基于NDIR技术的双组分气体传感系统的设计与实现
发布时间：2022-10-17 16:13
随着我国经济的飞速发展,能源的需求量日渐增长,煤炭在我国的能源结构中有着无法撼动的地位。瓦斯是煤矿开采中各种有害气体的总称,其最主要的成分是CH4与CO2,瓦斯浓度过大易造成爆炸或人员窒息,为保证煤矿开采时工作人员的安全,对两种气体浓度进行检测至关重要。本文基于非分光红外技术（NDIR）开发了一款高精度、低成本、小型化的双组分气体传感系统,具体研究如下:在光学气室的设计中,利用Solid Works完成了包括直射式、反射式、双椭球式三种不同气室结构的3D建模,并利用光学软件Light Tools对其内腔中光路的传输进行了光学仿真与对比分析,进行了参数的确定,在绘制气室3D模型图的基础上采用3D打印技术制得气室模型。在硬件电路设计中,完成了供电电路、电压调理电路以及光源驱动电路的设计。通过结合外接电压与单片机定时器输出的方波脉冲,实现了光源的调制;红外探测器输出的电压信号经过放大、滤波处理达到可被微处理器识别的阈值;微处理器通过拟合函数可将电压数据转换为浓度信息,并传输至上位机系统。上位机系统部分,使用Qt平台实现计算机与微处理器的信息交互。结...
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 常见气体检测技术
1.3 国内外研究现状
1.4 本文的主要研究内容
第二章 非分光红外探测技术的基本原理
2.1 红外光谱吸收法
2.1.1 红外光谱吸收原理
2.1.2 CH_4与CO_2气体分子的特征光谱
2.2 朗伯-比尔定律
2.3 非分光红外检测技术
2.4 红外差分检测模型
2.5 本章小结
第三章 传感器气室设计与光路仿真
3.1 双组分气体传感器基本光路结构
3.1.1 双光束四通道
3.1.2 单光束三通道
3.1.3 单光束四通道
3.2 双组分气体传感器气室内腔设计
3.2.1 直射式气室结构
3.2.2 反射式气室结构
3.2.3 双椭球气室结构
3.3 气室光路仿真
3.3.1 气室3D模型图绘制
3.3.2 光路仿真分析
3.4 气室的制作
3.5 气室改进方案
3.6 本章小结
第四章 传感器系统总体设计与实现
4.1 系统设计
4.2 关键器件选型
4.2.1 红外光源
4.2.2 探测器及滤光片
4.3 传感器硬件设计
4.3.1 电路设计
4.3.2 控制部分
4.3.3 PCB电路板设计
4.4 传感器上位机系统设计
4.4.1 应用程序开发框架Qt
4.4.2 数据采集界面
4.5 本章小结
第五章 双组分气体传感器系统标定与性能测试
5.1 测试平台
5.2 双组分标定实验
5.2.1 甲烷气体的标定
5.2.2 二氧化碳气体的标定
5.3 传感器性能测试
5.3.1 精度测试
5.3.2 重复性实验
5.3.3 稳定性测试
5.4 误差分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]矿井内CH4与CO2双组分NDIR传感器的设计与实现[J]. 赵勇毅,常建华,沈婉,赵正杰,房久龙. 红外技术. 2019(08)
[2]光干涉式甲烷测定器和催化燃烧式甲烷检测报警仪的应用分析[J]. 王翠红. 中国标准化. 2019(04)
[3]SolidWorks软件在机械工程中的应用[J]. 李刚. 机械管理开发. 2018(08)
[4]红外甲烷气体传感器检测方法研究[J]. 申剑光. 计量与测试技术. 2018(07)
[5]机动车尾气NDIR传感器性能仿真分析[J]. 陈晨,张玉钧,何莹,尤坤,高彦伟. 红外技术. 2017(06)
[6]陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现[J]. 赵文杰,王欣,王暄,施云波,周真. 仪器仪表学报. 2016(07)
[7]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清. 材料工程. 2016(02)
[8]NDIR甲烷传感器电路设计与实现[J]. 李鑫,梁娜. 机械设计与制造. 2015(12)
[9]多气体红外光学传感器的研究[J]. 杨明亮,谭秋林,熊继军,罗涛. 科学技术与工程. 2014(16)
[10]袖珍式红外瓦斯检测仪的设计与实验[J]. 于鑫,高宗丽,宋楠,刘洋,郑传涛,王一丁. 光子学报. 2014(01)
硕士论文
[1]基于NDIR原理的CO2浓度传感器的制备与研究[D]. 袁博.电子科技大学 2019
[2]基于不分光红外法甲烷气体传感器的研究[D]. 郭晶晶.中国计量大学 2017
[3]基于NDIR技术的矿用瓦斯浓度检测报警装置[D]. 原亮.哈尔滨工业大学 2014
[4]TDLAS气体检测仪器的研制及算法研究[D]. 郭媛.天津大学 2014
[5]差分光学吸收在线测量有害气体研究[D]. 徐理明.电子科技大学 2010
[6]基于电化学传感器的多组分气体浓度检测仪[D]. 王秋花.西安理工大学 2010
[7]近红外光谱在线分析气体污染物的方法研究[D]. 孙毅.天津大学 2007
本文编号：3692385
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 常见气体检测技术
1.3 国内外研究现状
1.4 本文的主要研究内容
第二章 非分光红外探测技术的基本原理
2.1 红外光谱吸收法
2.1.1 红外光谱吸收原理
2.1.2 CH_4与CO_2气体分子的特征光谱
2.2 朗伯-比尔定律
2.3 非分光红外检测技术
2.4 红外差分检测模型
2.5 本章小结
第三章 传感器气室设计与光路仿真
3.1 双组分气体传感器基本光路结构
3.1.1 双光束四通道
3.1.2 单光束三通道
3.1.3 单光束四通道
3.2 双组分气体传感器气室内腔设计
3.2.1 直射式气室结构
3.2.2 反射式气室结构
3.2.3 双椭球气室结构
3.3 气室光路仿真
3.3.1 气室3D模型图绘制
3.3.2 光路仿真分析
3.4 气室的制作
3.5 气室改进方案
3.6 本章小结
第四章 传感器系统总体设计与实现
4.1 系统设计
4.2 关键器件选型
4.2.1 红外光源
4.2.2 探测器及滤光片
4.3 传感器硬件设计
4.3.1 电路设计
4.3.2 控制部分
4.3.3 PCB电路板设计
4.4 传感器上位机系统设计
4.4.1 应用程序开发框架Qt
4.4.2 数据采集界面
4.5 本章小结
第五章 双组分气体传感器系统标定与性能测试
5.1 测试平台
5.2 双组分标定实验
5.2.1 甲烷气体的标定
5.2.2 二氧化碳气体的标定
5.3 传感器性能测试
5.3.1 精度测试
5.3.2 重复性实验
5.3.3 稳定性测试
5.4 误差分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]矿井内CH4与CO2双组分NDIR传感器的设计与实现[J]. 赵勇毅,常建华,沈婉,赵正杰,房久龙. 红外技术. 2019(08)
[2]光干涉式甲烷测定器和催化燃烧式甲烷检测报警仪的应用分析[J]. 王翠红. 中国标准化. 2019(04)
[3]SolidWorks软件在机械工程中的应用[J]. 李刚. 机械管理开发. 2018(08)
[4]红外甲烷气体传感器检测方法研究[J]. 申剑光. 计量与测试技术. 2018(07)
[5]机动车尾气NDIR传感器性能仿真分析[J]. 陈晨,张玉钧,何莹,尤坤,高彦伟. 红外技术. 2017(06)
[6]陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现[J]. 赵文杰,王欣,王暄,施云波,周真. 仪器仪表学报. 2016(07)
[7]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清. 材料工程. 2016(02)
[8]NDIR甲烷传感器电路设计与实现[J]. 李鑫,梁娜. 机械设计与制造. 2015(12)
[9]多气体红外光学传感器的研究[J]. 杨明亮,谭秋林,熊继军,罗涛. 科学技术与工程. 2014(16)
[10]袖珍式红外瓦斯检测仪的设计与实验[J]. 于鑫,高宗丽,宋楠,刘洋,郑传涛,王一丁. 光子学报. 2014(01)
硕士论文
[1]基于NDIR原理的CO2浓度传感器的制备与研究[D]. 袁博.电子科技大学 2019
[2]基于不分光红外法甲烷气体传感器的研究[D]. 郭晶晶.中国计量大学 2017
[3]基于NDIR技术的矿用瓦斯浓度检测报警装置[D]. 原亮.哈尔滨工业大学 2014
[4]TDLAS气体检测仪器的研制及算法研究[D]. 郭媛.天津大学 2014
[5]差分光学吸收在线测量有害气体研究[D]. 徐理明.电子科技大学 2010
[6]基于电化学传感器的多组分气体浓度检测仪[D]. 王秋花.西安理工大学 2010
[7]近红外光谱在线分析气体污染物的方法研究[D]. 孙毅.天津大学 2007
本文编号：3692385
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