基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制

【摘要】：煤炭资源是目前我国的主要基础能源,在开采过程中所产生的瓦斯气体其主要成分是甲烷。虽然国家对安全生产工作,常抓不懈,但是由于瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故,却从未中断。甲烷气体尽管不是大气的主要成分,它对温室效应造成的影响却远比二氧化碳大得多。无论从环境保护角度,还是安全生产方面,对甲烷气体的实时精确检测都显得尤为重要。为了了解目前的研究动向及进展,对国内外红外检测技术进行了调研分析。自二十世纪七十年代末开始,欧洲就有学者利用光谱吸收法对大气污染进行监测。随后又有科研工作者从红外光谱理论、椭球形光学气室、光学热敏元件、优化探测器布局、信号调理、激光发射器等多方面进行了研究,而且取得了重大的进展,已经将实验室技术推广到了工业应用。国内红外检测技术,起步晚,发展迅猛,从光学吸收池、光路信号、检测系统、分子光谱理论等多角度进行了研究,取得了一定的进展,但距离工业应用还有一定的差距。从分子光谱理论角度,对红外检测甲烷气体进行了理论分析,在基础理论之上对空气中常见气体分子,使用HITRAN Database进行了红外光谱图的模拟,得出理论上红外技术检测甲烷气体的可行性。针对朗伯-比尔定律,提出吸收截面系数、光程长度、光的强度难以精确测量的三个检测问题,经过一系列理论推导、论证,建立了基于反射光模型的红外甲烷传感器模型。在模型基础上,借助已有的传感探头,设计了用以控制整个传感器的主控电路板,负责电源供给的电源电路,提供相关电压转换的电路,设计了传感探头接口电路,处理微弱信号的放大滤波电路,调试接口JTAG接口电路。在完成了电路板的焊接之后,对信号处理电路进行了性能分析比较。为了进行标定实验,搭建了标定实验平台,以1-Wire总线通信协议将标定实验数据写入、读出DS2431芯片,配合单片机进行了浓度计算模块的设计,并进行了实验测试。在排除其他干扰的实验测试基础上,得出温度对传感器精度的影响最大,基于传热学理论基础,对光学气室进行了导热、对流的热分析数值模拟,并提出了实用的温度补偿计算算法,经实验验证:该算法在0-4%浓度范围内,相比未补偿前,具有较高的精确度及稳定性。 【关键词】：红外 甲烷传感器 HITRAN Database 放大滤波 浓度计算 标定实验 温度补偿
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究动态11-14
• 1.2.1 国外研究动态11-13
• 1.2.2 国内研究动态13-14
• 1.3 本课题的研究内容及方法14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第二章 检测理论及检测模型16-28
• 2.1 检测理论16-22
• 2.1.1 分子光谱理论16-18
• 2.1.2 HITRAN红外光谱图研究18-22
• 2.2 检测模型22-26
• 2.2.1 吸收光谱检测技术22-23
• 2.2.2 模型建立23-26
• 2.3 本章小结26-28
• 第三章 硬件部分28-44
• 3.1 硬件部分28-33
• 3.1.1 系统原理图28-29
• 3.1.2 传感头部分29-30
• 3.1.3 主控电路部分30-31
• 3.1.4 电源提供及电压转换31-32
• 3.1.5 传感探头接口电路32-33
• 3.2 温度监测模块33-35
• 3.3 JTAG调试模块35-36
• 3.4 信号处理电路36-38
• 3.5 PCB板的制作38-41
• 3.5.1 PCB电路板布置原则38
• 3.5.2 设计PCB板38-41
• 3.6 性能研究41-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第四章 浓度计算模块及实验测试44-58
• 4.1 1-Wire总线通信协议44-48
• 4.1.1 单总线处理流程44-45
• 4.1.2 操作时序45-48
• 4.2 浓度计算模块的设计及实现48-55
• 4.2.1 标定实验平台搭建48-49
• 4.2.2 上位机通信模块的波特率设置49-51
• 4.2.3 浓度计算模块51-55
• 4.3 实验测试55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 温度补偿的研究58-70
• 5.1 温度问题58
• 5.2 气室温度场的数值模拟58-62
• 5.2.1 传热学分析58-60
• 5.2.2 温度场数值模拟60-62
• 5.3 温度补偿62-65
• 5.3.1 理论推导62-64
• 5.3.2 两个温度补偿系数的推导64-65
• 5.4 补偿后的实验测试65-68
• 5.4.1 预热处理65-66
• 5.4.2 实验测试66-68
• 5.5 本章小结68-70
• 第六章 总结与展望70-74
• 6.1 论文工作总结70-71
• 6.2 未来工作展望71-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文82

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