非分光红外甲烷分析仪的研究与设计

【摘要】： 随着工农业的迅速发展，矿井、油田、电力系统安全保护以及环境保护成为越来越值得重视的问题。数以万计的大型工厂和矿业部门排放出大量的易燃、易爆、有毒、有害气体，使人类的生存环境和人身安全受到严重威胁，因此对这些气体进行快速、实时检测对于工矿安全生产及环境保护有特别重要的意义。 本论文以矿井瓦斯的主要成份甲烷为目标气体，设计了一种基于非分光红外检测技术的甲烷分析系统。该系统克服了国内传统气体传感器易中毒、检测范围窄、防爆性差等缺点，具有响应速度快、动态范围大、防燃防爆、防电磁干扰、不易中毒等优点。可将传感器放置在人和仪器不易进入的易燃易爆、有毒等恶劣环境中，实现在线遥测，从而达到实时检测甲烷浓度、及时报警，避免瓦斯爆炸事故发生的目的。通过对白炽灯、发光二极管、半导体激光器各项性能的比较，选择具有特殊光谱的白炽灯及带滤光片的红外探头分别作为红外光源和红外探测器，同国外光学甲烷传感器相比，大大降低了成本，为红外光甲烷分析仪的推广奠定了基础。 本课题通过对气体红外选择性吸收的理论分析，确定了甲烷气体的吸收谱线，给出了气体吸收测量的理论依据。设计了差分光路的检测方法，利用差分的方法消除了光源和光路的不稳定以及光电器件零漂的影响。文中对气体检测的方法、探测器的原理、红外探测的气室光路结构、外界环境因素的影响等做了详细的阐述。 本课题设计了完整的非分光红外甲烷分析仪的系统结构，选择了合适的器件包括红外光源、气室、红外滤光片、红外探测器等。在电子系统方面设计了光源驱动电路、放大滤波电路、模数转换电路及DSP控制电路等。文中对如何应用DSP来完成数据的采集、处理判断、数据的显示和传输等一系列功能作了分析和阐述。微控制器的应用使整个系统很简单地通过一个DSP就控制起来，从而使整个系统功耗大大降低、体积微型化。 最后进行了甲烷分析仪的实验室实验，并结合实验数据给出了拟合曲线及误差分析，结果证明了非分光红外甲烷分析系统达到了预期的目的，具有一定的精度及良好的稳定性。 【关键词】：红外吸收 非分光红外 甲烷气体 DSP 差分吸收检测
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH83
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 课题研究的背景和现实意义14-15
• 1.2 国内外气体检测技术的发展情况15-20
• 1.2.1 电气法15-16
• 1.2.2 电化学法16-17
• 1.2.3 气相色谱法17
• 1.2.4 超声法17-18
• 1.2.5 示踪气体浓度衰减法测量气体浓度18
• 1.2.6 光谱法18-20
• 1.3 气体分析仪的展望20-21
• 1.4 本课题研究的意义及主要工作21-24
• 1.4.1 本课题研究的意义21-22
• 1.4.2 本课题主要工作22-24
• 第二章 红外甲烷气体检测原理24-34
• 2.1 气体分子光谱理论24-25
• 2.2 红外吸收原理25-30
• 2.3 红外吸收原理优点分析30-31
• 2.4 吸收光谱选择分析31-34
• 第三章 系统结构及光路设计34-46
• 3.1 红外光源34-39
• 3.1.1 激光红外光源35
• 3.1.2 发光二极管35
• 3.1.3 白炽灯35-36
• 3.1.4 系统光源的确定36-39
• 3.2 气室39
• 3.3 红外探测器39-46
• 3.3.1 红外光子探测器40-41
• 3.3.2 红外热探测器41
• 3.3.3 红外探测器的确定41-46
• 第四章 系统硬件电路设计46-76
• 4.1 DSP的特点与简介46-49
• 4.1.1 DSP的特点46-47
• 4.1.2 TI公司DSP简介47-48
• 4.1.3 TMS320C2000平台介绍48-49
• 4.2 TMS320F2812的简介与特点49-51
• 4.3 光源驱动电路51-53
• 4.4 放大滤波电路53-61
• 4.4.1 对放大电路的要求53-56
• 4.4.2 放大电路56-59
• 4.4.3 放大电路噪声分析59-61
• 4.5 信号采样模块设计61-63
• 4.6 键盘电路设计63-65
• 4.7 显示模块65-66
• 4.8 温度采集模块66-69
• 4.9 串行通信接口69-70
• 4.10 电源模块设计70-71
• 4.11 时钟电路71
• 4.12 复位电路71-73
• 4.13 仿真接口电路73-74
• 4.14 抗干扰设计74-75
• 4.15 硬件调试75-76
• 第五章 数字信号处理76-90
• 5.1 数字信号处理简介及优点76-77
• 5.2 数字滤波技术77-90
• 5.2.1 FIR滤波器及其特点78-80
• 5.2.2 FIR滤波器设计方法80-85
• 5.2.3 几种窗口函数85-90
• 第六章 开发平台及软件设计90-106
• 6.1 DSP集成开发环境CCS90-92
• 6.1.1 CCS的安装与设置90-92
• 6.1.2 CCS开发流程92
• 6.2 XDS510仿真器与目标板92-93
• 6.3 C编译器及编程方法简介93-94
• 6.4 系统程序设计94-104
• 6.4.1 TMS320F2812的初始化模块95-96
• 6.4.2 看门狗模块96
• 6.4.3 定时器模块96-97
• 6.4.4 光源驱动模块97-98
• 6.4.5 数据采集模块98-99
• 6.4.6 数字滤波模块99-100
• 6.4.7 显示模块100
• 6.4.8 串口通讯设计100-103
• 6.4.9 键盘扫描程序103-104
• 6.5 软件调试104-106
• 第七章 实验数据分析106-120
• 7.1 数据处理及测量误差的基本知识106-107
• 7.1.1 绝对误差与相对误差106-107
• 7.1.2 回归分析法107
• 7.2 理论推导107-110
• 7.3 光源驱动试验110
• 7.4 FIR滤波实验110-112
• 7.5 甲烷吸收试验112-117
• 7.5.1 零点定标112
• 7.5.2 甲烷气体吸收实验112-114
• 7.5.3 差分实验114
• 7.5.4 交叉灵敏度实验114-115
• 7.5.5 示值对比实验115-116
• 7.5.6 重复性实验116-117
• 7.5.7 稳定度测定实验117
• 7.6 测量结果误差分析117-120
• 总结与展望120-122
• 参考文献122-125
• 附录1125-128
• 附录2128-131
• 附录3131-134
• 致谢134-135
• 攻读硕士期间发表的论文135

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