针对目前非分光红外（NDIR）CO₂传感器灵敏度差、量程小的问题，设计并实现了一种微型双通道NDIR CO₂气体传感器。该红外传感器主要由双通道热释电探测器、信号读出与处理电路、温度传感器与光路气室构成。建立了温度、CO₂浓度与探测器输出值之间的关系模型，实现了传感器的温度补偿功能。测试结果表明，所设计传感器能够实现在0~40 ℃温度范围内，0%~5%气体浓度的测量，且在0%~2%浓度下测量误差值小于0.1%，在2%~5%浓度下测量误差值小于0.25%。

基于红外光谱吸收型的气体传感器是目前最为有效、应用最广泛的瓦斯浓度测试方案。本文基于红外分子光谱学原理, 采用MEMS红外收发组件作为气体敏感部件,首先对红外气体传感器的基本原理进行了分析, 得到了探测器红外感光特性与气体浓度变化的关系, 采用C8051F040单片机作为控制核心, 完成了气体传感器总体方案设计, 提出了具有带通放大功能的信号调理电路以实现噪声抑制, 有效提高检测信噪比; 针对气体传感器的信号检测电路, 从硬件层面进行了详细的叙述, 主要包括电源管理、驱动控制、CAN总线通信、数据采集处理及控制等功能模块, 描述了信号软件设计流程和方法; 最后, 完成了信号检测电路搭建和传感器样机研制, 进行了常温条件下的CH4浓度测试, 测试结果表明研制的气体传感器测试数据与之前的分析结果完全一致, 具备高精度、微型化、低功耗的技术特点。

非分散红外(NDIR)气体传感器是机动车尾气CO和CO2检测系统的核心部件,一般使用定标的方法来计算待测气体的浓度。针对传统定标方法生成的 定标曲线在低于CO和CO2满量程10%范围内拟合优度不能满足实际使用要求的问题,提出了一种基于最小二乘加权拟合法的定标方法,通过 对低浓度点赋予更大的权重和增加定标点的数目来改善定标曲线在低浓度范围内的拟合优度。采用该方法的定标结果表明,定标曲线 在整个量程范围内的定标误差均小于2%。所提出的定标方法具有较高的应用价值。

针对红外型气体传感器测量精度受环境温度影响较大的问题, 提出一种基于嵌入自适应列维变异的动态拓扑免疫粒子群-最小二乘支持向量机（DLIPSO-LSSVM）温度补偿算法。DLIPSO算法在粒子群优化过程中采用动态拓扑Dbest机制以更好地适应粒子群进化过程；为确保粒子多样性, 平衡局部搜索与全局搜索, 算法嵌入自适应列维变异对粒子进行变异。利用基准测试函数对DLIPSO算法进行性能对比评价, 仿真结果表明算法具有较强的全局搜索能力、精度高且稳定性较好。利用DLIPSO算法对LS-SVM的参数进行优化, 将混合算法用于实际红外气体传感器的温度补偿, 实验数值结果表明算法可将补偿结果的相对误差控制在5%范围内。

针对红外气体传感器对光源的要求, 选用了一种宽波长、 高调制频率、 低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源, 其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。 由于其面光源的朗伯辐射特性, 整形之后的红外光数值孔径仍然很大, 采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。 本文结合双波长单光路的差分检测方法, 设计了一种基于积分球特性的吸收气室, 有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题; 并运用光在传输过程中光通量守恒的原理, 推导了此积分球吸收气室的等效光程, 解决了积分球气室等效光程计算的难题; 同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号, 使得外围电路的设计更加简单、 灵活。 设计中, 使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程, 研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6, 极大地提高了红外检测系统的灵敏度。

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。