光电离型和红外光谱吸收型气体传感器中微弱信号检测技术研究

论文摘要

近年来环境污染问题日益严重,检测空气质量成为一个重要研究课题,在众多污染气体浓度检测方法中,光学类方法以其高灵敏度,高精确度逐渐受到人们的青睐。然而目前很多光学类气体浓度传感器中得到的信号都极其微弱,而且由于检测系统本底噪声、电路固有噪声及外界干扰噪声的影响,待测信号极易被淹没。论文分别研究了光离子化技术和红外光谱吸收技术,并在此基础上搭建了两种传感器,并对传感器中产生的微弱信号进行了检测。首先,叙述了环境污染对人体造成的危害,提出检测污染气体浓度的必要性,在此基础上列举了一些气体浓度检测方法及其优缺点。列举出光离子化技术及红外光谱吸收技术检测的优点,并叙述了这两种技术的国内外发展现状。其次,分析了微弱信号检测的特点,列出了噪声的特点、分类及抑制噪声的途径,分析了几种常用的微弱信号检测方法,作为光电离型和红外光谱吸收型气体传感器中微弱信号检测的理论基础。最后,分别搭建了光电离型气体传感器及红外光谱吸收型气体传感器的结构,通过对其信号进行分析,得出信号的特点,光离子化传感器中得到的电流信号在pA数量级,红外光谱吸收气体传感器中得到的电压信号为μV级。基于微弱信号检测原理,设计了其电信号的检测电路。对所设计电路进行了仿真和实验,通过对实验结果和理论结果的比较,进而验证了所设计电路的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 气体浓度检测常用方法
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 光离子化技术国内外发展现状
• 1.3.2 红外光谱吸收技术国内外发展现状
• 1.4 本论文主要研究内容及课题来源
• 1.4.1 本论文主要研究内容
• 1.4.2 课题来源
• 2 微弱信号检测理论综述
• 2.1 微弱信号检测的特点
• 2.2 噪声的特点及分类
• 2.2.1 噪声的特点
• 2.2.2 噪声的分类
• 2.3 噪声的抑制
• 2.4 微弱信号检测常用方法
• 3 光电离传感器组成及信号处理电路设计
• 3.1 光离子化检测系统原理
• 3.2 光电离传感器各组成部分
• 3.2.1 光源的选择
• 3.2.2 电离室
• 3.3 传感器信号分析
• 3.4 电信号检测电路设计
• 3.4.1 I-V 转换电路
• 3.4.2 低通滤波电路
• 3.4.3 后级放大电路
• 3.4.4 电源电路
• 3.4.5 噪声的抑制
• 4 红外光谱吸收型气体传感器组成及信号处理电路设计
• 4.1 红外吸收原理
• 4.1.1 朗伯-比尔定律
• 4.1.2 差分检测技术
• 4.2 红外光谱吸收型气体传感器结构
• 4.3 传感器信号分析
• 4.4 红外光谱吸收型气体传感器中微弱信号检测电路设计
• 4.4.1 前置放大电路
• 4.4.2 带通滤波电路
• 4.4.3 差动放大电路
• 4.4.4 电源电路
• 4.4.5 噪声的抑制
• 5 实验
• 5.1 光电离传感器中微电流检测电路实验结果
• 5.1.1 I-V 转换电路仿真结果
• 5.1.2 低通滤波电路仿真结果
• 5.1.3 I-V 转换电路实验结果
• 5.2 红外光谱吸收型气体传感器中微弱信号检测电路实验结果
• 5.2.1 带通滤波电路仿真结果
• 4气体实验结果'>5.2.2 CH₄气体实验结果
• 2气体实验结果'>5.2.3 S0₂气体实验结果
• 6 总结与展望
• 附录 1 光电离传感器中信号处理电路图
• 附录2 红外光谱吸收型气体传感器中信号处理电路图
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文