基于紅外吸收原理的甲烷濃度檢測的實驗研究

【摘要】：保證煤礦安全生產(chǎn)一直是我國能源產(chǎn)業(yè)的工作重點(diǎn)，然而瓦斯爆炸事故頻發(fā)給國家造成了重大財產(chǎn)損失和嚴(yán)重威脅人民的生命安全。目前國內(nèi)用于測定和標(biāo)定瓦斯?jié)舛鹊姆治鰞x大多數(shù)實時性、穩(wěn)定性和靈敏度等方面都有待提高，而國外一些大型廠家和研發(fā)機(jī)構(gòu)在這方面已經(jīng)有了相對成熟的產(chǎn)品，但是價格昂貴?；诩淄闅怏w對紅外輻射的選擇性吸收原理以及吸收強(qiáng)度是甲烷濃度的函數(shù)這一關(guān)系，進(jìn)行了甲烷濃度檢測系統(tǒng)的實驗研究。 通過分析和比較多種氣體濃度檢測方法，根據(jù)檢測系統(tǒng)的測量要求和應(yīng)用環(huán)境，選擇紅外吸收原理作為本檢測系統(tǒng)的理論方法。比較白熾燈、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器的各項性能，光源采用白熾燈IRL715，發(fā)出的光覆蓋從可見光到5μm的波段。分析了探測器的性能指標(biāo)，選用的是熱釋電探測器PYS3228，其內(nèi)部集成了兩個將紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電壓信號的焦熱電元件，在封裝外殼開了兩個窗口，在兩個焦熱電元件前分別裝配了兩個窄帶濾光片，中心波長分別為3.31μm和4μm。 根據(jù)所選光源和探測器的特點(diǎn)，設(shè)計了合理的光源調(diào)制電路和信號調(diào)理電路。采用STM32單片機(jī)作為檢測儀的核心處理器，完成信號采集處理、濃度轉(zhuǎn)換、聲光報警等功能。以單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計了系統(tǒng)電源電路、光源調(diào)制電路、基本放大電路、鎖相放大電路、顯示電路以及聲光報警電路，通過對單片機(jī)編程實現(xiàn)各模塊的功能。當(dāng)甲烷濃度超過預(yù)先設(shè)定的報警閾值時，產(chǎn)生聲光報警信號。 論文對檢測系統(tǒng)進(jìn)行了氣體吸收實驗，重復(fù)性實驗和穩(wěn)定性實驗。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)給出了擬合曲線及誤差分析，并進(jìn)行了簡單的標(biāo)定，結(jié)果證明基于紅外吸收原理的甲烷濃度檢測系統(tǒng)具有一定的精度和良好的穩(wěn)定性。 【關(guān)鍵詞】：甲烷氣體 差分吸收法 微弱信號 濃度檢測
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP274;TD712.55
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 課題的研究背景及研究意義10
• 1.2 甲烷氣體檢測的基本方法10-12
• 1.3 紅外選擇性吸收原理甲烷檢測儀的發(fā)展現(xiàn)狀12-14
• 1.4 課題來源及論文的主要研究內(nèi)容14-16
• 第2章 紅外甲烷氣體檢測的基本原理16-24
• 2.1 氣體紅外選擇性吸收原理16-17
• 2.2 比爾-朗伯定律17
• 2.3 氣體分子光譜理論17-20
• 2.4 光譜吸收檢測方法20-22
• 2.5 紅外選擇性吸收原理的優(yōu)點(diǎn)22-23
• 2.6 本章小結(jié)23-24
• 第3章 甲烷檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計24-49
• 3.1 紅外吸收型檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計24
• 3.2 光路系統(tǒng)的設(shè)計24-32
• 3.2.1 氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計24-25
• 3.2.2 紅外光源的選擇25-27
• 3.2.3 紅外探測器的特性27-29
• 3.2.4 紅外探測器的分類29-31
• 3.2.5 紅外探測器的確定31-32
• 3.3 電路系統(tǒng)的硬件設(shè)計32-47
• 3.3.1 單片機(jī)的選定32-35
• 3.3.2 STM32最小系統(tǒng)35-37
• 3.3.3 光源驅(qū)動電路37
• 3.3.4 光源的調(diào)制電路37-39
• 3.3.5 信號調(diào)理電路39-44
• 3.3.6 數(shù)據(jù)儲存電路44-45
• 3.3.7 串口通信45-46
• 3.3.8 液晶顯示電路46-47
• 3.3.9 聲光報警電路47
• 3.4 本章小結(jié)47-49
• 第4章 甲烷氣體檢測數(shù)據(jù)處理與軟件設(shè)計49-61
• 4.1. 軟件開發(fā)平臺49-51
• 4.2 軟件主程序的設(shè)計51-52
• 4.3 軟件的模塊設(shè)計52-59
• 4.3.1 PWM光源調(diào)制52-53
• 4.3.2 數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計53
• 4.3.3 數(shù)據(jù)處理53-55
• 4.3.4 濃度轉(zhuǎn)換55-57
• 4.3.5 串口通信57-58
• 4.3.6 LCD顯示程序58-59
• 4.3.7 聲光報警程序59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 第5章 甲烷氣體檢測系統(tǒng)的實驗研究61-67
• 5.1 甲烷氣體濃度的配置61
• 5.2 實驗過程61-64
• 5.2.1 甲烷氣體吸收實驗61-63
• 5.2.2 重復(fù)性試驗63-64
• 5.2.3 穩(wěn)定性實驗64
• 5.3 實驗誤差分析64-65
• 5.4 本章小結(jié)65-67
• 結(jié)論67-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果73-74
• 致謝74-75
• 作者簡介75

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