基于红外吸收原理的甲烷浓度检测的实验研究

【摘要】：保证煤矿安全生产一直是我国能源产业的工作重点，然而瓦斯爆炸事故频发给国家造成了重大财产损失和严重威胁人民的生命安全。目前国内用于测定和标定瓦斯浓度的分析仪大多数实时性、稳定性和灵敏度等方面都有待提高，而国外一些大型厂家和研发机构在这方面已经有了相对成熟的产品，但是价格昂贵。基于甲烷气体对红外辐射的选择性吸收原理以及吸收强度是甲烷浓度的函数这一关系，进行了甲烷浓度检测系统的实验研究。 通过分析和比较多种气体浓度检测方法，根据检测系统的测量要求和应用环境，选择红外吸收原理作为本检测系统的理论方法。比较白炽灯、发光二极管、半导体激光器的各项性能，光源采用白炽灯IRL715，发出的光覆盖从可见光到5μm的波段。分析了探测器的性能指标，选用的是热释电探测器PYS3228，其内部集成了两个将红外辐射能量转化为电压信号的焦热电元件，在封装外壳开了两个窗口，在两个焦热电元件前分别装配了两个窄带滤光片，中心波长分别为3.31μm和4μm。 根据所选光源和探测器的特点，设计了合理的光源调制电路和信号调理电路。采用STM32单片机作为检测仪的核心处理器，完成信号采集处理、浓度转换、声光报警等功能。以单片机为基础，设计了系统电源电路、光源调制电路、基本放大电路、锁相放大电路、显示电路以及声光报警电路，通过对单片机编程实现各模块的功能。当甲烷浓度超过预先设定的报警阈值时，产生声光报警信号。 论文对检测系统进行了气体吸收实验，重复性实验和稳定性实验。结合实验数据给出了拟合曲线及误差分析，并进行了简单的标定，结果证明基于红外吸收原理的甲烷浓度检测系统具有一定的精度和良好的稳定性。 【关键词】：甲烷气体 差分吸收法 微弱信号 浓度检测
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP274;TD712.55
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题的研究背景及研究意义10
• 1.2 甲烷气体检测的基本方法10-12
• 1.3 红外选择性吸收原理甲烷检测仪的发展现状12-14
• 1.4 课题来源及论文的主要研究内容14-16
• 第2章 红外甲烷气体检测的基本原理16-24
• 2.1 气体红外选择性吸收原理16-17
• 2.2 比尔-朗伯定律17
• 2.3 气体分子光谱理论17-20
• 2.4 光谱吸收检测方法20-22
• 2.5 红外选择性吸收原理的优点22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第3章 甲烷检测系统的硬件设计24-49
• 3.1 红外吸收型检测系统的总体设计24
• 3.2 光路系统的设计24-32
• 3.2.1 气室结构的设计24-25
• 3.2.2 红外光源的选择25-27
• 3.2.3 红外探测器的特性27-29
• 3.2.4 红外探测器的分类29-31
• 3.2.5 红外探测器的确定31-32
• 3.3 电路系统的硬件设计32-47
• 3.3.1 单片机的选定32-35
• 3.3.2 STM32最小系统35-37
• 3.3.3 光源驱动电路37
• 3.3.4 光源的调制电路37-39
• 3.3.5 信号调理电路39-44
• 3.3.6 数据储存电路44-45
• 3.3.7 串口通信45-46
• 3.3.8 液晶显示电路46-47
• 3.3.9 声光报警电路47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 甲烷气体检测数据处理与软件设计49-61
• 4.1. 软件开发平台49-51
• 4.2 软件主程序的设计51-52
• 4.3 软件的模块设计52-59
• 4.3.1 PWM光源调制52-53
• 4.3.2 数据采集的程序设计53
• 4.3.3 数据处理53-55
• 4.3.4 浓度转换55-57
• 4.3.5 串口通信57-58
• 4.3.6 LCD显示程序58-59
• 4.3.7 声光报警程序59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 甲烷气体检测系统的实验研究61-67
• 5.1 甲烷气体浓度的配置61
• 5.2 实验过程61-64
• 5.2.1 甲烷气体吸收实验61-63
• 5.2.2 重复性试验63-64
• 5.2.3 稳定性实验64
• 5.3 实验误差分析64-65
• 5.4 本章小结65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果73-74
• 致谢74-75
• 作者简介75

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