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乙烯(C2H4)是植物成熟时释放的一种气体激素，在合适的浓度下可以被用作水果成熟催化剂或保鲜剂。通常，这种应用场合的气体浓度探测需要达到几个ppm甚至亚ppm量级的灵敏度。为满足这种应用要求，本文采用双通道锁相放大器电路，结合高效率的红外反射光路结构和一种降低传感器温漂的双温度补偿算法，成功实现了基于非色散红外分光(Non-Dispersive InfraRed, NDIR)原理的高灵敏乙烯红外气体传感器。
本文主要开展了以下方面的工作：
(1)对乙烯气体传感器涉及的相关理论基础和原理进行总结和分析。首先，从原子和分子振动角度讨论乙烯吸收红外光谱，详细分析双波长差分法消除光源波动和探测器误差的原理，研究红外反射光路设计方法。然后，介绍锁相放大器抑制电路噪声原理和实现方法，以及修正的朗伯-比尔定律。
(2)进行了乙烯气体传感器硬件系统设计和制作。硬件系统可分为气室和反射镜模块、双通道锁相放大器模块以及信号控制和数据处理模块。首先分析红外光源和探测器驱动原理，然后利用Zemax软件设计高效率的红外反射光路结构，提升探测器响应率，仿真表明设计的光路传输效率达到92%，并利用激光3D打印技术制作了光学气体吸收腔室。其次，结合理论计算和数值仿真设计锁相放大器电路。最后，设计模数转换器电路、STM32单片机电路、温度传感器电路和系统电源。
(3)开展了乙烯气体传感器软件的程序设计。在STM32单片机上设计了驱动模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)的SPI程序、与温湿度传感器通信的I2C程序、调制光源的PWM程序以及负责数据传输DMA+UART程序。在上位机程序中，设计了串口数据解析程序和用于乙烯浓度曲线显示的GUI程序，并提出了一种降低传感器温漂的双温度补偿算法。
(4)搭建了乙烯气体传感器的测试装置并对相关部件和传感器性能进行了测试。对锁相放大器电路的输入输出关系和信噪比进行测试，结果显示电路的输出信噪比被提高至52dB。在使用双温度补偿算法的条件下，测试了传感器的可检测浓度范围和灵敏度。该传感器检测稳定度可达1ppm，且检测限为1ppm，在1~95.3ppm浓度范围内相对误差不超过10%，可以应用到水果成熟度检测等领域。
本文主要开展了以下方面的工作：
(1)对乙烯气体传感器涉及的相关理论基础和原理进行总结和分析。首先，从原子和分子振动角度讨论乙烯吸收红外光谱，详细分析双波长差分法消除光源波动和探测器误差的原理，研究红外反射光路设计方法。然后，介绍锁相放大器抑制电路噪声原理和实现方法，以及修正的朗伯-比尔定律。
(2)进行了乙烯气体传感器硬件系统设计和制作。硬件系统可分为气室和反射镜模块、双通道锁相放大器模块以及信号控制和数据处理模块。首先分析红外光源和探测器驱动原理，然后利用Zemax软件设计高效率的红外反射光路结构，提升探测器响应率，仿真表明设计的光路传输效率达到92%，并利用激光3D打印技术制作了光学气体吸收腔室。其次，结合理论计算和数值仿真设计锁相放大器电路。最后，设计模数转换器电路、STM32单片机电路、温度传感器电路和系统电源。
(3)开展了乙烯气体传感器软件的程序设计。在STM32单片机上设计了驱动模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)的SPI程序、与温湿度传感器通信的I2C程序、调制光源的PWM程序以及负责数据传输DMA+UART程序。在上位机程序中，设计了串口数据解析程序和用于乙烯浓度曲线显示的GUI程序，并提出了一种降低传感器温漂的双温度补偿算法。
(4)搭建了乙烯气体传感器的测试装置并对相关部件和传感器性能进行了测试。对锁相放大器电路的输入输出关系和信噪比进行测试，结果显示电路的输出信噪比被提高至52dB。在使用双温度补偿算法的条件下，测试了传感器的可检测浓度范围和灵敏度。该传感器检测稳定度可达1ppm，且检测限为1ppm，在1~95.3ppm浓度范围内相对误差不超过10%，可以应用到水果成熟度检测等领域。