基于mems光源的三椭球体吸收腔室甲烷检测系统研究

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4、作，但因瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故，却从未中断。瓦斯爆炸的必备条件之一是甲烷（CH4）气体在空气中的浓度必须要达到5%–16%。所以如果能够对甲烷浓度进行及时、准确地检测，做到只要甲烷浓度处于爆炸限内或者处于爆炸上限以上的高浓度区，就可及时让工作人员撤出矿井，并对井下通风，稀释甲烷浓度，就可避免爆炸的发生或人员的窒息中毒。因此，研制高分辨率、高灵敏度的甲烷传感器具有重要的现实意义。目前，国内外学者均在积极运用红外吸收法来实现甲烷气体的检测。红外吸收法克服了其他检测法常校准、误差大、寿命短等缺点，同时拥有检测速度快、选择性好、可测光谱宽等众多

5、优点。本文基于红外吸收原理与单光路双波长差分吸收法，采用宽波长、高调制频率和长寿命的MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems）红外光源，设计了一种三椭球体结构的红外吸收气室，提出一种高分辨率的红外甲烷传感器，研究显示该传感器对于3.31μm波长红外光，其检测到的最小甲烷浓度可达到1.58ppm，由此使得该红外甲烷传感器的检测分辨率得到了显著的提高，扩展了其使用范围，不仅适用于矿井，也适用于分辨率要求更高的家庭灶具使用天然气、管道输送天然气时等场合气体微泄漏的检测。I太原理工大学硕士研究生学位论文本文主要研究内容

6、如下：1）设计三椭球结构吸收气室。该新型气室可使红外光线经5次反射后到达探测器，有效延长了光程；运用LightTools软件对所建立的气室模型进行了分析和研究，根据得到的模拟图显示该气室对光线实现了有效地聚焦，光线主要分布于中心条形区域，并且具有较好的对称性，集中区域范围为纵向为±2mm，横向为±6mm，完全覆盖了热释电探测器两个接收窗口的尺寸范围，调整热释电探测器位置，使两个接收窗口的纵横方向与红外光线照射分布纵横方向一致，即可实现探测器的最大接收；理论分析了该传感器可检测达到的最小甲烷浓度，即达到了1.58ppm，从理论上验证了本文气室

7、能够显著提高红外甲烷传感器的分辨率。2）设计MEMS红外光源。为了减小光源尺寸以及向传感器提供高性能光源，本文利用MEMS技术设计了红外光源，并就光源结构设计和各膜层材料选择进行了阐述；为了使光源工作在较高温度时产生的形变和热应力尽可能地小，运用COMSOLMultiphysics软件对MEMS光源模型的厚度参数进行了仿真分析，优化得到了SiO2支撑层厚度值的最优值0.58μm和Si3N4钝化层厚度的最优值0.72μm，使得MEMS红外光源得到了较高的工作温度和较小的形变与应力，为后续该光源的实际制作提供了尺寸参数。3）进行了红外甲烷传感器

8、部分电路设计。电路设计主要包括电源充电电路、升压电路、降压电路、光源稳压驱动电路以及放大滤波电路等电路的设计；计算得到了放大滤波电路放大倍数的理论值，运用Proteus软件对放大