作者：王汝琳、王咏涛 编著

红外检测技术具有一系列优越的特性，特别是具有高灵敏度、高稳定性和较强的抗干扰性，长期以来一直是检测领域的研究重点。红外传感器有广泛的物理学基础，特别是与辐射在大气中的传播特性有关。随着科学技术的进步，特别是近年来红外发光器件和红外探测技术获得了长足的发展，高效、低电压、体积小的器件不断出现，为小型红外传感器的研制创造了条件。本书是作者多年从事红外检测技术研究和红外检测仪器设计的总结，讲述了分子光谱、红外气体传感器、红外瓦斯检测仪、系统设计与信号处理、红外光纤瓦斯检测系统、红外一氧化碳检测原理、红外一氧化碳检测器设计等方面的理论和相关技术。本书设计了具有智能功能的红外瓦斯传感器、红外光纤瓦斯检测系统和红外一氧化碳传感器，并进行了实验研究。与现有的各种红外检测仪器相比，设计方案先进合理，功能完善，有很强的实用价值。
本书适合于从事红外检测研究和设计的工程技术人员使用，也可供从事相关领域的工程技术人员参考。
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 3一种新的混合带模型的确立15
1 3 1两种模型的分析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红外气体传感器的重要特性36
2 3 1选择性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 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 1光学系统的几种设计方案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 2红外辐射光源59
3 3 3探测器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 4LED显示电路65
3 4 5串行E2PROM接口电路66
3 4 6AT24C02与单片机连接67
3 4 7A/D模数转换电路68
3 4 8ADS7841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 3A/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单片机系统设计158
5 5 1单片机类型的选择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 1A/D转换电路163
5 6 2LED与键盘接口电路163
5 6 3RS232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红外一氧化碳检测的朗伯 比尔定律192
6 3 1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 4红外一氧化碳吸收谱图分析207
6 6 5一氧化碳吸收区间广泛分析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红外一氧化碳检测器设计与实现222
7 1红外一氧化碳传感器器件的选择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 6 3红外一氧化碳检测仪准确性实验测试257
7 7系统误差分析及解决措施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