第五批項目申報表

第五批“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目申請表項目名稱：基于紅外氣體傳感器與微型真空泵的氣體分析儀項目負責人：學院年級專業(yè)：機械工程與自動化學院聯(lián)系電話：電子信箱：學生創(chuàng)新中心項目部制填表日期：年月日填表須知項目申請表要按照《東北大學“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目管理辦法》和第四批“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目申報通知的相關要求，逐項認真填寫，填寫內容必須實事求是，表達明確嚴謹，可另行附頁。二、立項范圍：A:大學生創(chuàng)新實驗基地中的綜合性、設計性、創(chuàng)新性的研究項目；B:學生自主發(fā)明、創(chuàng)作、設計的能夠解決社會熱點問題（節(jié)能減排、技術創(chuàng)新等）的研究項目；C：已經通過結題驗收且具有繼續(xù)研究價值的項目；D:教師科研課題中的子項目。E:為與大學生學術科技競賽前期研究相結合的研究項目；三、格式要求：表格中的正文字體應為小四號宋體，22磅行距，可手寫也可打印輸出；需簽字部分由相關人員以黑色鋼筆或水筆簽名。均用A4紙雙面打印，于左側裝訂成冊。四、項目申請表由項目負責人填寫，經學院或創(chuàng)新基地評審匯總后統(tǒng)一上報學生創(chuàng)新中心，學生創(chuàng)新中心組織“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”專家指導委員評審確定。學生申請課題須自行聯(lián)系確定指導教師。五、團隊申報的成員由核心成員和預備成員組成，其中核心成員由1-2人組成，預備成員建議1人。六、項目申請表填寫內容應言簡意賅，思路清晰，論證充分，字跡清楚，一律用計算機輸入打印。七、以學院為單位上交此申報表。（電子檔傳到chuangxin_zh@和紙質材料一式二份）八、如填表有不明事宜，請致電學生創(chuàng)新中心83690117。項目名稱基于紅外氣體傳感器與微型真空泵的氣體分析儀項目來源ABCDE競賽名稱：D請畫√申請經費4700起止時間2011/3/16至2012/3/16申請團隊情況核心成員姓名學號所在院專業(yè)電話程春玉20092256過程裝備與控制工世軒20092081機械工程及自動立亭20092134機械工程及自動、申請理由（內容應包括成員學習情況、獲得獎學金情況，知識條件、參加過的科研訓練和創(chuàng)新活動情況）項目成員均完成了相關基礎知識的學習，成績良好，態(tài)度端正，能夠積極地參與到本項目中。具體如下：程春玉同學，學習成績優(yōu)異。曾獲東北大學一等獎學金一次，二等獎學金一次，沈陽機床勵志獎學金一次。以優(yōu)異的成績通過了大學生英語四級考試，參加過全國大學生工程訓練比賽。在課余時間，自學了關于基片清洗及表面鍍膜的相關知識。劉世軒同學，學習成績優(yōu)秀，認真負責，擔任班級學習委員，獲得兩次校二等獎學金，一次國家勵志獎學金。以優(yōu)異的成績通過了英語四級考試，參加全國大學生數(shù)學競賽并獲得三等獎，參加無碳小車競賽，在課余時間自己主動學習了Photoshop,AutoCAD等軟件，有很強的動手能力及良好的團隊精神。鞠立亭同學，學習成績優(yōu)秀，學習態(tài)度認真，擔任班級學習委員，獲得一次二等獎學金，一次三等獎學金，米其林命名獎學金。通過了英語四級考試。具有較強的鉆研的精神，有良好的團隊合作精神。二、立項背景（包括國內外研究現(xiàn)狀、趨勢、研究意義、參考文獻和其他有關背景材料）國內外研究現(xiàn)狀1、紅外氣體傳感器基于紅外吸收原理的氣體傳感器具有長期工作狀態(tài)穩(wěn)定和便于智能自檢等功能，而且該類型的傳感器測量氣體的類型非常廣，除了單原子的惰性氣體和具有對稱結構的無極性的雙原子分子氣體外，大多數(shù)有機和無機多原子分子氣體都可以采用紅外氣體傳感器進行測量；測量濃度范圍相當寬泛，最低可以測量出幾個ppm（百萬分之幾），而且測量精度高，反應速度快[1]。在紅外檢測領域，世界各國的許多科研工作者都對適用于各種危險場合的紅外氣體檢測方法進行了深入的研究。20世紀70年代，德國就研制出防爆型紅外CO傳感器SIGMACO，并在1992年研制出其改進型SIGMA-CO-Y。該傳感器具有良好的選擇性和較高的靈敏度，其測量范圍為0～0.01%，測量周期60s，精度±6%，用于礦井大氣中CO的檢測和傳送帶的早期探火。但因其體積較大，且過濾器更換頻繁，使用不方便。80年代初，法國研制的LEL-5610防爆型紅外CO2傳感器，可用于爆炸危險環(huán)境二氧化碳氣體的檢測。測量濃度范圍為0～0.1%，零漂小于3%，且無累積誤差，響應時間達到8s，重復性高，輸出直流電流4～20mA。該檢測儀采用敞開型氣室，直接接觸所測氣體；且具有自檢功能，可消除零漂；在檢測過程中，能對由紅外光源老化、鏡頭堆積灰塵、探測器老化等因素引起的誤差進行自動補償；可與監(jiān)控系統(tǒng)連接。1997年在APPLIEDOPTICS上刊登出基于二極管激光光譜技術測量CO2濃度的文章，隨后在多種國內外刊物上也相繼出現(xiàn)了許多基于不同波段處的二極管光譜技術測量CO2濃度的文章，其中監(jiān)測選擇的波段有1.53μm、1.57μm、1.6μm、2.0μm和4.5μm，并有其它氣體和CO2同時測量的相關文獻。在國內，氣體傳感技術的研究也有所開展，1985年中科院安徽光機所采用分立調諧的CO2激光器研制成功監(jiān)測大氣污染的第一臺紅外差分吸收激光雷達。1993年，安徽光機所又成功研制出我國第一臺差分吸收激光雷達系統(tǒng)。從1993年底以來，利用這臺差分吸收激光雷達在合肥對平流層臭氧廓線成功地進行了常規(guī)探測，積累了大量測量數(shù)據(jù)。它的研制成功填補了我國在這方面的空白。上海理工大學把差分吸收光譜技術應用到污染氣體的濃度測量中，并且成功在線測量了NO2等氣體的濃度。1999年，安徽光機所在院重點項目的支持下，完成了紫外熒光法空氣質量SO2自動監(jiān)測儀的研制，2000年在院重點項目的支持下完成了化學發(fā)光法空氣質量NOx自動監(jiān)測儀和β射線法空氣質量PM自動監(jiān)測儀的研制工作。2004年由武漢四方光電科技有限公司承擔的研究項目，非分光紅外（NDIR）氣體傳感器技術的研究，取得了新的進展，這一研究成果使我國在非分光紅外氣體傳感器關鍵技術的研制達到國際同類產品的先進水平[2]。由于紅外氣體檢測技術在各個經濟領域日益顯示出其重要應用前景，很多國家都在積極研究之中。隨著科學技術的發(fā)展，使得以往研究紅外氣體傳感器需要的器件成本大幅降低，新技術、新元件、新材料和新工藝的快速發(fā)展和完善，使得新型紅外氣體分析儀的研究得到了技術上的有力支持，如自動校零、線性化指示、線性輸出以及干擾誤差的消除等都已成為現(xiàn)實；在光學結構方面，也在不斷的改進和創(chuàng)新。紅外氣體檢測技術在我國不管是在利用新技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，還是在替代進口紅外檢測產品等方面都有明顯的優(yōu)勢，應用范圍非常廣泛，具有明顯的經濟和社會效益[3]。2、微型真空泵隨著工業(yè)和科學技術的發(fā)展，特別是微電子技術的發(fā)展，人們意識到微型器件開發(fā)的重要性。在此基礎上人們研制出WC—0.5型無油真空泵。WC—0.5型電磁微型泵是基于變容原理工作的往復泵，屬低真空獲得設備，該泵獲得清潔無油污染的低真空環(huán)境，以滿足工業(yè)生產無油空間的需要，亦可用于氣體取樣，以便進行理化分析。因為該泵為無油泵，所以它工作時，既不會污染環(huán)境，也不會污染被抽空間和被收集的樣品。該泵還具有體積小、重量輕、壽命長、耗電省、結構簡單、使用方便、便于攜帶、可長期在大氣壓情況下工作而不損壞，超負荷工作也不會燒毀等優(yōu)點，可廣泛應用于環(huán)境保護、醫(yī)療、醫(yī)藥、食品和輕工等領域。當然，它與油封泵相比是壓比小，所獲得的真空度較低[4]。二、研究趨勢紅外氣體傳感器適用于監(jiān)測各種易燃易爆、二氧化碳氣體，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點[5][6]。這些優(yōu)點將導致電化學、紅外原理的氣體檢測儀器占領更廣泛的行業(yè)高端市場。隨著電子技術的發(fā)展，紅外氣體傳感器微型化和便攜化成為可能；計算機檢測技術、控制技術、通信技術等重要技術的不斷完善，使得紅外傳感器更加智能、功能更加完備而且適用范圍更廣，伴隨著網絡技術的不斷發(fā)展和普及，網絡化和計算機化成為現(xiàn)場連續(xù)檢測的發(fā)展趨勢。目前這種傳感器的供應商是歐洲！中國這一領域目前是半空白[7]。三、研究意義氣體的檢測在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領域都非常重要，人們對發(fā)展快速、靈敏和有效的氣體檢測手段的需求十分迫切。傳統(tǒng)用于檢測氣體的氣體傳感器大多數(shù)通過其探頭的電阻或電容變化來測定氣體濃度，其靈敏度低，抗干擾能力差。我們的研究，是把紅外氣體傳感器和微型真空泵和氣體凈化處理裝置結合起來，使傳感器能更快、更準確的測試出氣體的濃度。采用紅外技術檢測氣體不但克服了以往檢測方法的不足，而且還具有選擇性好、連續(xù)分析、響應速度快、體積小、抗干擾能力強、測量精度高、可遠離現(xiàn)場檢測等優(yōu)點，更能適用于氣體的檢測。因此，紅外氣體傳感器的研究和發(fā)展前景廣闊，對于社會和現(xiàn)代經濟的發(fā)展具有十分重要的意義。它的應用也將會越來越廣泛，其產生的社會價值也是無法估量的。四、參考文獻1、紀新明,吳飛蝶,王建業(yè),劉全,黃宜平.用于火災探測的非色散紅外吸收氣體傳感器[J].傳感技術學報.2006.62、王汝琳,王詠濤.紅外檢測技術[M].化學工業(yè),2006,9.3、熊金.車載紅外氣體分析儀的設計與實現(xiàn)[D].重慶大學,2010,10.4、任家生，趙寧，周士良.WC-0.5型微型真空泵的研制[D].東南大學,1992,35、劉亮.先進傳感器及其應用[M].化學工業(yè).2005.6、祁澤剛,張永懷,孟艷鋒,劉野惠美.基于智能紅外氣體傳感器的儀表設計.第十三屆中國濕度與水分學術交流會暨國防科技工業(yè)熱工、流量技術交流會論文集.20107、韓東升,陸綺榮,王永輝,劉月紅.基于紅外傳感器的氣體檢測系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用.2010年第29卷第5期.三、項目的特色與創(chuàng)新之處本項目中將紅外氣體傳感器與微型泵氣體吸收裝置和氣體凈化處理裝置巧妙結合，充分發(fā)揮各裝置的優(yōu)勢，提高了測量精確度，縮短了反應時間，增強了環(huán)境適應性，從而使之更具有實用價值。紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。它使用時無需調制光源紅外探測器，使儀器完全沒有機械運動部件而避免了磨損，完全實現(xiàn)免維護化，大大延長了使用時間。適用于監(jiān)測各種易燃易爆、二氧化碳氣體，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點。微型真空泵屬低真空獲得設備，用以從內部壓強等于或低于一個氣壓的容器中抽除氣體。該泵獲得清潔無油污染的低真空環(huán)境，可用于氣體取樣，以便進行理化分析。因為該泵為無油泵，所以它工作時，既不會污染環(huán)境，也不會污染被收集的樣品。該泵還具有占用空間小、重量輕、使用時間長、節(jié)省資源、結構簡單、使用方便，可長期在大氣壓情況下工作而不損壞，超負荷工作也不會燒毀等優(yōu)點。膜式氣體高效過濾器可在干或濕空氣條件下運行。當氣體中的顆粒大于濾材的孔徑時，受到孔的攔截而被截留，就可以去除所檢測氣體中的粉塵及微生物，保證檢測順利進行。高效膜式氣體過濾器具有直接過濾、工藝簡單、透氣性好、不泄漏、再生性能好、再生速度快、安裝方便、效率高、使用壽命長等優(yōu)點。本裝置使用時，微型真空泵可以快速抽進由膜式氣體高效過濾器處理的氣體，然后壓縮進紅外傳感器中。這樣既避免了原氣體中粉塵及微生物對測量結果的影響，又縮短了氣體進入傳感器的時間，避免了氣體因自由擴散而導致的濃度改變，從而提高了測量的準確度。同時，由于較快的檢測速度，進一步提高了傳感器的抗環(huán)境干擾能力。四、實施方案設計方案的主要流程：理論計算理論計算模型選擇結構設計機械結構設計零部件加工產品組裝性能測試產品改進1、理論計算氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質的不同而存在差異的原理制成的。同一種物質不同濃度時，同一吸收峰位置有不同的吸收強度，吸收強度與濃度成正比關系。即不同氣體分子化學結構不同，對應于不同的吸收光譜，而每種氣體在光譜中，對特定波長的光有較強的吸收。通過檢測氣體對光的波長和強度的影響，便可以確定氣體的濃度。一些常見氣體都有吸收峰，如果光源光譜覆蓋1個或多個氣體吸收線，光通過氣體時就會發(fā)生衰減，根據(jù)比爾-朗伯定律，輸出光強度I輸入光強度I0和氣體濃度之間的關系為：I=I0exp(-αmLC)，(1)式中αm為摩爾分子吸收系數(shù)；C為待氣體濃度；L為光和氣體的作用長度(傳感長度)。對式(1)進行變換，得：C=(1/αmL)*(㏑I/I0)從式(2)可知，如果L，αm已知，那么，通過檢測I,I0就可以得到氣體濃度C。WC一0.5型微型真空泵屬低真空獲得設備，用以從內部壓強等于或低于一個氣壓的容器中抽除氣體。它由氣缸和作往復直線運動的活塞組成?；钊尿寗邮墙柚陔姶盼蛷椈傻膹椓ο嗷プ饔猛瓿傻摹．旊姶啪€圈接上50Hz的220V市交流電，并通過二極管的開關作用，使電磁吸力周期動作。在電壓的正半周時，電流通過電磁線圈，使鐵心產生電磁吸力，于是銜鐵吸合，帶動活塞向左移動，由于氣缸的右腔體積不斷增大而形成吸氣過程，即氣體(或蒸汽)從低壓容器中經過吸氣閥進入泵體右腔。當活塞到達最左端位置時，氣缸內就完全充滿氣體。在整個吸氣過程中，排氣閥一直關閉。在電壓的負半周時，因二極管不導通，電流被截止，線圈中沒有電流流過，鐵心的電磁吸力消失。銜鐵在彈簧力的作用下釋放，接著活塞開始從左向右運動，這時吸氣閥關閉，氣缸內的氣體隨著活塞從左向右運動逐漸被壓縮，直到氣缸內的氣體壓強達到稍大于大氣壓時為止，此后排氣閥打開，氣缸內被壓縮的氣體通過排氣閥排到大氣之中，完成了一個工作循環(huán)。下一個周波時，活塞又從最右端往左邊移動，重新吸人氣體，重復前一循環(huán)，如此往復下去，直到被抽容器中的氣體壓強達到要求時為止。設活塞的直徑為D，行程為L，則一個行程中泵能吸收的氣體的最大體積為π（D/2)2L，活塞振動的頻率為市電周波頻率50Hz；因此，在一個工作循環(huán)中實際排出的氣體量：Q=PVmax-αPdVmin。2、模型選擇本項目中紅外氣體傳感器模型簡圖如下：圖1紅外氣體傳感器模型簡圖2ˊ：氣室20：氣腔30：紅外光源21-25：光束探測器接收單元20a-20c：橢圓鏡面130a-130b、130、230：光束26、30a-30b：反射鏡泵的工作原理圖如下：圖2泵的工作原理圖A：氣缸B：活塞C：低壓容器D：進氣口E：出氣口3、結構設計在實際應用中，為了避免外界干擾因素(如，溫度、壓力、其他氣體、光源波動、灰塵污染等)的影響，通常情況下，要將傳感器設計為雙光源單波長雙氣室的結構，同時，在參比氣室中封入氮氣，測量氣室讓被測氣體自由出入，這樣的結構設計提高了傳感器的選擇性，但加大了傳感器的體積，而且，光源、濾光鏡和光探測器本身的不完全一致也會導致傳感器的系統(tǒng)誤差。基于此種考慮，可以將傳感器的結構設計為單光源單波長雙氣室結構，這種設計減小了傳感器的體積，消除了光源、濾光鏡的非對稱污染引起的誤差，但分光路器的分光比不對稱和光探測器本身的不完全一致導致的系統(tǒng)誤差仍存在。所以，將傳感器設計為單光源雙波長單氣室結構，其結構框圖如下圖圖3單光源雙波長單氣室結構框圖在氣室里，CO2氣體吸收部分特定波長的光。傳感器的可調濾光鏡可以被調節(jié)到其容許通過的光波波段與CO2所吸收的光波波長相吻合，探測器檢測出其信號強度；然后，傳感器再把其容許通過的光波波段調節(jié)到不被CO2所吸收的范圍，由于光子在這一點上沒有被氣體吸收，所以，可測量到光線在系統(tǒng)內的強度即參考信號強度。其探頭結構如下：圖4探頭結構二、路線圖理論計算理論計算模型選擇結構設計機械結構設計產品組裝性能測試產品改進測試結果是否符合要求是否產品完成零部件加工三、月度研究計劃2011年3至4月查閱相關資料，了解關于紅外氣體傳感器和微型真空泵（包括設計原理、檢測誤差、使用方法、可獲得的真空度），以及基底的選擇方法和關于基底鍍膜的相關知識；2011年5至7月自行設計紅外氣體傳感器和微型真空泵，并聯(lián)系工廠進行加工；2011年8至9月對制作出來的產品進行測試并分析相關測試結果；2011年10至12月依據(jù)相關測試結果對產品加以改進；2012年1至2月測試改進后的產品的性能并分析相關測試結果，再進行產品優(yōu)化。五、項目研究預期成果此項目設計制造出的裝置能夠快速、準確地檢測二氧化碳氣體的濃度，具有精度高、可靠性高、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點。它使用時使儀器完全沒有機械運動部件而避免磨損，完全實現(xiàn)免維護化，延長使用時間。將紅外氣體傳感器與微型真空泵相結合，使該儀器更加小巧，適用性更強，測量出的混合氣體中某種氣體的濃度更快更準確。通過不斷地嘗試開發(fā)出產品，成員可以申請國家發(fā)明專利或者實用新型專利一項。通過此項目，可以培養(yǎng)研究組成員理論與實踐相接合的能力，可以提高成員對紅外氣體傳感器及微型泵的原理的理解，可以提高成員從通過試驗獲取知識的探索能力。在項目過程中，利用試驗來培養(yǎng)成員的能力具有積極的意義。在項目過程中，導師指導成員通過實驗方案設計、觀察、分析和操作等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)成員的實驗操作能力和主觀能動性。小組成員在實驗方案設計、零部件設計、器材使用、測試結果分析、產品改進等環(huán)節(jié)可以讓成員分工完成，更能發(fā)揮成員自身的優(yōu)點，更有利于培養(yǎng)成員的合作探究能力。同時，導師啟發(fā)并且積極引導成員質疑，發(fā)表