红外检测技术PDF电子书下载

1 红外光谱的基本理论 1

1.1 分子与分子光谱 2

1.1.1 分子的内部运动及能级 2

1.1.2 分子红外光谱的形成 3

1.1.3 光谱线的形状和展宽 3

1.2 大气吸收理论 8

1.2.1 大气组分红外吸收光谱及其特征 8

1.2.2 大气吸收的一般方程 9

1.2.3 单根谱线的吸收 10

1.2.4 分子吸收的带模型计算法 12

1.3.1 两种模型的分析 15

1.3 一种新的混合带模型的确立 15

1.3.2 混合带模型的确立 17

2 红外气体传感器概述 27

2.1 概述 27

2.1.1 基本原理 27

2.1.2 红外气体传感器的特点 29

2.1.3 红外气体传感器的现状及发展趋势 30

2.2 红外气体传感器的主要部件 32

2.2.1 红外辐射光源 32

2.2.2 气室、窗口材料和滤波元件 33

2.2.3 检测器 35

2.3.1 选择性 36

2.3 红外气体传感器的重要特性 36

2.3.2 调制频率 39

2.3.3 测量气室长度的选择 40

2.4 系统误差分析 40

2.4.1 对朗伯-比尔定律的偏差 40

2.4.2 红外电子线路的噪声 41

2.4.3 光源的发射速率所引起的功率起伏 42

2.4.4 背景辐射的光子噪声 43

2.4.5 干扰气体组分吸收的干扰 44

2.5.1 光学系统的几种设计方案 45

2.4.6 镜面尘染及光学器件磨损的影响 45

2.5 红外吸收光学系统的设计 45

2.5.2 新型光学系统设计方案 47

2.5.3 实验及结果讨论 48

3 红外瓦斯检测仪 52

3.1 红外瓦斯检测仪的检测原理 52

3.2 矿用红外瓦斯检测仪的总体设计 54

3.2.1 结构设计 54

3.2.2 功能设计 56

3.3 光学系统设计 57

3.3.1 光路设计 57

3.3.3 探测器 59

3.3.2 红外辐射光源 59

3.3.4 气室 60

3.3.5 红外滤光片 61

3.4 硬件电路的设计 62

3.4.1 硬件设计思想 64

3.4.2 前置放大电路 64

3.4.3 按键接口电路 65

3.4.4 LED显示电路 65

3.4.5 串行E2PROM接口电路 66

3.4.6 AT24C02与单片机连接 67

3.4.7 A/D模数转换电路 68

3.4.8 ADS7841与单片机连接 69

3.4.9 通信接口电路 70

3.4.10 气室温控电路 72

3.5 系统软件设计 73

3.5.1 软件设计方法 74

3.5.2 主程序设计 75

3.5.3 键盘接口子程序 75

3.5.4 串行存储芯片读写子程序 78

3.5.5 数据处理模块 78

4 系统设计与信号处理 84

4.1 系统的抗干扰设计 84

4.1.1 硬件抗干扰措施 85

4.1.2 软件抗干扰措施 89

4.2 系统整体调试 90

4.2.1 软件测试概述 90

4.2.2 单片机控制脉冲方波 92

4.2.3 A/D器件调试 93

4.3 检测信号的采集 95

4.3.1 前置放大电路 95

4.3.2 滤波电路设计 99

4.3.3 锁相放大电路 100

4.4 检测信号的预测 104

4.4.1 现有的预测方法简介 105

4.4.2 灰色预测 106

4.5 瓦斯浓度值标定及实验分析 107

4.5.1 瓦斯浓度值标定 107

4.5.2 性能测试 111

4.5.3 红外瓦斯检测仪工业性运行试验 113

5 红外光纤瓦斯检测系统 121

5.1 引言 121

5.1.1 瓦斯检测 121

5.1.2 光纤传感器 122

5.1.3 光纤气体传感器 124

5.2 光谱吸收式光纤甲烷传感器测量原理 129

5.2.1 光纤的基本特性及其应用 129

5.2.2 光纤在矿井中的应用 133

5.2.3 光纤检测系统中的气体分子光谱 134

5.2.4 光谱吸收式光纤传感器的测量原理 136

5.2.5 光谱吸收式光纤传感器检测方法 138

5.3 吸收式光纤甲烷传感器的设计 144

5.3.1 光源的发光机理及其选择 144

5.3.2 气室设计 147

5.3.3 光探测器的原理及其选择 152

5.3.4 系统结构设计 154

5.4 光纤甲烷传感器系统设计 155

5.4.1 光源驱动与调制电路 155

5.5.1 单片机类型的选择 158

5.5 单片机系统设计 158

5.5.2 单片机的软件设计 160

5.6 单片机接口电路设计 163

5.6.1 A/D转换电路 163

5.6.2 LED与键盘接口电路 163

5.6.3 RS232串口通信电路 164

5.7 光纤甲烷传感器实验与分析 165

5.7.1 光纤链路损耗实验 166

5.7.2 信号波形分析 168

5.7.3 甲烷气体吸收实验 170

5.7.4 系统的检测灵敏度分析 171

6 红外一氧化碳检测原理 173

6.1 引言 173

6.1.1 一氧化碳检测的意义 173

6.1.2 一氧化碳事故的防治 175

6.1.3 一氧化碳检测的发展过程 178

6.1.4 一氧化碳检测的发展趋势 184

6.2 基于红外光谱吸收的CO检测 187

6.2.1 红外一氧化碳检测的理论基础 188

6.2.2 红外光谱产生的机理及能级跃迁 189

6.3.1 朗伯-比尔定律 192

6.3 红外一氧化碳检测的朗伯-比尔定律 192

6.3.2 朗伯-比尔定律的两个重要参数 194

6.3.3 多种气体组分红外吸收的简化计算 195

6.4 一氧化碳红外吸收模型的特征 197

6.5 气体红外单线吸收方程 201

6.5.1 气体的吸收比、透射比 201

6.5.2 气体吸收比和透射比的关系 202

6.5.3 气体红外谱线的单线吸收方程 203

6.6 气体红外吸收的计算方法 204

6.6.1 逐线计算求和法 204

6.6.2 吸收带模型法 205

6.6.3 吸收带模型法的特点 206

6.6.5 一氧化碳吸收区间广泛分析 207

6.6.4 红外一氧化碳吸收谱图分析 207

6.7 一氧化碳红外吸收模型 210

6.7.1 红外吸收模型要素的确定 210

6.7.2 基于统计模型的红外吸收模型建模 211

6.7.3 新吸收模型的验证分析 212

6.7.4 新型红外吸收模型的特点 214

6.8 朗伯-比尔定律吸收截面系数的计算 215

6.8.1 吸收截面系数的含义 215

6.8.2 计算吸收截面系数的意义 216

7.1 红外一氧化碳传感器器件的选择 222

7 红外一氧化碳检测器设计与实现 222

7.1.1 红外光源及选择 223

7.1.2 光学器件及选择 224

7.1.3 红外探测器及选择 226

7.1.4 红外一氧化碳传感器气室设计要求 228

7.2 具有参比气室的双光源双探测器的红外传感器设计 229

7.2.1 待测气体取样方法的确定 230

7.2.2 双光源双探测器的光路模型 231

7.2.3 具有参比气室的双光源双探测器结构 233

7.2.4 对气室光学元器件、干扰气体和粉尘吸收的补偿 234

7.2.5 红外气体传感器的工作原理 235

7.3 新型红外一氧化碳传感器实验测试分析 236

7.3.1 参比气室实验输出数据的测定 237

7.3.2 工作气室实验输出数据的测定 238

7.3.3 实验数据的处理 239

7.4 检测系统硬件方案设计 244

7.4.1 红外一氧化碳检测系统的功能模块 245

7.4.2 硬件功能模块的实现方案 246

7.5 检测系统软件设计方案 252

7.5.1 检测系统对温度、湿度影响的补偿 253

7.5.2 软件系统模块化设计 254

7.6 检测系统的整机工作特性 255

7.6.1 检测仪工作过程 255

7.6.2 检测仪的性能特点 256

7.7 系统误差分析及解决措施 257

7.6.3 红外一氧化碳检测仪准确性实验测试 257

7.7.1 发光光源和探测器带来的误差 258

7.7.2 非检测光源红外辐射带来的误差 259

7.7.3 电子线路的噪声 260

7.7.4 杂质气体组分红外吸收产生的干扰 262

7.7.5 光学器件粉尘水气污染、磨损带来的误差 263

7.7.6 采样时机和采样方法的误差 264

7.7.7 环境因素对检测系统的影响 265

附录一 红外一氧化碳吸收波长λ（μm）与透射比τ（％）实验数据 270

附录二 红外一氧化碳吸收波长λ（μm）与吸收截面系数k（λ）实验计算数据 272

参考文献 274