基于NDIR原理的高灵敏度便携式气体检测系统研究

发布时间：2017-09-17 15:36

  本文关键词：基于NDIR原理的高灵敏度便携式气体检测系统研究

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【摘要】：随着煤矿工业的迅猛发展,我国煤矿安全生产隐患也日益突出,主要表现在煤矿瓦斯超标严重,因此在煤矿安全生产中,可靠、精确、实时实地地监控瓦斯(主要成分是CH4)浓度是预防煤矿瓦斯爆炸事故发生的重要手段。但目前使用甲烷检测仪检测精度、稳定性都很低,鉴于此,本文基于非色散红外吸收(NDIR)原理及吸收强度是甲烷浓度的函数关系,进行了便携式甲烷气体检测系统的研究设计。 整个系统包括热释电探测器和硬件系统电路。探测器包括红外光源、非聚焦设计的光学腔室、电可擦除只读存储器(EEPROM)及用于温度补偿的热敏电阻；硬件系统电路包括电源、含信号采集的微处理器系统、灯驱动电路、信号的滤波放大电路、EEPROM内数据下载电路、液晶显示电路、报警电路、晶体定时电路、数码管显示电路、RS232接口电路和数据存储等。探测器选用IRceL(?)系列的微型红外气体传感器,其内部集成温度补偿模块,我们可以通过读取和更改传感器内电可擦除存储器的参数对传感器探头进行标定和校零。 微处理器采用Freescale半导体公司的32位Kinetis K60系列微控制器中的MK60DN512ZVLL10型号最小系统,由传感器输出的双通道信号值及温度值经滤波和放大后被微处理器自带16位ADC采集处理,最后经过软件滤波及浓度标定,得出浓度值。工作人员升井后可以通过RS232串口连接计算机下载EEPROM内参数及检测数据进行分析,并进行浓度阈值设定。 在实验室条件下,对系统进行了气体吸收实验,对实验结果数据进行曲线拟合、误差分析及标定,结果证明了基于红外吸收原理的高灵敏度便携式气体检测系统在误差范围内有较好的重复性,测量精度高,稳定性好。
【关键词】：NDIR原理 高灵敏度 便携式 甲烷浓度检测
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP274;TD712.55
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 甲烷检测技术概述11-13
• 1.3 红外吸收型甲烷检测仪的国内外研究现状13-14
• 1.4 论文主要的研究内容14-15
• 第2章 NDIR原理传感器的工作原理15-19
• 2.1 Lambert-Beer定律15-16
• 2.2 光谱吸收差分检测方法介绍16-17
• 2.3 NDIR原理检测传感器的优点17
• 2.4 本章小结17-19
• 第3章 甲烷气体检测系统的硬件设计19-38
• 3.1 系统的总体设计19
• 3.2 红外传感器的确定19-27
• 3.2.1 光路系统简介19-20
• 3.2.2 红外光源20-21
• 3.2.3 红外探测器21-23
• 3.2.4 传感器的选定及具体介绍23-27
• 3.3 系统的硬件设计27-36
• 3.3.1 单片机的选定27-28
• 3.3.2 MK60DN512ZVLL10最小系统28-30
• 3.3.3 红外灯驱动电路30-31
• 3.3.4 滤波及放大电路31-32
• 3.3.5 热敏电阻电路32-33
• 3.3.6 EEPROM电路33
• 3.3.7 串口电路33-34
• 3.3.8 OLED显示电路34-35
• 3.3.9 数码管显示电路35-36
• 3.3.10 声光报警电路36
• 3.4 便携式设计36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 甲烷气体检测系统的软件设计38-45
• 4.1 软件开发环境介绍38-39
• 4.2 主程序流程39-40
• 4.3 数据采集及处理40-41
• 4.4 浓度的线性标定41-42
• 4.5 串口通信42-43
• 4.6 OLED显示43-44
• 4.7 本章小结44-45
• 第5章 系统的实验结果与误差分析45-50
• 5.1 配置甲烷气体浓度45
• 5.2 实验过程分析45-49
• 5.2.1 气体吸收实验45-47
• 5.2.2 重复性试验47-48
• 5.2.3 稳定性试验48-49
• 5.3 试验的误差分析49
• 5.4 本章小结49-50
• 结论50-52
• 参考文献52-55
• 致谢55-56
• 攻读硕士学位期间主要的科研任务与成果56

【参考文献】

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本文编号：870239