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。全书分别讲述了分子光谱、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、红外一氧化碳检测器设计等方面的理论和相关技术。在实验研究的基础上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。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，安全性和可靠性高，具有较高的性能价格比，有很强的实用价值。本书可作为红外检测技术研究和红外检测仪器设计的工程技术人员学习和参考用书。

1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

附录一红外一氧化碳吸收波长λ（μｍ）与透射比τ(%)实验数据270

附录二红外一氧化碳吸收波长λ(μm)与吸收截面系数k(λ)实验

计算数据272

参考文献274