,I与I0相差很小，检测灵敏度很低，而光声光谱是直接检测物质所吸收的能量通过增大入射光光强:采用低噪声检测技术，就可以在某些痕量气体(如乙烯,甲烷)的检测方面达到较高的检测灵敏度。
正是基于以上这些特点，决定了光声光谱技术在煤炭、石油、环保检测、化工、冶金、气体浓度检测、生物工程等方面有着广泛的用途，有着巨大的潜在市场。
1.5 课题的意义、目的和主要内容
甲烷(CH4)是易燃易爆气体和多种液体燃料的主要部分,它在大气中爆
炸的下限为5.3%V,上限为15%V。及时检测甲烷气体及浓度,对于工矿安全运行和人身安全有着至关重要的作用。因此对周围环境CH4气体进行早期安全监测是十分必要的。但现有CH4电子气敏传感器存在许多不足之处：传感器容易中毒；对气体的选择性差；易出现误报；而且系统需要频繁校准；此外在野外遥测时需要通过电缆连接，降低了系统的安全性。
而采用光声光谱法来测量微量气体可以很好的检测到甲烷气体的含量。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。例如：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。
本课题的主要研究内容：
(1) 研究甲烷气体中心吸收波长及确定中心波长附近的吸收谱精细结构参数，以选择合适的激光源及相应的驱动电路；
(2) 设计能够检测微弱光声信号的电路系统，包括斩波电路设计，光声腔的设计以及锁相放大器设计等，以提高系统的信噪比。
(3) 系统单元电路的测试。
第二章气体光声检测的基本原理
根据分子光谱理论，气体分子可以吸收特定频率的光子而使自己的平移动能，即热能增加。热能的增加在其它条件不变时和气体浓度成确定关系。若这种气体密封在气室中，将导致气室内的压力变化，测量气压的变化就可测得气体的浓度，这就是气体浓度光声检测理论。光声传感器可以将压力的变化转换成电信号的变化，这种传感器具有灵敏度高的优点，可以检测到极低的气体浓度。
2.1 分子结构和分子光谱理论
分子是由原子组成的，原子又由原子核和电子构成。分子处于无休止的运动当中，这些运动可以分为三种形式：电子围绕原子核分成若干层不停地转动；原子组成的原子对以不同频率不同方向振动；分子作为一个整体绕其内部若干轴线作转动运动。这些运动使分子具有不同的能级，即电子能级、振动能级和转动能级。分子的能级是离散的而非连续的。当分子吸收一定频率的光子能量后，会从低能级激发到高能级，称为能级跃迁。以分子吸收光波的波长(或频率)为横坐标，吸收的能量(吸光度或透光度)为纵坐标绘制的图，称为吸收光谱图，简称谱图14??
??。
分子吸收光子要满足一定条件的。首先，根据量子力学理论，分子吸收的光子能量必须恰好等于分子内某两个能级间的能量差△E。即满足
△E=E1-E2 =hυ=hc/λ (2-1)只有频率或波长满足式(2-1)的那些光子才能被分子吸收。其次,分子能级跃迁的过程是分子和电磁波交换能量的过程。在分子内部存在着电偶极矩，电四极矩和磁偶极矩。分子与光子的相互作用就是通过光子与分子内部的电矩和磁矩相互作用完成的。相互作用的结果是导致分子电矩和磁矩的变化。光
子和分子相互作用而使分子内部的电矩和磁矩发生变化需要满足一定的条件，判断这些条件能否满足的依据称为选律。选律不仅决定信号强度还决定允许跃迁分子吸收能量的数目，即谱图吸收峰的数目。
因为在应用光声光谱法检测气体浓度的系统中，一般利用分子的红外光谱，所以下面主要介绍分子的红外光谱理论。红外光谱是由原子振动和分子转动产生的，所以红外光谱又称为分子的振转光谱15????。
分子的结构千差万别，其内部的运动形式和原子间的相互作用非常复杂。具有最简单的一类分子是一个分子轴的双原子分子，而由两个以上原子组成的称为多原子分子。考虑到甲烷是个多原子分子，下面只对多原子分子的振动做阐述。
2.1.1 多原子分子的简正振动
多原子分子的振动远比双原子分子的振动复杂。原因是振动就是分子内原子核的相对运动，而任意两个核的相对位移也将同时涉及它们与所有其余核的相对位移，这表明多原子分子的振动将涉及所有核的相对位移。对多原子分子振动转动运动的分析，可以得出以下结论16??
??：
1) 3n-6或3n-5规则原子核的运动导致分子的平动,转动和振动。分析表明，n个原子核应有3n个独立的运动坐标。描述分子的平动需要3个运动坐标，对于分子的转动，直线型分子要2个独立坐标，非直线型分子需3个独立坐标。所以，用于振动的独立坐标数，非直线型分子是3n-6个，直线型分子是3n-5。这通常就称为3n-6或3n-5规则。
2) 简正坐标和简正振动简正坐标是用质量加权的位移坐标的线性组合。沿不同简正坐标进行的振动称为简正振动，3n-6(或3n-5)个简正振动常被称为简正模式，所有实际振动都是它们的线形组合。每个简正模式都是简谐振动，它们有振幅B k和频率υk。位相b k要求在简正振动中各个原子的位移都是同相的。简正振动是不可约的。
3) 基频、倍频、组频各种简正模式的基本跃迁，即υ =0→υ =1
跃迁所对应的频率称为基本频率或基频。如果考虑到分子振动的非谐性，振动也含有频率2υ i 、3υ i ，…,这些频率称为倍频。此外还含有频率υi +υk 、υi -υk 、2υi +υk ，…，这些频率称为组合频率。在红外光谱中，除了基频以外，也会出现倍频和组频。不过，由于非谐性一般是很小的，倍频光谱与组合频率光谱跟基频光谱相比要弱得多。
2.1.2 甲烷(CH 4)气体分子的近红外吸收光谱
CH 4分子具有4个固有的振动：112913.0V cm -=，121533.3V cm -=， 133018.9V cm -=，141305.9V cm -=。每一个固有振动对应一个光谱吸收区，它们的波长分别是3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm。在近红外区，有许多泛频带和联合带。1933年，诺里斯和昂格尔首先发现了CH 4分子的V 2+2V 3混合带；1983年，日本Tohoku 大学利用InGaAsp LED 和锗探测器对其进行了测量，结果表明：在1.33μm附近的Q 支带线是相当强的，其吸收峰出现在1.3312μm 处，用0.3nm 分辨率的滤光片测的吸收系数为15.4m -。图2-1为甲烷气体
1.33μm附近的吸收谱线。
图2-1 甲烷气体1.33μm附近的吸收谱线
Fig.2-1 Absorption line of methane gas at about 1.33μm
1984年，该大学又对CH 4分子的2V 3谐波段进行了测量，发现在1.66μm附近的Q 支带线的光谱带宽约为3nm ，最大吸收波长为1.6654μm，分辨率为0.3nm 的情况下，测的吸收系数为19.3m -。图2-2为甲烷气体1.66μm附近的吸收谱
线。
图2-2 甲烷气体1.66μm附近的吸收谱线
Fig.2-2 Absorption line of methane gas at about 1.66μm 对于光波波长的选择考虑了以下几点：
1）：气体的标准吸收光谱位于2.5～25μm的中红外区，因此需要红外光源。虽然铅盐激光器可以产生这一波段上的光，但光源和探测器都需要低温制冷，价格昂贵，使用不方便。此外，这一波段上石英光纤损耗太大，处于石英光纤的高衰减区，而红外光纤技术又不成熟，因而这一吸收带不适于光纤传感系统。但其结合带V2+2V3和泛频带2V3分别位于1.3μm和1.6μm附近，在石英光纤的低损耗区光源技术也比较成熟，是目前技术条件下的最佳选择。可以选用这两个波长的LD光源来设计光纤传感系统。从甲烷气体的谱图还可以看出，甲烷气体在1.6μm波段的吸收强度远大于1.3μm波段的吸收强度，应该选用该波长处的LD。但就目前来说，1.6μm波段的LD造价较高，市场上也不容易买到，而 1.3μm波段的光源处于通信波段，且更便宜，更适于将来的应用。
2）：考虑到CH4在此处有强吸收。
3）：考虑到在此处，对其他气体如水蒸汽、二氧化碳无明显吸收。2.2 气体光声检测
2.2.1原理简介
气体光声光谱是利用光声效应来检测微量气体浓度的一种方法。图2-3展示了气体光声检测系统原理图。如下图所示，一束激光经过斩波器调制后被光声池内的待检测气体吸收，该气体分子吸收光能而被激发到激发态，激发态分子通过无辐射碰撞弛豫至基态时，将释放一定的能量转变为气体分子的平动动能。气体分子的平动动能升高意味着温度的升高，当容器为密闭时就意味着压力的升高。当光束被一定频率的斩波器调制时，则压力会随斩波器频率周期性变化。光声池顶部的微音器将检测到该声压并把它转换成电信号。可见光声信号的产生和检测是一个光、热、声、电的能量转换过程。
图2-3 气体光声检测系统
Fig.2-3 System of gas detection based on Photoacoustic Effect
2.2.2 光的吸收
产生光声信号的第一步是被检测气体吸收一定调制频率的光能量，被吸收的能量在气体中形成一个周期性变化的热源，也即是声源。
设H(r,t)为吸收光所产生的热源，I(r,t)为入射光强，则有：
H(r,t)= αI(r,t) (2-2)
cm-)，
式中 α——吸收常数(1
式(2-2)在下面两种条件同时满足时才能成立。
1)入射光强足够小，以至于吸收跃迁是非饱和的。
2)入射光强随时间的变化率要远远慢于吸收能到热能的转化率。
将(2-2)式进行傅立叶变换有:
H(r,ω)= αI(r,ω) (2-3)
下面将根据速率方程来推导H(r,t)的表达式。
光强为I(r,t)，频率为υ 的光束，受频率ω 调制后入射到密闭的装有某种气体的光声腔,将有一部分光能被气体吸收,从而使气体分子从基态E 0 跃迁到激发态E 1。设某一时刻气体分子浓度为N （分子数/3cm ）。处于激发态E 1 的分子浓度为N 1。dN 1 表示N 1 随时间的变化率，则dN 1 满足如下公式 dN 1/dt=-N1(B 10+ 11C r ττ--+)+(N-N 1)B 10 (2-4) 式中 B 10 —— 分子由E 0 到E 1 或E 1 到E 0 的受激辐射爱因斯坦系数，
B 10= s I h πνν
； 式中：S —— E 1 和E 0 之间跃迁的谱线强度
△υ —— 跃迁的谱线宽度
τc —— 分子离开E 1 的无辐射（或碰撞）跃迁驰豫时间，是激发态
无辐射跃迁几率 A nr 的倒数。
τr —— 分子离开E 1 的辐射跃迁驰豫时间，是激发态辐射跃迁几率
A r 的倒数。
式(2-4)忽略了在基态E 0上分子通过碰撞而激发到E 1 的几率，这在室温条件下是合理的。如果光强的调制频率ω 满足
()11102c
r B ωττ--++ (2-5) 则可以认为dN 1/dt =0 由式(2-4)可以得到 11101102C r B N N B ττ--=++ (2-6)
从(2-6)可看出：当入射光强I(r,t)满足2B 10?11C r ττ--+时，N 1=0.5N ，出现饱和吸收。我们不考虑饱和吸收的情况，而总是使入射光强度I(r,t)满足2B 10?11C r ττ--+，则式(2-6)可以表示为
()1
11110C r N B N ττ---=+ (2-7) 式(2-7)称为激发态的分子浓度方程。
甲烷CH4气体检测仪
甲烷CH4气体检测仪 甲烷CH4气体检测仪适用于各种环境和特殊环境中的甲烷CH4气体浓度和泄露，在线检测及现场声光报警，对危险现场的作业安全起到了预警作用，此仪器采用进口的电化学传感器和微控制器技术，具有信号稳定，精度高，重复性好等优点，防爆接线方式适用于各种危险场所，并兼容各种控制器，PLC,DCS等控制系统，可以同时实现现场报警和远程监控，报警功能，4-20mA标准信号输出，继电器开关量输出。 甲烷CH4气体检测仪产品特性： ①进口电化学传感器具有良好的抗干扰性能，适用寿命8年。 ②采用先进微处理技术，响应速度快，测量精度高，稳定性和重复性好。 ③检测现场具有具有现场声光报警功能，气体浓度超标即时报警，是危险场所作业的安全保障。 4现场带背光大屏幕LCD显示，直观显示气体浓度，类型，单位，工作状态等。 5独立气室，更换传感器无须现场标定，传感器关键参数自动识别。 6全量程范围温度数字自动跟踪补偿，保证测量准确性。 甲烷CH4气体检测仪技术参数： 检测气体：空气中的甲烷CH4 检测范围：0~100ppm,0~200ppm,0~1000ppm,0~1000ppm,0~5000ppm,100%LEL可选。 分别率：0.01ppm(0~100ppm);0.1ppm(0~1000ppm);1ppm(0~10000ppm以上)；0.1LEL. 工作方式：固定式连续工作，扩散式，管道式，流通时，泵吸式可选。 检测误差：≦1%（F.S） 响应时间：≦10S 输出信号：电流信号输出4-20MA 报警方式：2路无源节点信号输出，报警点可设置。 工作环境：-20℃~50℃(特殊要求：（-40℃~+70℃) 相对湿度：≦90%RH 工作电压：DC12~30V
气体放电管
放电管特性及选用 吴清海 放电管的分类 放电管主要分为气体放电管和半导体放电管，其中气体放电管由烧结的材料不同分为玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管，玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管具有相同的特性。 气体放电管主要有密封的惰性气体组成，由金属引线引出，用陶瓷或是玻璃进行烧结。其工作原理为，当加在气体放电管两端的电压达到气体电离电压时，气体放电管由非自持放电过度到自持放电，放电管呈低阻导通状态，可以瞬间通过较大的电流，气体放电管击穿后的维持电压可以低到30V以内。气体放电管同流量大，但动作电压较难控制。 半导体放电管由故态的四层可控硅结构组成，当浪涌电压超过半导体放电管的转折电压V BO时放电管开始动作，当放电管动作后在返送装置，的作用下放电管两端的电压维持在很低（约20V以下）时就可以维持其在低阻高通状态，起到吸收浪涌保护后级设备的作用。半导体放电管的保护机理和应用方式和气体放电管相同。半导体放电管动作电压控制精确，通流量较小。 放电管动作后只需要很低的电压即可维持其低阻状态，所以放电管属于开关型的SPD。当正常工作时放电管上的漏电流可忽略不计；击穿后的稳定残压低，保护效果较好；耐流能力较大；在使用中应注意放电管的续流作用遮断，在适当场合中应有有效的续流遮断装置。 气体放电管 气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成；其电气性能主要取决于气体压力，气体种类，电极距离和电极材料；一般密封在放电管中的气体为高纯度的惰性气体。放电管主要由：电极、陶瓷管(玻璃管)、导电带、电子粉、Ag-Cu 焊片和惰性气体组成。 在放电管的两电极上施加电压时，由于电场作用，管内初始电子在电场作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，一旦电子达到一定能量时，它与气体分子碰撞时发生电离，即中性气体分子分离成电子和阳离子，电离出来的电子与初始电子在行进过程中还要不断地再次与气体分子碰撞发生电离，从而电子数按几何级数增加，即发生电子雪崩现象，另外，电离出来的阳离子也在电场作用下向阴极运动，与阴极表面发生碰撞，产生二次电子，二次电子也参加电离作用，一旦满足： r(ead-1)=1 时放电管由非自持放电过渡到自持放电，管内气体被击穿，放电管放电，此时放电电压称为击穿电压Vs。其中，r表示一个正离子轰击阴极表面而
甲烷气体检测系统
甲烷气体检测报警系统 一、方案概述 在石油化工装置中不可避免地存在着各种易燃易爆、有毒有害的气体(或蒸汽)，这些气体一旦泄露或积聚在周围环境中，将可能引起火灾、爆炸或人身中毒等恶性事故。为了保证生产和人身安全，应设置可靠的甲烷气体和有毒气体检测报警器，连续监控控制环境中甲烷和有毒气体的浓度情况，及时发出报警。本检测报警系统就是为了实现对油库各控制室以及储罐附件接口等处的甲烷气体进行实时浓度监测与报警实现和集中统一管理。 为了实现可靠的甲烷气体检测报警系统。初步对甲烷气体检测报警系统进行设计，包括检测点的设置，检测器和指示报警设备的选型，系统配置以及安装到检测系统实现的整体预设。 系统主要功能包括： （1）实时监测油库控制室及灌区附近甲烷气体和有毒气体的含量，达到一定浓度时实时报警。 （2）通过上位机系统监控中心实时观看油库的现场情况。 （3）在监控中心实时记录以上各监测数据，对数据统一集中管理。 （4）并能通过声光报警、语音报警、LED屏幕显示等多种方式发出报警信息，及时告知维护管理责任人。 （5）对历史数据的自动分类整理。 （6）管理软件提供事件查询、告警配置和查询、环境参数浏览。 二、方案介绍与设计 1检测点的定位 通过对油库的细致分析，我们不难发现设置甲烷气体探测器的最佳位置或必要设置点。如容器或储罐溢流口附近,物料进出口开关附近，管道与容器、阀件等之间接口处附近，以
及周围工作控制室等位置。具体到某个装置时可做更具体的分析，根据上述可能泄露的部位,确定甲烷体探测器布置的最佳位置或必要设置点，从而保证泄漏的甲烷气体充分扩散到检测器附近，使泄漏险情及时被探知。 2检测报警系统的选择 针对油库的实际环境与自然条件的限制，选用红外线甲烷气体探测器较为合适，因为红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类甲烷气体，比较适用于油库的环境类型。 红外线甲烷气体探测器属于无干扰智能型产品，具有良好的安全性能，操作灵活简便。这种探测器的一个主要的特点是它的自动校准功能，可以通过带背光的液晶显示屏上的提示一步步地引导操作者进行校准。传感器及信号发生器被安装在一个防爆机壳内，机壳上有玻璃罩，正好适用于油库这种特别要求的环境中。这种产品系列延续了在气体传感器设计中体现的“易于安装、易于维护”的理念。 SK-600-CH4型红外线甲烷气体探测器特点： （1）独特的小型即插型现场可更换传感器 （2）无干扰、智能型探测器界面 （3）加热的光学设计避免了冷凝现象 （4）故障自诊断功能 （5）极少的维护要求，长期使用成本低廉 （6）低能耗 3检测报警系统安装与实现 整个检测系统可由检测器和报警器组成，也可以结合PLC控制器与组态功能，实现上位机直接观测被检测地点实时情况的远程智能检测报警系统。此检测仪器带有声光和振动报警功能，根据具体需要，可以设置为具有消音和锁存功能，只通过上位机获取各检测点的直观甲烷气体浓度值。此外检测系统还可以通过自身或外接存储器记录以往的历史检测数据。工作人员可以通过PC机或监控仪器上获取红外线甲烷气体探测器所的实时和历史数据，便于查询和分析。当检测到甲烷物浓度达到危险值，可通过PLC控制器自动实现报警器的报警显示功能。 报警器可采用蜂鸣器、指示灯、指示仪等常规仪表，也有PLC、分散控制系统、数据采集系统、工业控制计算机或专用报警显示设备等电子设备。报警器包括信号设定器和闪光报警两个基本单元。为保证检测报警系统的可靠性，报警控制器或信号设定器应与检测器一对一相对独立设置，闪光报警单元可与其他仪表系统共用，对重要的报警与自动保护有关的报警，应与独立设置。指示报警设备应安装在有人值守的控制室、现场操作室内。现场报警器应就近安装在检测器所在的区域。 除此之外，在设计检测器时需要充分考虑其安装位置的合理性，为以后的使用、维护、检定提供方便。根据现场的空气可能环流及空气流动的上升趋势，以及厂房的空气自然流动情况、通风通道等综合推测，当发生大量泄漏时，根据甲烷气体或有毒气体在平面上自然扩散的趋势方向，确定平面位置，再根据泄漏气体的密度并结合空气流动的方向，确定空间位置。 三、方案总结 综上，本方案即利用典型的红外线甲烷气体探测器为引导，实现由检测器和报警器，结合PLC控制器与组态功能，最终实现上位机直接观测与控制被检测地点实时情况的远程智能检测报警系统。此外，还可考虑将甲烷、有毒气体检测报警系统，与火灾检测报警系统合并
甲烷CH4气体浓度分析仪
甲烷CH4气体浓度分析仪 甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）是一款采用模块化设计、具有智能化传感器检测技术、整体隔爆（d）结构、固定安装方式的有毒气体检测仪。标准配置为带点阵LCD液晶显示、三线制4~20mA模拟和RS485数字信号输出，可选配置为可编程开关量输出等模块，根据用户需求提供定制化产品，还支持输出信号微调等功能，方便系统组网及维护。可检测CH4、H2S、CH4、CH4、SCH4、CH4、NCH4、CH4、ClCH4、ETO等多种有毒有害气体，详情可咨询东日瀛能。同时我司甲烷CH4气体浓度分析仪销往：河北省、山东省、辽宁省、黑龙江省、吉林省、甘肃省、青海省、河南省、江苏省、湖北省、湖南省、江西省、浙江省、广东省等全国各地。 （注意：甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）在不同的应用环境或行业有不同的别名，如甲烷CH4检测仪甲烷CH4变送器甲烷CH4探测器甲烷CH4探头便携式甲烷CH4探头甲烷CH4检测装置） 东日瀛能科技甲烷CH4探头厂家甲烷CH4探头价格详情可咨询东日瀛能SK-600-CH4 甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）是一款采用模块化设计、具有智能化传感器检测技术、整体隔爆（d）结构、固定安装方式的有毒气体检测仪。标准配置为带点阵LCD液晶显示、三线制4~20mA模拟和RS485数字信号输出，可选配置为可编程开关量输出等模块，根据用户需求提供定制化产品，还支持输出信号微调等功能，方便系统组网及维护。可检测CH4、H2S、CH4、CH4、、CH4、NCH4、CH4、ClCH4、ETO等多种有毒
有害气体，详情可咨询东日瀛能。同时我司甲烷CH4气体浓度分析仪销往：河北省、山东省、辽宁省、黑龙江省、吉林省、甘肃省、青海省、河南省、江苏省、湖北省、湖南省、江西省、浙江省、广东省等全国各地。 （注意：甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）在不同的应用环境或行业有不同的别名，如甲烷CH4检测仪甲烷CH4变送器甲烷CH4探测器甲烷CH4探头便携式甲烷CH4探头甲烷CH4检测装置） 东日瀛能科技甲烷CH4探头厂家甲烷CH4探头价格详情可咨询东日瀛能SK-600-CH4 甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）是一款采用模块化设计、具有智能化传感器检测技术、整体隔爆（d）结构、固定安装方式的有毒气体检测仪。标准配置为带点阵LCD液晶显示、三线制4~20mA模拟和RS485数字信号输出，可选配置为可编程开关量输出等模块，根据用户需求提供定制化产品，还支持输出信号微调等功能，方便系统组网及维护。可检测CH4、H2S、CH4、CH4、SCH4、CH4、NCH4、CH4、ClCH4、ETO等多种有毒有害气体，详情可咨询东日瀛能。同时我司甲烷CH4气体浓度分析仪销往：河北省、山东省、辽宁省、黑龙江省、吉林省、甘肃省、青海省、河南省、江苏省、湖北省、湖南省、江西省、浙江省、广东省等全国各地。 （注意：甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）在不同的应用环境或行业有不同的别名，如甲烷CH4检测仪甲烷CH4变送器甲烷CH4探测器甲烷CH4探头便携式甲烷CH4探头甲烷CH4检测装置） 东日瀛能科技甲烷CH4探头厂家甲烷CH4探头价格详情可咨询东日瀛能SK-600-CH4 甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）是一款采用模块化设计、具有智能化传感器检测技术、整体隔爆（d）结构、固定安装方式的有毒气体检测仪。标准配置为带点阵LCD液晶显示、三线制4~20mA模拟和RS485数字信号输出，可选配置为可编程开关量输出等模块，根据用户需求提供定制化产品，还支持输出信号微调等功能，方便系统组网及维护。可检测CH4、H2S、CH4、CH4、SCH4、CH4、NCH4、CH4、ClCH4、ETO等多种有毒有害气体，详情可咨询东日瀛能。同时我司甲烷CH4气体浓度分析仪销往：河北省、山东省、辽宁省、黑龙江省、吉林省、甘肃省、青海省、河南省、江苏省、湖北省、湖南省、江西省、浙江省、广东省等全国各地。 （注意：甲烷CH4气体浓度分析仪（SK-600-CH4）在不同的应用环境或行业有不同的别名，如甲烷CH4检测仪甲烷CH4变送器甲烷CH4探测器甲烷CH4探头便携式甲烷CH4探头甲烷CH4检测装置） 东日瀛能科技甲烷CH4探头厂家甲烷CH4探头价格详情可咨询东日瀛能SK-600-CH4 甲烷CH4气体浓度分析仪特点： ★整机体积小,重量轻 ★高精度,高分辨率,响应迅速快. ★上、下限报警值可任意设定，自带零点和目标点校准功能，内置温度补偿，维护方便. ★数据恢复功能，免去误操作引起的后顾之忧. ★外壳采用特殊材质及工艺，不易磨损，易清洁，长时间使用光亮如新.
(完整版)危险气体自动报警系统设计毕业设计
危险气体自动报警系统设计 摘要 随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，所以研制一种新型、性能稳定、准确监测针对这些危险气体自动报警系统势在必行。。 本次设计采用以STC12C5A60S2芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-5来检测外部气体浓度，采集的数据通过LCD1602显示，当浓度超过一定的量时，通过蜂鸣器和LED来进行声光报警。 关键字：单片机 MQ-5 LCD1602
Dangerous gas automatic alarm system ABSTRACT With the rapid development of city gas, natural gas utilities and the chemical industry, flammable, explosive gas type and range of applications are increasing, these explosive gases in the production and use of the process, once the leak will cause poisoning, major accidents fires, explosions, etc., so the development of a new, stable, accurate monitoring is imperative for these dangerous gases alarm system. . The design uses to STC12C5A60S2 chip as the core, with the semiconductor ceramic gas sensor MQ-5 to detect the external gas concentration data collected by LCD1602 display, when the concentration exceeds a certain amount, by the sound of the buzzer and the LED to light Call the police. Key words: single chip MQ-5 LCD1602
甲烷气体检测仪
地址：深圳市龙华新区大浪下岭排新工业区14栋4楼官 网：https://www.wendangku.net/doc/5b3875948.html, 甲烷气体检测仪
地址：深圳市龙华新区大浪下岭排新工业区14栋4楼官网：https://www.wendangku.net/doc/5b3875948.html, 产品描述： 在线式甲烷气体检测仪,适用于各种环境中的甲烷气体体浓度和泄露实时准确检测，采用进口传感器和微控制器技术.响应速度快，测量精度高，稳定性和重复性好等优点.防爆接线方式适用于各种危险场所,并兼容各种控制报警器,PLC,DCS 等控制系统,可以同时实现现场报警预警,4-20mA 标准信号输出,继电器开关量输出;完美显示各项技术指标和气体浓度值;同时具有多种极强的电路保护功能,有效防止各种人为因素,不可控因素导致的仪器损坏; 产品特性： ★进口传感器具有良好的抗干扰性能，使用寿命长达3年; ★采用先进微处理器技术，响应速度快,测量精度高，稳定性和重复性好; ★检测现场具有现场声光报警功能，气体浓度超标即时报警，是危险现场作业的安全保障;★现场带背光大屏幕LCD 显示，直观显示气体浓度/类型/单位/工作状态等; ★独立气室，传感器更换便捷,更换无须现场标定，传感器关键参数自动识别; ★全量程范围温度数字自动跟踪补偿，保证测量准确性; ★半导体纳米工艺超低功耗32位微处量器; ★全软件自动校准,传感器多达6级目标点校准功能,保证测量准确性和线性及数据恢复功能;★具备过压保护,防雷保护,短路保护,反接保护,防静电干扰,防磁场干扰等功能; ★并且具有自动恢复功能,防止发生外部原因,人为原因,自然灾害等造成仪器损坏; ★全中文/英文操作菜单,简单实用,带温度补偿功能; ★ppm,ppm,mg/m3三种浓度单位可自由切换; ★防高浓度气体冲击的自动保护功能; 技术资料： 显示方式：3.5寸液晶显示 温湿度：选配件，温度检测范围：-40～60℃，湿度检测范围：0-100%RH 检测方式：扩散式、流通式、泵吸式可选安装方式：壁挂式、管道式 检测精度：≤±1%线性误差：≤±1% 响应时间：≤3秒（T90）零点漂移：≤±1%（F.S/年） 信号输出：①4-20mA 信号：标准的16位精度4-20mA 输出芯片，传输距离1Km ②RS485信号：采用标准MODBUS RTU 协议，传输距离2Km ③电压信号：0-5V 、0-10V 输出，可自行设置 ④脉冲信号：又称频率信号，频率范围可调（选配） ⑤开关量信号：标配2组继电器，可选第三组继电器，继电器无源触点 防爆标志：ExdII CT6（隔爆型）壳体材料：压铸铝+喷砂氧化/氟碳漆，防爆防腐蚀防护等级：P66工作温度：-30～60℃ 工作电源：24VDC （12～30VDC ）工作湿度：≤95%RH ，无冷凝 尺寸重量：183×143×107mm(L ×W ×H ）1.5Kg(仪器净重)工作压力：0～100Kpa 标准配件：说明书、合格证质保期：3年
基于单片机的pm2.5空气质量检测系统设计-通信工程大学论文
基于单片机的空气质量检测系统设计 专业：通信工程 班级：2013级1班 姓名：王世达
引言 (3) 1 概述 (5) 1.1 系统组成 (5) 1.2 硬件设计 (5) 1.3 软件设计 (6) 2 电路设计 (7) 2.1 原理图 (7) 2.2 单片机及外围电路设计 (7) 2.3 传感器电路设计 (16) 2.4 A/D模数转换电路 (17) 2.5 LCD显示电路 (19) 2.6 LED显示电路 (20) 2.7 报警模块 (21) 3 程序设计 (23) 3.1 主程序设计 (23) 3.2 按键部分......................................................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 显示部分 (23) 3.4 A/D转换部分 (25) 4 应用软件介绍 (29) 4.1 keil的应用 (29) 4.2 protel99se的应用 (30) 4.3 Proteus的应用 (31) 5 设计的应用 (33) 5.1 主要用途 (33) 5.2 应用场景 (33) 6 结果与分析 (34) 总结 (35) 致谢 (36) 参考文献 (37) 附录1 原理图 (38) 附录2 程序源代码 (39)
随着现代科技的高度发展，工业生产力正在不断提高，而由此带来的负面影响也尤为显著，那就是环境的污染，它严重危害着人类的健康和生活。雾霾，为大气污染之一，一直以来广受人们关注。现在有越来越多的地区和国家开始高度重视雾霾天气，并将其视为一种灾害性天气。其实，很早以前就报道过一些雾霾灾害的重大事件，在这几次事件当中，不仅危害到人们的健康，甚至还剥夺了很多人的生命，比如1952年伦敦杀人雾事件和2013年北京雾霾事件。PM2.5，指环境中直径小于2.5μm的颗粒物，是雾霾的主要成分之一，由于其粒径小，活性强，易附有毒、有害物质，因而对人体健康威胁很大。因此，对PM2.5的测量显得越来越重要。本文将空气中PM2.5的浓度作为评定空气质量的依据。本设计的控制核心采用的是非常实用的51系列单片机AT89C52，配合粉尘浓度采集装置和显示设备，共同完成数据的采集，处理及显示。并会根据设置好的报警值报警提示，并且用不同颜色的指示灯显示空气质量。本文详细介绍了各个单元的电路设计过程及各功能的实现方法，该系统有良好的人机交互界面，有较高的测量精度，不仅简单实用而且便于携带。相信，它的价值一定会得到体现。 关键词： 雾霾；大气污染；PM2.5；单片机；AT89C52；空气质量
气体放电管基础知识教学提纲
2.1气体放电管 2.1.1简介 气体放电管是在放电间隙内充入适当的气体介质，配以高活性的电子发射材料及放电引燃机构，通过银铜焊料高温封接而制成的一种特殊的金属陶瓷结构的气体放电器件。它主要用于瞬时过电压保护，也可作为点火开关。在正常情况下，放电管因其特有的高阻抗(>1000MΩ)及低电容 (<2pF)特性，在它作为保护元件接入线路中时，对线路的正常工作几乎没有任何不利的影响。当有害的瞬时过电压窜入时，放电管首先被击穿放电，其阻抗迅速下降，几乎呈短路状态，此时，放电管将有害的电流通过地线或回路泄放，同时将电压限制在较低的水平，消除了有害的瞬时过电压和过电流，从而保护了线路及元件。当过电压消失后，放电管又迅速恢复到高阻抗状态，线路继续正常工作。 气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。 气体放电管的基本特点是：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。但残压高，反应时间慢(≤100ns)，动作电压精度较低，有续流现象。 Figure 1气体放电外观图 2.1.2气体放电的伏安特性 气体放电管的伏安特性通常与管子的哪些电极间施加什么极性的电压没有关系。现以一个直流放电电压为150V的二极放电管为例，来说明放电管伏安特性的基本特征。下图是按电子元件伏安特性的惯用画法，即以电压为自便量，画作横坐标；以电流为应变量，画作纵坐标。由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。 如图所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在A点放电，A点的电压称为放电管的直流放电电压。在A到B之间的这段伏安特性上，其斜率（即动态电阻du/di）是负的，称为负阻区。如果200V的直流电压源经1MΩ的电阻加到放电管上，放电管即工作在此区间，这时的放电具有闪变特征。BC段为正常辉光放电区，在此区间内电压基本不随电流而变，当辉光覆盖整个阴极表面时，电流再增加，电压也不增加。CD段称为异常辉光放电区。直流放电电压为90V~300V放电管，其辉光放电区BD的最大电流一般在0.2A～1.5A 之间。当电流增加到足够大时放电E点突然进入电弧放电区，即使是同一个放电管，放电由辉光转入电弧时的电流值也是不能精确重复的。在电弧放电时，处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面，阴极材料被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使间隙距离增加，管壁绝缘变坏。在采用合适的材料后，放电管可以做到导通10KA、8/20μs电流数百次。在电弧区，放电管
天然气浓度检测系统设计
天然气浓度检测系统设计
第1章绪论 1.1 气体甲烷浓度测试系统研究目的和意义 天然气（主要成分甲烷）是大自然给予我们的巨大财富，它已日渐成为人们生产、生活中不可缺少的能源。人类在利用天然气的过程中也尝到了它的苦头。由于管道设备的老化、地理、气候条件的影响以及人为的破坏，经常会造成泄漏事故的发生。天然气一旦泄漏，不仅会带来经济上的损失和环境污染，还会发生火灾和爆炸，造成人员伤亡事故。因此，对天然气储存、输送设备进行泄漏检测，保障其安全性和可靠性是十分必要的。气体浓度检测是一种常见的检测气体泄漏的方法，具有高效、经济、便于管理等多项优点。因此，在石油天然气以及其他燃气检测中有着重要的地位。 1.2气体巡检在国内外的发展现状 在应用方面，目前最广泛的是基于单片机的可燃性气体的巡检，本设计所应用的是QM-N10型气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传 2
基于单片机的气体检测系统设计..
高等教育自学考试本科毕业论文基于单片机的气体检测系统设计考生：号： 专业层次：院（系）： 指导教师：职称： 科技学院 二O一三年九月十五日
摘要 本论文研究设计了一种用于公共场所及室具有检测及超限报警功能的室空气质量检测系统。其设计方案基于89C51单片机，选择瑞士蒙巴波公司的CH20/S-10甲醛传感器和MQ-5气体传感器。系统将传感器输出的4~20mA的标准信号通过以AD0832为核心的A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由LCD显示甲醛浓度值。文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程以及数据显示子系统和报警电路的设计方法和过程。系统对于采样地点超出规定的甲醛容许浓度和天然气规定浓度时采用三极管驱动的单音频报警电路提醒监测人员。同时，操作人员对于具体报警点的上限值可以通过单片机编程进行设置。 另外，该系统对浓度信号进行了信号补偿等处理，减少了测量误差，因此，具有较高的测量精度，而且结构简单，性能优良。本系统的量程为0-10ppm，精度为0.039ppm 。 关键词: 甲醛检测，天然气检测，AT89C52单片机
ABSTRACT This thesis design of a paper for public places and indoor testing and over-limit alarm functions with indoor air quality testing system. Its design is based on 89C51 single chip, with the choice of MQ-5 gas sensors and CH20/S-10 formaldehyde sensor from Switzerland mengbabo pany. Sensor system will output 4 ~ 20mA standard signal through the core ADC0832 for A / D conversion circuit after conditioning, by the single-chip microputer for data processing, at last display the formaldehyde concentration on the LCD . The article detailed the data acquisition subsystem, data processing and data display and alarm system circuit design method and process.When the sampling sites when the formaldehyde and Natural gas concentration exceeded，To the single-transistor drive circuit audio alarm will sound the alarm，Testing staff to remind.At the same time，The concentration of formaldehyde, Can be set through the single-chip programming. In addition, the system signals a concentration pensation signal processing, a reduction of measurement error, therefore, have a high measurement accuracy, and simple structure, excellent performance. The range of the system for 0-10ppm, accuracy 0.039ppm. Keywords:Formaldehyde detection,Natural gas detection, AT89C52 single-chip
气体检测与报警系统的设计
毕业设计 论文题目： 学生： 指导教师： 专业： 班级：
气体检测与报警系统的设计 摘要 本文设计了一种对环境中气体浓度进行实时数据采集和处理，并能在浓度超标时报警的电路。该电路通过单片机实现其控制功能。整个报警电路由四大部分组成：采集模块、放大模块、模数转换模块、单片机。报警器的主要工作流程为：用两类传感器（气体传感器和温度传感器）将所需的模拟信号采集放大后传送给A/D转换器，再经模数转换后给将数字信号传送至单片机，然后通过单片机内部的数据处理，判断是否需要启动蜂鸣器进行报警，预防恶性事故发生。该系统详细介绍了系统实现的硬件、软件、数据库设计以及远程控制结构。该报警器广泛应用于居民家庭和企事业单位，从而大大降低由有害气体所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率，保障了人们的生命和财产安全，具有重要的实用价值。 关键词：可燃气体；报警器；单片机；数据采集与记录；浓度测量
The design of the gas detection and alarm system Abstract In this dissertation,an electric circuit is designed to collect and process the data of density,and the alarm is sent out when the density beyond the critical value.The control function of the electric circuit is complished by a microcontroller.The whole electric circuit of alarm is composed by four parts:data acquisition module,data enlarge module, A/D module and microcontroller.The technological process of the alarm is as follows:The analogue signals are collected by two kinds of transducers,and then the signals are transmitted to the ADC after enlargement.The data signals are transmitted by ADC to the 8051microcontroller.The judgment of the buzzer alarm is made after the fata processed by 8051.Main work in this dissertation is:completing the choice of the machines,the design of the connection and the development of the procedure for data processing,realizing the autom atically monitor density.As a result it can prevent fatal accidents.It designed with visual Basci and microcontroller,and the design of hardware,software,data base and distance controll of this system are put forward.The annunciator can be widely used in fam ilies and companies.The occurrence rates of the accidents such as poisoning fire,burst,etc are deeply reduced.Tt has an important and pratical value. key words:combustible gas;annunciator;microcontroller;density measurement; distance control
空气质量检测系统的设计与实现论文
空气质量检测系统的设计与实现论文 大气环境是人类生存环境的重要组成部分，也是人类生存、发展的基本物质基础。当前，随着我国经济的快速发展，工业企业的不断扩张，环境污染严重。由于工业集中，加上人口密集等原因使得空气污染主要集中城市，经常会出现雾霾天气。大气污染物主要是总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)、臭氧 （O3）、一氧化碳(CO)等。大气污染物经工厂直接排放或间接排放到大气中，严重地危害到人们的身体健康。课题组设计了基于ZigBee技术的空气质量检测系统，监测人员只需在监测区域放置空气质量检测仪，即可时时获取区域内各种污染气体浓度及对应指标，为及时处理大气污染突发时间提供有力的技术保证。 1系统工作原理 1.1系统结构图本文设计的空气质量检测系统实现全天候、自动化、主动获取空气质量信息。本文的空气质量检测仪原理框图如图1所示，采用上下位机相结合的设计方式，下位机由传感器模块、数据处理模块（CC253X芯片）、数据传送模块等部分构成；上位机由测控计算机、通讯模块构成。由微处理器通过传感器模块采集空气质量相关数据并通过zigbee模块传输至测控计算机，测控计算机完成对空气质量数据的处理分析，为管理人员提供做出判断或决策的依据。从而实现对特定区域内空气质量实时监测。
1.2ZigBee技术简介ZigBee无线传感器网络是由许多传感器以自组织方式构成的无线网络,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和ZigBee技术,可广泛应用于工业监测、安全系统、环境监测和军事等领域。ZigBee技术是一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信网络技术。 2系统电路设计本文无线收发模块采用芯片CC2530。 CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统(SoC)解决方案。以较低的总的材料成本建立网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和其它强大的功能。充分考虑到应用环境，结合CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。如图2所示。 3系统软设计3.1CC2530芯片的软设计设计中CC2530单片机程序的编写环境为IAREW8051V8.1集成开发环境，使用C语言编写，使程序移植和调用方便、灵活，能最大程度的提高系统程序的可靠性和稳定性。由主程序，AD数据转换，通讯三个模块组成。数据的采集要求每秒采用一次，采用定时中断的方式执行数据的采集，将采集的数据经过AD转换后通过串行数据通信发送给ZigBee芯片。 3.2应用程序设计空气质量检测系统上位机部分是采用Microsoft公司的VC++6.0进行开发，以Zigbee通信方式实现空气质量数据（温度、湿度、PM2.5、PM10等参数）的存储与和读
防雷基础知识1
防雷基础知识 一、雷电的基本知识 1、雷电的基本概念 大气的运动形成了云层。云层在运动过程中因为剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，就逐步积聚电荷。雷电是带电云层与另一带电云层，或者云层与大地之间的放电现象。在雷雨云下部的负电荷逐步积聚，带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，其电场场度一般在超过25Kv／㎝时，就会开始电离并向下梯级式放电，与地面上的物体（建筑物等）形成的向上先导感应形成雷电通路，并随之开始主放电，发出明亮的闪电和隆隆雷声。这种雷击称为负极性下行先导雷击，约占全部对地雷击中的90﹪以上，其余还有正极性下行先导雷击、负极性上行先导雷击两种。只有先导没有主放电的就是闪电。通常的雷击灾害一般是云层与地面之间的放电造成的。 一般认为，当先导从雷云向下发展的时候，它的梯级式跳跃只受到周围大气的影响，没有一定的方向和袭击对象，但它的最后一次跳跃既最后一个梯级就不同了，它必须在这最终阶段选择被击对象。此时，地面上可能有不止一个的物体（比如树木、建筑物等）在它的电场影响下产生向上先导，趋向与下行先导会合。 最后一次跳跃的距离称为闪击距离。从接闪器来说，它可以在这个距离内把雷电吸引到自己身上，而对于此距离之外的下行先导，接闪器将无能为力。闪击距离是一个变量，它和雷电流幅值有关，幅值大相应闪击距离大，反之，闪击距离小。因此，防雷装置的接闪器可以把较远的强的闪电引向自身，但对较弱的闪电则有可能失去对建筑物的有效保护。 2、雷电的主要特性和活动规律 雷电有如下几个特点： 冲击电流大我国所测得的雷电流最大幅值达200KA，一般的雷电流也有几十KA。一次雷电流为200KA的雷击，能使在2Km远处感应产生大于0.6GS的电磁场。而对计算机而言，电磁场干扰能量≥0.3GS则可使计算机数据混乱或丢失；≥0.75GS则可使计算机造成假性损坏；≥2.4GS则可使计算机瘫痪。 时间短一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。一次放电过程一般是40-100μs。 变化梯度大雷电流变化梯度有的可达10KA/μs。雷电流波型是一种冲击脉冲波形。试验用的8∕20μs波型的雷电流放电器，能将10KA的电流传导出来。国际电工委员会（IEC）要求使用10/350μs波型的放电器，它的电荷量相当于8/20μs脉冲情况下电荷量的约20倍。既波头时间10μs，半值时间350μs。 冲击电压高强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。 雷电的活动规律： 我国的雷电活动，夏季最活跃，冬季最少。全球分布是赤道附近最活跃，随纬度升高而分别向北向南减少，极地最少。一般来说湿热地区比干燥地区、山区比平原雷电活动多。 雷电活动还有一定的选择性。一般来说土壤电阻率较小或土壤电阻率突变的地区；山坡
(完整word版)简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程
习题1 第36页 1.简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程、电离因素以及自持放电条件 的观点有何不同？ 答：汤逊理论理论实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。 2.解释α、β、γ、η系数的定义。 答：α系数：它代表一个电子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。 β系数：一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。 γ系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。 η系数：即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。 3.均匀电场和极不均匀电场气隙放电特性有何不同？ 答：在均匀电场中，气体间隙内流注一旦形成，放电达到自持的程度，气隙就被击穿。不均匀电场分稍不均匀和极不均匀，在同样极间距离时稍不均匀电场的击穿电压比均匀电场的均匀电场气隙的要低，在极不均匀电场气隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须升高电压才能完成。 4.对极间距离相同的正极性棒-板、负极性棒-板、板-板、棒-棒四种电极布局的 气隙直流放电电压进行排序？ 答：负极性棒-板最高，其次是棒-棒和板-板，最小的是正极性棒-板。 5.气隙有哪些放电现象？ 答：在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光，这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。在外电离因素和电场作用下，产生了激发、电离、形成大量的电子崩，在此同时也产生激发和电离的可逆过程-复合，这就是电晕。 6.如何提高气隙的放电电压？ 答：一是改善气隙中的电场分布，使之均匀化，二是设法削弱或抑制气体介质中的电离过程。 7.简述绝缘污闪的发展过程及防污措施。 答：绝缘子污闪是一个复杂的过程，大体可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等阶段，采用措施抑制或阻止各阶段的形成和转化，就能有效地阻止污闪事故。 防污措施：1.增大爬电比距 2.清扫表面积污 3.用防污闪涂料处理表面 4.采用半导体釉和硅橡胶的绝缘子。 8.雷击放电过程与实验室的长气隙放电过程有何主要区别？
甲烷气体检测传感器模组
甲烷气体检测传感器模组 甲烷气体检测传感器模组产品适用于各种环境和特殊环境中的甲烷气体浓度和泄露，在线检测及现场声光报警，对危险现场的作业安全起到了预警作用，此仪器采用进口的电化学传感器和微控制器技术，具有信号稳定，精度高，重复性好等优点，防爆接线方式适用于各种危险场所，并兼容各种控制器，PLC,DCS等控制系统，可以同时实现现场报警和远程监控，报警功能，4-20mA标准信号输出，继电器开关量输出。 甲烷气体变送器产品特性： ①进口电化学传感器具有良好的抗干扰性能，适用寿命8年。 ②采用先进微处理技术，响应速度快，测量精度高，稳定性和重复性好。 ③检测现场具有具有现场声光报警功能，气体浓度超标即时报警，是危险场所作业的安全保障。 4现场带背光大屏幕LCD显示，直观显示气体浓度，类型，单位，工作状态等。 5独立气室，更换传感器无须现场标定，传感器关键参数自动识别。 6全量程范围温度数字自动跟踪补偿，保证测量准确性。 甲烷气体变送器技术参数： 检测气体：空气中的甲烷气体 检测范围：0~100ppm,0~200ppm,0~1000ppm,0~1000ppm,0~5000ppm,100%LEL可选。 分别率：0.01ppm(0~100ppm);0.1ppm(0~1000ppm);1ppm(0~10000ppm以上)；0.1LEL. 工作方式：固定式连续工作，扩散式，管道式，流通时，泵吸式可选。 检测误差：≦1%（F.S） 响应时间：≦10S 输出信号：电流信号输出4-20MA 报警方式：2路无源节点信号输出，报警点可设置。 工作环境：-20℃~50℃(特殊要求：（-40℃~+70℃) 相对湿度：≦90%RH 工作电压：DC12~30V 传感器寿命：3年 防爆形式：探头变送器及传感器均为隔爆型。 防爆等级：Exd II CT6