非分光紅外甲烷分析儀的研究與設(shè)計(jì)

【摘要】： 隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，礦井、油田、電力系統(tǒng)安全保護(hù)以及環(huán)境保護(hù)成為越來(lái)越值得重視的問(wèn)題。數(shù)以萬(wàn)計(jì)的大型工廠和礦業(yè)部門排放出大量的易燃、易爆、有毒、有害氣體，使人類的生存環(huán)境和人身安全受到嚴(yán)重威脅，因此對(duì)這些氣體進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)于工礦安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)有特別重要的意義。 本論文以礦井瓦斯的主要成份甲烷為目標(biāo)氣體，設(shè)計(jì)了一種基于非分光紅外檢測(cè)技術(shù)的甲烷分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)氣體傳感器易中毒、檢測(cè)范圍窄、防爆性差等缺點(diǎn)，具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、防燃防爆、防電磁干擾、不易中毒等優(yōu)點(diǎn)?？蓪鞲衅鞣胖迷谌撕蛢x器不易進(jìn)入的易燃易爆、有毒等惡劣環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)在線遙測(cè)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)甲烷濃度、及時(shí)報(bào)警，避免瓦斯爆炸事故發(fā)生的目的。通過(guò)對(duì)白熾燈、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器各項(xiàng)性能的比較，選擇具有特殊光譜的白熾燈及帶濾光片的紅外探頭分別作為紅外光源和紅外探測(cè)器，同國(guó)外光學(xué)甲烷傳感器相比，大大降低了成本，為紅外光甲烷分析儀的推廣奠定了基礎(chǔ)。 本課題通過(guò)對(duì)氣體紅外選擇性吸收的理論分析，確定了甲烷氣體的吸收譜線，給出了氣體吸收測(cè)量的理論依據(jù)。設(shè)計(jì)了差分光路的檢測(cè)方法，利用差分的方法消除了光源和光路的不穩(wěn)定以及光電器件零漂的影響。文中對(duì)氣體檢測(cè)的方法、探測(cè)器的原理、紅外探測(cè)的氣室光路結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境因素的影響等做了詳細(xì)的闡述。 本課題設(shè)計(jì)了完整的非分光紅外甲烷分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇了合適的器件包括紅外光源、氣室、紅外濾光片、紅外探測(cè)器等。在電子系統(tǒng)方面設(shè)計(jì)了光源驅(qū)動(dòng)電路、放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及DSP控制電路等。文中對(duì)如何應(yīng)用DSP來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集、處理判斷、數(shù)據(jù)的顯示和傳輸?shù)纫幌盗泄δ茏髁朔治龊完U述。微控制器的應(yīng)用使整個(gè)系統(tǒng)很簡(jiǎn)單地通過(guò)一個(gè)DSP就控制起來(lái)，從而使整個(gè)系統(tǒng)功耗大大降低、體積微型化。 最后進(jìn)行了甲烷分析儀的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了擬合曲線及誤差分析，結(jié)果證明了非分光紅外甲烷分析系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目的，具有一定的精度及良好的穩(wěn)定性。 【關(guān)鍵詞】：紅外吸收 非分光紅外 甲烷氣體 DSP 差分吸收檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：TH83
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 緒論14-24
• 1.1 課題研究的背景和現(xiàn)實(shí)意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外氣體檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展情況15-20
• 1.2.1 電氣法15-16
• 1.2.2 電化學(xué)法16-17
• 1.2.3 氣相色譜法17
• 1.2.4 超聲法17-18
• 1.2.5 示蹤氣體濃度衰減法測(cè)量氣體濃度18
• 1.2.6 光譜法18-20
• 1.3 氣體分析儀的展望20-21
• 1.4 本課題研究的意義及主要工作21-24
• 1.4.1 本課題研究的意義21-22
• 1.4.2 本課題主要工作22-24
• 第二章 紅外甲烷氣體檢測(cè)原理24-34
• 2.1 氣體分子光譜理論24-25
• 2.2 紅外吸收原理25-30
• 2.3 紅外吸收原理優(yōu)點(diǎn)分析30-31
• 2.4 吸收光譜選擇分析31-34
• 第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及光路設(shè)計(jì)34-46
• 3.1 紅外光源34-39
• 3.1.1 激光紅外光源35
• 3.1.2 發(fā)光二極管35
• 3.1.3 白熾燈35-36
• 3.1.4 系統(tǒng)光源的確定36-39
• 3.2 氣室39
• 3.3 紅外探測(cè)器39-46
• 3.3.1 紅外光子探測(cè)器40-41
• 3.3.2 紅外熱探測(cè)器41
• 3.3.3 紅外探測(cè)器的確定41-46
• 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)46-76
• 4.1 DSP的特點(diǎn)與簡(jiǎn)介46-49
• 4.1.1 DSP的特點(diǎn)46-47
• 4.1.2 TI公司DSP簡(jiǎn)介47-48
• 4.1.3 TMS320C2000平臺(tái)介紹48-49
• 4.2 TMS320F2812的簡(jiǎn)介與特點(diǎn)49-51
• 4.3 光源驅(qū)動(dòng)電路51-53
• 4.4 放大濾波電路53-61
• 4.4.1 對(duì)放大電路的要求53-56
• 4.4.2 放大電路56-59
• 4.4.3 放大電路噪聲分析59-61
• 4.5 信號(hào)采樣模塊設(shè)計(jì)61-63
• 4.6 鍵盤電路設(shè)計(jì)63-65
• 4.7 顯示模塊65-66
• 4.8 溫度采集模塊66-69
• 4.9 串行通信接口69-70
• 4.10 電源模塊設(shè)計(jì)70-71
• 4.11 時(shí)鐘電路71
• 4.12 復(fù)位電路71-73
• 4.13 仿真接口電路73-74
• 4.14 抗干擾設(shè)計(jì)74-75
• 4.15 硬件調(diào)試75-76
• 第五章 數(shù)字信號(hào)處理76-90
• 5.1 數(shù)字信號(hào)處理簡(jiǎn)介及優(yōu)點(diǎn)76-77
• 5.2 數(shù)字濾波技術(shù)77-90
• 5.2.1 FIR濾波器及其特點(diǎn)78-80
• 5.2.2 FIR濾波器設(shè)計(jì)方法80-85
• 5.2.3 幾種窗口函數(shù)85-90
• 第六章 開(kāi)發(fā)平臺(tái)及軟件設(shè)計(jì)90-106
• 6.1 DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS90-92
• 6.1.1 CCS的安裝與設(shè)置90-92
• 6.1.2 CCS開(kāi)發(fā)流程92
• 6.2 XDS510仿真器與目標(biāo)板92-93
• 6.3 C編譯器及編程方法簡(jiǎn)介93-94
• 6.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)94-104
• 6.4.1 TMS320F2812的初始化模塊95-96
• 6.4.2 看門狗模塊96
• 6.4.3 定時(shí)器模塊96-97
• 6.4.4 光源驅(qū)動(dòng)模塊97-98
• 6.4.5 數(shù)據(jù)采集模塊98-99
• 6.4.6 數(shù)字濾波模塊99-100
• 6.4.7 顯示模塊100
• 6.4.8 串口通訊設(shè)計(jì)100-103
• 6.4.9 鍵盤掃描程序103-104
• 6.5 軟件調(diào)試104-106
• 第七章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析106-120
• 7.1 數(shù)據(jù)處理及測(cè)量誤差的基本知識(shí)106-107
• 7.1.1 絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差106-107
• 7.1.2 回歸分析法107
• 7.2 理論推導(dǎo)107-110
• 7.3 光源驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)110
• 7.4 FIR濾波實(shí)驗(yàn)110-112
• 7.5 甲烷吸收試驗(yàn)112-117
• 7.5.1 零點(diǎn)定標(biāo)112
• 7.5.2 甲烷氣體吸收實(shí)驗(yàn)112-114
• 7.5.3 差分實(shí)驗(yàn)114
• 7.5.4 交叉靈敏度實(shí)驗(yàn)114-115
• 7.5.5 示值對(duì)比實(shí)驗(yàn)115-116
• 7.5.6 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)116-117
• 7.5.7 穩(wěn)定度測(cè)定實(shí)驗(yàn)117
• 7.6 測(cè)量結(jié)果誤差分析117-120
• 總結(jié)與展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-125
• 附錄1125-128
• 附錄2128-131
• 附錄3131-134
• 致謝134-135
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文135

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