【正文】 空氣狀況，從而來(lái)保證工作現(xiàn)場(chǎng)的安全可以追訴到隋代甚至更早，將雞或鳥(niǎo)放到密閉的空間，觀察它的的健康狀況，從而確?，F(xiàn)場(chǎng)的安全狀況。我國(guó)在上世紀(jì) 50 年代已有相關(guān)方面的研究，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在時(shí)間上并沒(méi)有絕對(duì)的差距（一般國(guó)際上氣體探測(cè)器起始于上世紀(jì) 50 年代的電化學(xué)傳感器產(chǎn)生），不過(guò)國(guó)際上最早的氣體探測(cè)器起始于上世紀(jì) 20年代的催化燃燒氣體傳感器產(chǎn)生。目前我國(guó)已有黑龍江省、山西省、哈爾濱市、青島市等發(fā)布文件。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會(huì)沿地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，擴(kuò)大危害區(qū)域。及時(shí)可靠地探測(cè)空氣中某些氣體的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。氣體探測(cè)器的發(fā)展應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如美國(guó) GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國(guó) IST公司的具有微處理器的“ MegaGas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。 特安公司的 ESC3000/ESD3000 系列產(chǎn)品帶有 48 Modbus 和 Hart的數(shù)字通訊技術(shù)，是國(guó)內(nèi)第一款具有 Hart 的數(shù)字通訊技術(shù)的氣體探測(cè)器產(chǎn)品。 （ 5）現(xiàn)代電子技術(shù)的結(jié)合 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一些新的產(chǎn)品和技術(shù)被應(yīng)用到氣體探測(cè)器上，如彩色液晶顯示屏，多層板和 SMT 技術(shù)等。 （ 7）氣體探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌 中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo) GB153222021 已于 2021 年 12 月 1 日起實(shí)施，老的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行到2021 年 7 月 30 日止。公安部消防產(chǎn)品型式認(rèn)可中心（ CCCF）定期在網(wǎng)站上公布合格企業(yè)名單，從最初的上千家單位，到目前為止，只有 106 家合格單位。華瑞（ RAE）和英思科（ Idsci）在中國(guó)上海設(shè)廠，梅思安（ MSA）在無(wú)錫設(shè)廠，美國(guó)通用探測(cè)國(guó)際公司（ GM）和無(wú)錫格林通合作，霍利韋爾公司和深圳特安進(jìn)行 ODM 合作。深圳特安電子有限公司是國(guó)內(nèi)最早的一家走向世界的單位，國(guó)內(nèi)第一家取得 CE、 UL 認(rèn)證的工廠， 產(chǎn)品遠(yuǎn)銷售歐美，南美洲，中亞，西亞。 CO 也是鋼鐵冶金工業(yè)生產(chǎn)中的有毒氣體，在冶金企業(yè)的焦?fàn)t 、高爐、鐵合金礦熱爐等冶煉生產(chǎn)中都有大量 CO 產(chǎn)生。保證工業(yè)安全生產(chǎn)、工作和生活環(huán)境的空氣質(zhì)量而進(jìn)行的有害氣體濃度探測(cè)是非常復(fù)雜而重要的課題。 在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、日常生活、醫(yī)療衛(wèi)生和防疫及軍事等領(lǐng)域需要監(jiān)測(cè) CO 氣體濃度。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)出這些場(chǎng)合 CO 氣體的濃度，對(duì)有效防止 CO 中毒，火災(zāi)的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、保障工業(yè)安全生產(chǎn)等方面具有十分重要的意義。 CO 隨著空氣豪無(wú)知覺(jué)的吸入人體肺部后，由于 CO 與血紅蛋白的 親合能力比氧氣和血紅蛋白的親和力大約高 250300 倍，形成碳氧血紅蛋白（ COHb）。它主要對(duì)人體的中樞神經(jīng)、心血管和血液系統(tǒng)三方面造成毒害。因此， CO 是一種危害極大的空氣污染物。因而 探測(cè) CO 對(duì)維護(hù)工業(yè)安全生產(chǎn)、預(yù)防中毒和保障工人生命安全具有重要的意義。其中以化學(xué)原電池和定電位電解式的應(yīng)用最為廣泛。 定電位式是通過(guò)測(cè)量電解時(shí)流過(guò)的電流來(lái)探測(cè)氣體的濃度，它是在工作電極和參考電極之間加一特定電壓，當(dāng)敏感元件接觸到環(huán)境中擴(kuò)散的 CO 氣體時(shí)， CO 氣體通過(guò)敏感元件透氣膜擴(kuò)散進(jìn)入到具有恒定電位的工作電極上，在電極催化劑作用下與電解液中的水發(fā)生氧化反應(yīng)，其電化學(xué)元件電池中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)如下： 工作極上： 22 22CO H O CO H e?? ? ? ? 對(duì)極上： 224 4 2O H e H O?? ? ? 總反應(yīng)： 2222CO O CO?? 在工作電極上所釋放的電子產(chǎn)生的電流與 CO 氣體濃度成正比。 催化可燃?xì)怏w傳感器 催化可燃?xì)怏w傳感器探測(cè)元件是由經(jīng)金屬氧化物催化處理，（用氧化鋁載體覆蓋，上面涂以鉑鋁等催化劑）的鉑絲螺線圈制成。 這類傳感器的缺點(diǎn)是：有些化學(xué)品會(huì)使傳感器的催化劑中毒，致使傳感器失效。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 段時(shí)間就要用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行零點(diǎn)和靈敏度的校正。工作原理是當(dāng)加熱器將感測(cè)材料升到高溫，氧氣會(huì)被吸附在感測(cè)材料表面，然后從感測(cè)材料的導(dǎo)帶捕獲兩個(gè)電子而形成氧離子，造成感測(cè)材料的電阻值上升，而當(dāng)還原性氣體，如 CO 吸附在感測(cè)材料的導(dǎo)帶，便造成電阻值下降，電阻值的變化與氣體體積分?jǐn)?shù)具有函數(shù)關(guān)系，當(dāng)探測(cè)氣體出現(xiàn)時(shí)，金屬氧化物將氣體電離成帶電的離子或復(fù)合物，從而導(dǎo)致電子的轉(zhuǎn)移。 紅外傳感器 紅外吸收式氣體傳感器的探測(cè)原理是基于朗伯 — 比爾定律。通過(guò)分析紅外光被氣體吸收頻率（吸收帶）和能量多少來(lái)確定它的成分和濃度。紅外吸收氣體的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于工作區(qū)空氣質(zhì)量探測(cè)，可探測(cè)高濃度的 CO、 CO2 氣體和碳?xì)浠衔餁?體等。同時(shí)它內(nèi)部無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，在測(cè)量中不需要氧氣和空氣，適用于缺氧地區(qū)（低于 10%），甚至可應(yīng)用于惰性氣體環(huán)境中濃度探測(cè)，尤其適用于對(duì)某一頻帶紅外線有較強(qiáng)吸收能力的碳?xì)浠衔铮缂淄?、乙烷、丙烷?。紅外吸收氣體傳感器與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)試分析氣體。國(guó)外 NDIR 儀器占有率在70%左右 ,國(guó)內(nèi) NDIR 氣體分析儀 的主要廠家大都采用國(guó)際上 20 世紀(jì) 80 年代初的紅外氣體分析方法 ,如采用鎳锘絲作為紅外光源、電機(jī)機(jī)械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或 InSb等作為傳感器等。主要表現(xiàn)在無(wú)機(jī)械調(diào)制裝置 ,采用新型紅外傳感器及電調(diào) 制光源 ,在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng) ,使得儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有很大的優(yōu)勢(shì)。利用這一點(diǎn)可以測(cè)量物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收。當(dāng)紅外輻射通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，其分子吸收光能量，吸收關(guān)系遵循朗伯 比爾（ LamberBeer)定律，如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么光通過(guò)氣體以后，在相應(yīng)譜線處會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減，氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵循朗伯 比爾吸收定律 I(λ)=I0(λ)ek(λ)LC (21) 式中 I0(λ)—— 入射光的強(qiáng)度； I(λ)—— 透射光的強(qiáng)度； L—— 輻射通過(guò)氣體層的厚度； C—— 被測(cè)氣體的濃度； k(λ)—— 吸收截面， cm2它的工作波長(zhǎng)是預(yù)先確定的，測(cè)量對(duì)象是一種或幾種預(yù)先確定的物質(zhì)，可以做連續(xù)的定量分析。以下就對(duì)這兩個(gè)重要因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院但是氣體吸收紅外光在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)（吸收帶）比較明顯，因此在這個(gè)吸收帶內(nèi)具有不同的截面吸收系數(shù)。當(dāng)紅外光從氣室一側(cè)穿過(guò)達(dá)到另一側(cè)探 測(cè)器時(shí)，程長(zhǎng)與氣室長(zhǎng)度相同。由朗伯 比爾定律可以知道，氣室長(zhǎng)度和吸收截面系數(shù) k(λ)是該定律檢測(cè)氣體濃度的兩個(gè)重要參數(shù)。在電磁波譜中，它是比微波波長(zhǎng)短，比可見(jiàn)光波長(zhǎng)長(zhǎng) 的電磁波。由于 ～ 1000μm的波段位于可見(jiàn)光和微波之間，并且比紅光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以紅外輻射也稱為紅外線。表 21 列出了幾種氣體的主要吸收波帶。 圖 22 CO 對(duì)紅外線的吸收譜線 由上圖可知， CO 對(duì)在中心波長(zhǎng)為 ，吸收率接近 90%。紅外光源發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線，紅外線通過(guò)氣室照射在紅外探測(cè)器上。紅外光直接穿過(guò)氣室照在探測(cè)器上。當(dāng)傳感氣室的 CO濃度為零時(shí)，探測(cè)器將“看到”所有強(qiáng)度的光。紅外光源通過(guò)微處理器來(lái)脈動(dòng)式開(kāi)和關(guān)，燈絲能被加熱和降溫在毫秒級(jí)。同時(shí) , 脈沖紅外源減少帶外發(fā)射 (尤其短波，可見(jiàn)光 )以致在整個(gè)測(cè)量過(guò)程，燈絲保持暗，而且根本不產(chǎn)生可見(jiàn)光。 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院紅外探測(cè)器接收到紅外脈沖信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的輸出信號(hào)。 調(diào)制紅外光源設(shè)計(jì) 輻射能量按照波長(zhǎng)分布 是紅外光源（輻射源）的一個(gè)重要性質(zhì)，它表征了光源的輻射本領(lǐng)。 在紅外氣體傳感器中，經(jīng)常用到的紅外輻射光源主要有標(biāo)準(zhǔn)的黑體輻射源、熱激發(fā)的固體輻射源（能斯脫燈、硅碳棒、鎢絲燈等）、發(fā)光二極管和激光器。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 中，可以使用紅外激光器來(lái)獲得精度更高的單色紅外輻射。輻射光譜成分主要受光源功率變化的影響，因此對(duì)光源加熱電流要控制穩(wěn)定。 如第二章所述， CO 對(duì)波長(zhǎng)為 ，因此，應(yīng)選擇發(fā)出主要波長(zhǎng)為 。它以無(wú)定形碳材料作為多層熱電阻薄膜，通過(guò)電流后發(fā)熱，產(chǎn)生紅外輻射。 產(chǎn)品特性： ? 寬光譜輸出 ? 快速應(yīng)答性 ? 高脈沖速率 ? 高調(diào)制速率 ? 高效、低功耗 ? 使用壽命長(zhǎng)，性價(jià)高 ? 為用戶定制設(shè)計(jì)：有多種封裝選擇。 對(duì)于 MIRL17900紅外光源的使用要科學(xué)細(xì)致，光源的溫度分布與輻射角分布是必須考慮的。薄膜的兩端堆疊硅結(jié)構(gòu)是不輻射熱的；以點(diǎn)固定的側(cè)邊緣也更冷卻。 圖 33 MIRL17900 紅外光源溫度分布圖 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院 圖 34 MIRL17900 紅外光源輻射角分布圖 由上圖可知輻射角的不同，輻射強(qiáng)度有著明顯的變化，這就要求 MIRL17900 紅外光源的中心要與紅外探測(cè)器的中心在同一軸線上，這樣才能使得紅外探測(cè)器接收到的紅外光強(qiáng) 最大，最大限度的提高 CO 濃度探測(cè)器的靈敏度。圖中，紅外光源一端與場(chǎng)效應(yīng)管 D 角相連，另一端接穩(wěn)壓電源正極。這樣，紅外光源就會(huì)以 1Hz 的頻率亮暗，實(shí)現(xiàn)了紅外光源的調(diào)制。單片機(jī)發(fā)出的脈沖選擇 1Hz 的頻率是為接下來(lái)所選擇的紅外探測(cè)器有正確的信號(hào)輸出。氣室一般選用玻璃鍍金或鋁合金的材料。由于 CO 的分子量為 28，空氣的平均分子量為 29， CO 的分子量比空氣的平均 分子量小，所以氣室底部設(shè)有一個(gè)進(jìn)氣口，氣室頂部設(shè)有一個(gè)出氣口，使得 CO 氣體能順利的進(jìn)出氣室。 紅外探測(cè)器及選擇 紅外探測(cè)器實(shí)質(zhì)是一種光電轉(zhuǎn)換器件，它把入射的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子線路可以測(cè) 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院熱探測(cè)器主要有熱敏電阻、熱電偶、熱釋電等類型的探測(cè)器。利用這些特點(diǎn)，人們制備了多種探測(cè)器。而真空熱電偶探測(cè)現(xiàn)在基本不再使用。依據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，制成各種不同的光探測(cè)器。 對(duì)于某一特定的探測(cè)物質(zhì)存在一個(gè)特定的紅外波長(zhǎng)，如果紅外光波長(zhǎng)大于這一波長(zhǎng)，光子與物質(zhì)互相作用的程度較弱則無(wú)法探測(cè)，這一特定波長(zhǎng)就叫做探測(cè)器的響應(yīng)截止波長(zhǎng)。 選用 紅外 CO 濃度探測(cè)器的功能是將紅外光被一定濃度的 CO 吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。 TPS2534 G1 G20 \ 3195 為紅外熱電堆探測(cè)器，由 PerkinElmer 公司生產(chǎn)。傳感器內(nèi)部被填充了氮?dú)馇彝耆芊狻? 探測(cè)器輸出電壓頻率與接收到紅外調(diào)至頻率相一致，相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)定的電壓源。同時(shí)，探測(cè)器有兩個(gè)紅外接收窗口，分別為參考信號(hào)窗口和測(cè)量信號(hào)窗口。而測(cè)量信號(hào)窗口接收的紅外線強(qiáng)度與氣室內(nèi)通入的 CO 濃度成反向關(guān)系，對(duì)應(yīng)的熱電堆產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也成反向關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)紅外光源調(diào)制頻率為 1Hz 時(shí)，探測(cè)器輸出信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度為 左右，而紅外光源調(diào)制頻率越高，探測(cè)器輸出信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度越低。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 圖 38 TPS2534 G1 G20 \ 3195 紅外探測(cè)器窗口紅外吸收率 圖 39 探測(cè)器輸出信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與紅外光源調(diào)制頻率關(guān)系圖 整體電路設(shè)計(jì) CO 濃度探測(cè)器對(duì) CO 氣體濃度的探測(cè)，除了需要紅外光源和紅外探測(cè)器的精密配合，還要各種電路的精密配合。在電路設(shè)計(jì)中，往往采用穩(wěn)壓源。照此要求，經(jīng)過(guò)查找和篩選，由 ADP3330 線性精密低壓差穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓源電路符合要求。7%的偏差，超低電壓差 —— 每 200mA 電壓差僅為 140mV，可以與任何型號(hào)電容相匹配。 圖 312 為穩(wěn)壓源電路圖。除了硬件實(shí)現(xiàn)濾波外，還能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)濾波功能。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 放大濾波電路中選用了兩種放大器 —— AD8552 與 LMV358M。在－ 40℃ 到 +125℃ 的整個(gè)溫度范圍， 5 nV/℃ 的極小溫漂保證了一個(gè)最低限度的偏移電壓誤差，這就使得 AD8552 放大器適用