第五批项目申报表

第五批“国家大学生创新性实验计划”项目申请表项目名称：基于红外气体传感器与微型真空泵的气体分析仪项目负责人：学院年级专业：机械工程与自动化学院联系电话：电子信箱：学生创新中心项目部制填表日期：年月日填表须知项目申请表要按照《东北大学“国家大学生创新性实验计划”项目管理办法》和第四批“国家大学生创新性实验计划”项目申报通知的相关要求，逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨，可另行附页。二、立项范围：A:大学生创新实验基地中的综合性、设计性、创新性的研究项目；B:学生自主发明、创作、设计的能够解决社会热点问题（节能减排、技术创新等）的研究项目；C：已经通过结题验收且具有继续研究价值的项目；D:教师科研课题中的子项目。E:为与大学生学术科技竞赛前期研究相结合的研究项目；三、格式要求：表格中的正文字体应为小四号宋体，22磅行距，可手写也可打印输出；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。四、项目申请表由项目负责人填写，经学院或创新基地评审汇总后统一上报学生创新中心，学生创新中心组织“国家大学生创新性实验计划”专家指导委员评审确定。学生申请课题须自行联系确定指导教师。五、团队申报的成员由核心成员和预备成员组成，其中核心成员由1-2人组成，预备成员建议1人。六、项目申请表填写内容应言简意赅，思路清晰，论证充分，字迹清楚，一律用计算机输入打印。七、以学院为单位上交此申报表。（电子档传到chuangxin_zh@和纸质材料一式二份）八、如填表有不明事宜，请致电学生创新中心83690117。项目名称基于红外气体传感器与微型真空泵的气体分析仪项目来源ABCDE竞赛名称：D请画√申请经费4700起止时间2011/3/16至2012/3/16申请团队情况核心成员姓名学号所在院专业电话程春玉20092256过程装备与控制工世轩20092081机械工程及自动立亭20092134机械工程及自动、申请理由（内容应包括成员学习情况、获得奖学金情况，知识条件、参加过的科研训练和创新活动情况）项目成员均完成了相关基础知识的学习，成绩良好，态度端正，能够积极地参与到本项目中。具体如下：程春玉同学，学习成绩优异。曾获东北大学一等奖学金一次，二等奖学金一次，沈阳机床励志奖学金一次。以优异的成绩通过了大学生英语四级考试，参加过全国大学生工程训练比赛。在课余时间，自学了关于基片清洗及表面镀膜的相关知识。刘世轩同学，学习成绩优秀，认真负责，担任班级学习委员，获得两次校二等奖学金，一次国家励志奖学金。以优异的成绩通过了英语四级考试，参加全国大学生数学竞赛并获得三等奖，参加无碳小车竞赛，在课余时间自己主动学习了Photoshop,AutoCAD等软件，有很强的动手能力及良好的团队精神。鞠立亭同学，学习成绩优秀，学习态度认真，担任班级学习委员，获得一次二等奖学金，一次三等奖学金，米其林命名奖学金。通过了英语四级考试。具有较强的钻研的精神，有良好的团队合作精神。二、立项背景（包括国内外研究现状、趋势、研究意义、参考文献和其他有关背景材料）国内外研究现状1、红外气体传感器基于红外吸收原理的气体传感器具有长期工作状态稳定和便于智能自检等功能，而且该类型的传感器测量气体的类型非常广，除了单原子的惰性气体和具有对称结构的无极性的双原子分子气体外，大多数有机和无机多原子分子气体都可以采用红外气体传感器进行测量；测量浓度范围相当宽泛，最低可以测量出几个ppm（百万分之几），而且测量精度高，反应速度快[1]。在红外检测领域，世界各国的许多科研工作者都对适用于各种危险场合的红外气体检测方法进行了深入的研究。20世纪70年代，德国就研制出防爆型红外CO传感器SIGMACO，并在1992年研制出其改进型SIGMA-CO-Y。该传感器具有良好的选择性和较高的灵敏度，其测量范围为0～0.01%，测量周期60s，精度±6%，用于矿井大气中CO的检测和传送带的早期探火。但因其体积较大，且过滤器更换频繁，使用不方便。80年代初，法国研制的LEL-5610防爆型红外CO2传感器，可用于爆炸危险环境二氧化碳气体的检测。测量浓度范围为0～0.1%，零漂小于3%，且无累积误差，响应时间达到8s，重复性高，输出直流电流4～20mA。该检测仪采用敞开型气室，直接接触所测气体；且具有自检功能，可消除零漂；在检测过程中，能对由红外光源老化、镜头堆积灰尘、探测器老化等因素引起的误差进行自动补偿；可与监控系统连接。1997年在APPLIEDOPTICS上刊登出基于二极管激光光谱技术测量CO2浓度的文章，随后在多种国内外刊物上也相继出现了许多基于不同波段处的二极管光谱技术测量CO2浓度的文章，其中监测选择的波段有1.53μm、1.57μm、1.6μm、2.0μm和4.5μm，并有其它气体和CO2同时测量的相关文献。在国内，气体传感技术的研究也有所开展，1985年中科院安徽光机所采用分立调谐的CO2激光器研制成功监测大气污染的第一台红外差分吸收激光雷达。1993年，安徽光机所又成功研制出我国第一台差分吸收激光雷达系统。从1993年底以来，利用这台差分吸收激光雷达在合肥对平流层臭氧廓线成功地进行了常规探测，积累了大量测量数据。它的研制成功填补了我国在这方面的空白。上海理工大学把差分吸收光谱技术应用到污染气体的浓度测量中，并且成功在线测量了NO2等气体的浓度。1999年，安徽光机所在院重点项目的支持下，完成了紫外荧光法空气质量SO2自动监测仪的研制，2000年在院重点项目的支持下完成了化学发光法空气质量NOx自动监测仪和β射线法空气质量PM自动监测仪的研制工作。2004年由武汉四方光电科技有限公司承担的研究项目，非分光红外（NDIR）气体传感器技术的研究，取得了新的进展，这一研究成果使我国在非分光红外气体传感器关键技术的研制达到国际同类产品的先进水平[2]。由于红外气体检测技术在各个经济领域日益显示出其重要应用前景，很多国家都在积极研究之中。随着科学技术的发展，使得以往研究红外气体传感器需要的器件成本大幅降低，新技术、新元件、新材料和新工艺的快速发展和完善，使得新型红外气体分析仪的研究得到了技术上的有力支持，如自动校零、线性化指示、线性输出以及干扰误差的消除等都已成为现实；在光学结构方面，也在不断的改进和创新。红外气体检测技术在我国不管是在利用新技术改造传统产业，还是在替代进口红外检测产品等方面都有明显的优势，应用范围非常广泛，具有明显的经济和社会效益[3]。2、微型真空泵随着工业和科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，人们意识到微型器件开发的重要性。在此基础上人们研制出WC—0.5型无油真空泵。WC—0.5型电磁微型泵是基于变容原理工作的往复泵，属低真空获得设备，该泵获得清洁无油污染的低真空环境，以满足工业生产无油空间的需要，亦可用于气体取样，以便进行理化分析。因为该泵为无油泵，所以它工作时，既不会污染环境，也不会污染被抽空间和被收集的样品。该泵还具有体积小、重量轻、寿命长、耗电省、结构简单、使用方便、便于携带、可长期在大气压情况下工作而不损坏，超负荷工作也不会烧毁等优点，可广泛应用于环境保护、医疗、医药、食品和轻工等领域。当然，它与油封泵相比是压比小，所获得的真空度较低[4]。二、研究趋势红外气体传感器适用于监测各种易燃易爆、二氧化碳气体，具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点[5][6]。这些优点将导致电化学、红外原理的气体检测仪器占领更广泛的行业高端市场。随着电子技术的发展，红外气体传感器微型化和便携化成为可能；计算机检测技术、控制技术、通信技术等重要技术的不断完善，使得红外传感器更加智能、功能更加完备而且适用范围更广，伴随着网络技术的不断发展和普及，网络化和计算机化成为现场连续检测的发展趋势。目前这种传感器的供应商是欧洲！中国这一领域目前是半空白[7]。三、研究意义气体的检测在环境监测、工业控制等领域都非常重要，人们对发展快速、灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。传统用于检测气体的气体传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度，其灵敏度低，抗干扰能力差。我们的研究，是把红外气体传感器和微型真空泵和气体净化处理装置结合起来，使传感器能更快、更准确的测试出气体的浓度。采用红外技术检测气体不但克服了以往检测方法的不足，而且还具有选择性好、连续分析、响应速度快、体积小、抗干扰能力强、测量精度高、可远离现场检测等优点，更能适用于气体的检测。因此，红外气体传感器的研究和发展前景广阔，对于社会和现代经济的发展具有十分重要的意义。它的应用也将会越来越广泛，其产生的社会价值也是无法估量的。四、参考文献1、纪新明,吴飞蝶,王建业,刘全,黄宜平.用于火灾探测的非色散红外吸收气体传感器[J].传感技术学报.2006.62、王汝琳,王咏涛.红外检测技术[M].化学工业,2006,9.3、熊金.车载红外气体分析仪的设计与实现[D].重庆大学,2010,10.4、任家生，赵宁，周士良.WC-0.5型微型真空泵的研制[D].东南大学,1992,35、刘亮.先进传感器及其应用[M].化学工业.2005.6、祁泽刚,张永怀,孟艳锋,刘野惠美.基于智能红外气体传感器的仪表设计.第十三届中国湿度与水分学术交流会暨国防科技工业热工、流量技术交流会论文集.20107、韩东升,陆绮荣,王永辉,刘月红.基于红外传感器的气体检测系统的设计[J].自动化技术与应用.2010年第29卷第5期.三、项目的特色与创新之处本项目中将红外气体传感器与微型泵气体吸收装置和气体净化处理装置巧妙结合，充分发挥各装置的优势，提高了测量精确度，缩短了反应时间，增强了环境适应性，从而使之更具有实用价值。红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。它使用时无需调制光源红外探测器，使仪器完全没有机械运动部件而避免了磨损，完全实现免维护化，大大延长了使用时间。适用于监测各种易燃易爆、二氧化碳气体，具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点。微型真空泵属低真空获得设备，用以从内部压强等于或低于一个气压的容器中抽除气体。该泵获得清洁无油污染的低真空环境，可用于气体取样，以便进行理化分析。因为该泵为无油泵，所以它工作时，既不会污染环境，也不会污染被收集的样品。该泵还具有占用空间小、重量轻、使用时间长、节省资源、结构简单、使用方便，可长期在大气压情况下工作而不损坏，超负荷工作也不会烧毁等优点。膜式气体高效过滤器可在干或湿空气条件下运行。当气体中的颗粒大于滤材的孔径时，受到孔的拦截而被截留，就可以去除所检测气体中的粉尘及微生物，保证检测顺利进行。高效膜式气体过滤器具有直接过滤、工艺简单、透气性好、不泄漏、再生性能好、再生速度快、安装方便、效率高、使用寿命长等优点。本装置使用时，微型真空泵可以快速抽进由膜式气体高效过滤器处理的气体，然后压缩进红外传感器中。这样既避免了原气体中粉尘及微生物对测量结果的影响，又缩短了气体进入传感器的时间，避免了气体因自由扩散而导致的浓度改变，从而提高了测量的准确度。同时，由于较快的检测速度，进一步提高了传感器的抗环境干扰能力。四、实施方案设计方案的主要流程：理论计算理论计算模型选择结构设计机械结构设计零部件加工产品组装性能测试产品改进1、理论计算气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。同一种物质不同浓度时，同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。即不同气体分子化学结构不同，对应于不同的吸收光谱，而每种气体在光谱中，对特定波长的光有较强的吸收。通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。一些常见气体都有吸收峰，如果光源光谱覆盖1个或多个气体吸收线，光通过气体时就会发生衰减，根据比尔-朗伯定律，输出光强度I输入光强度I0和气体浓度之间的关系为：I=I0exp(-αmLC)，(1)式中αm为摩尔分子吸收系数；C为待气体浓度；L为光和气体的作用长度(传感长度)。对式(1)进行变换，得：C=(1/αmL)*(㏑I/I0)从式(2)可知，如果L，αm已知，那么，通过检测I,I0就可以得到气体浓度C。WC一0.5型微型真空泵属低真空获得设备，用以从内部压强等于或低于一个气压的容器中抽除气体。它由气缸和作往复直线运动的活塞组成。活塞的驱动是借助于电磁吸力和弹簧的弹力相互作用完成的。当电磁线圈接上50Hz的220V市交流电，并通过二极管的开关作用，使电磁吸力周期动作。在电压的正半周时，电流通过电磁线圈，使铁心产生电磁吸力，于是衔铁吸合，带动活塞向左移动，由于气缸的右腔体积不断增大而形成吸气过程，即气体(或蒸汽)从低压容器中经过吸气阀进入泵体右腔。当活塞到达最左端位置时，气缸内就完全充满气体。在整个吸气过程中，排气阀一直关闭。在电压的负半周时，因二极管不导通，电流被截止，线圈中没有电流流过，铁心的电磁吸力消失。衔铁在弹簧力的作用下释放，接着活塞开始从左向右运动，这时吸气阀关闭，气缸内的气体随着活塞从左向右运动逐渐被压缩，直到气缸内的气体压强达到稍大于大气压时为止，此后排气阀打开，气缸内被压缩的气体通过排气阀排到大气之中，完成了一个工作循环。下一个周波时，活塞又从最右端往左边移动，重新吸人气体，重复前一循环，如此往复下去，直到被抽容器中的气体压强达到要求时为止。设活塞的直径为D，行程为L，则一个行程中泵能吸收的气体的最大体积为π（D/2)2L，活塞振动的频率为市电周波频率50Hz；因此，在一个工作循环中实际排出的气体量：Q=PVmax-αPdVmin。2、模型选择本项目中红外气体传感器模型简图如下：图1红外气体传感器模型简图2ˊ：气室20：气腔30：红外光源21-25：光束探测器接收单元20a-20c：椭圆镜面130a-130b、130、230：光束26、30a-30b：反射镜泵的工作原理图如下：图2泵的工作原理图A：气缸B：活塞C：低压容器D：进气口E：出气口3、结构设计在实际应用中，为了避免外界干扰因素(如，温度、压力、其他气体、光源波动、灰尘污染等)的影响，通常情况下，要将传感器设计为双光源单波长双气室的结构，同时，在参比气室中封入氮气，测量气室让被测气体自由出入，这样的结构设计提高了传感器的选择性，但加大了传感器的体积，而且，光源、滤光镜和光探测器本身的不完全一致也会导致传感器的系统误差。基于此种考虑，可以将传感器的结构设计为单光源单波长双气室结构，这种设计减小了传感器的体积，消除了光源、滤光镜的非对称污染引起的误差，但分光路器的分光比不对称和光探测器本身的不完全一致导致的系统误差仍存在。所以，将传感器设计为单光源双波长单气室结构，其结构框图如下图图3单光源双波长单气室结构框图在气室里，CO2气体吸收部分特定波长的光。传感器的可调滤光镜可以被调节到其容许通过的光波波段与CO2所吸收的光波波长相吻合，探测器检测出其信号强度；然后，传感器再把其容许通过的光波波段调节到不被CO2所吸收的范围，由于光子在这一点上没有被气体吸收，所以，可测量到光线在系统内的强度即参考信号强度。其探头结构如下：图4探头结构二、路线图理论计算理论计算模型选择结构设计机械结构设计产品组装性能测试产品改进测试结果是否符合要求是否产品完成零部件加工三、月度研究计划2011年3至4月查阅相关资料，了解关于红外气体传感器和微型真空泵（包括设计原理、检测误差、使用方法、可获得的真空度），以及基底的选择方法和关于基底镀膜的相关知识；2011年5至7月自行设计红外气体传感器和微型真空泵，并联系工厂进行加工；2011年8至9月对制作出来的产品进行测试并分析相关测试结果；2011年10至12月依据相关测试结果对产品加以改进；2012年1至2月测试改进后的产品的性能并分析相关测试结果，再进行产品优化。五、项目研究预期成果此项目设计制造出的装置能够快速、准确地检测二氧化碳气体的浓度，具有精度高、可靠性高、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点。它使用时使仪器完全没有机械运动部件而避免磨损，完全实现免维护化，延长使用时间。将红外气体传感器与微型真空泵相结合，使该仪器更加小巧，适用性更强，测量出的混合气体中某种气体的浓度更快更准确。通过不断地尝试开发出产品，成员可以申请国家发明专利或者实用新型专利一项。通过此项目，可以培养研究组成员理论与实践相接合的能力，可以提高成员对红外气体传感器及微型泵的原理的理解，可以提高成员从通过试验获取知识的探索能力。在项目过程中，利用试验来培养成员的能力具有积极的意义。在项目过程中，导师指导成员通过实验方案设计、观察、分析和操作等环节，培养成员的实验操作能力和主观能动性。小组成员在实验方案设计、零部件设计、器材使用、测试结果分析、产品改进等环节可以让成员分工完成，更能发挥成员自身的优点，更有利于培养成员的合作探究能力。同时，导师启发并且积极引导成员质疑，发表