基于红外光谱吸收的甲烷气体在线监测系统设计

发布时间：2017-10-23 16:08

  本文关键词：基于红外光谱吸收的甲烷气体在线监测系统设计

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【摘要】：甲烷(CH4)是一种重要的温室气体,在所有温室气体中,其含量仅仅比二氧化碳(C02)低,其增温效果非常显著。单位摩尔CH4的辐射强度是C02的21～23倍,对全球气候变暖的贡献率约占15%。农田是甲烷气体最主要的排放源之一,农田甲烷的排放速率及排放通量信息的快速获取是一项亟需解决的关键技术。目前普遍采用的静态箱-气相色谱法存在着采样程序繁琐、成本高、不能实时监测等缺点,难以满足农田甲烷低成本、快速检测要求。考虑甲烷气体分子对特定波长的红外辐射具有选择性吸收且吸收强度与甲烷浓度呈正相关,本文拟利用红外光谱吸收原理来对农田甲烷气体进行定量检测。设计了光电检测系统,结合以STM32F103VB为MCU的嵌入式技术、无线远程通信技术,开发了一套农田甲烷气体浓度检测系统,实现了对农田甲烷气体排放的在线监测。首先,重点阐述了分子吸收光谱形成原理、红外吸收原理以及差分吸收检测技术等理论,以此作为本设计的理论依据。其次,基于红外光谱吸收理论设计了甲烷检测系统。由于农田甲烷气体排放量少,信噪比较低,为提高检测精度以及结合成本考虑,使用了差分吸收检测。在光路方面,通过理论分析以及针对各类光源与探测器性能比较,优选了红外光源IRL715和双通道热释电探测器PYS3228,并通过气室结构设计实现了甲烷传感系统：电路方面,以STM32为微控制单元设计了系统电源、光源驱动与调制、信号调理、SD卡存储、时钟、串口通讯等模块;软件方面通过对STM32嵌入式软件编程实现对探测器信号的AD读取,经运算得到甲烷浓度。服务器端设计有上位机软件并构建数据库,采集的数据经过GPRS模块上传至服务器端数据库,同时在本地SD卡存储,基于数据库构建了web端。根据以上所述设计了甲烷气体在线监测系统。最后,对甲烷监测系统作了实验分析。首先进行了系统标定实验,包括零点标定以及甲烷气体吸收实验,根据实验数据拟合了系统特性曲线;其次对系统性能进行了测试实验,结果表明：设计的系统重复性与稳定性较好。通过对实验麦田现场监测实验,证明了该系统达到了农田现场监测的要求。
【关键词】：红外吸收 甲烷 在线监测 嵌入式系统
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.33;TP274
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 选题背景和意义11-12
• 1.2 甲烷气体检测技术的发展概况12-14
• 1.3 红外甲烷检测技术国内外研究现状14-15
• 1.4 论文主要研究内容15-17
• 第二章 红外甲烷气体检测原理17-25
• 2.1 气体分子光谱理论17-18
• 2.1.1 分子内部运动与能级17-18
• 2.1.2 红外吸收光谱产生条件18
• 2.2 甲烷气体分子吸收谱线18-19
• 2.3 红外甲烷吸收检测基本原理与检测方法19-23
• 2.3.1 朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律19-20
• 2.3.2 光谱吸收检测方法20-23
• 2.4 甲烷浓度检测理论推导23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 甲烷气体在线监测系统硬件设计25-45
• 3.1 系统总体结构25-26
• 3.2 光路系统设计26-32
• 3.2.1 红外光源选型26-28
• 3.2.2 探测器选型28-30
• 3.2.3 气室结构设计30-32
• 3.3 电路系统设计32-44
• 3.3.1 控制器选型32-33
• 3.3.2 STM32最小系统电路33-35
• 3.3.3 电源模块35-36
• 3.3.4 光源驱动与调制模块36-37
• 3.3.5 信号调理电路模块37-39
• 3.3.6 温度传感模块39-40
• 3.3.7 时钟模块40-41
• 3.3.8 数据存储模块41-42
• 3.3.9 RS-232串口通信模块42-43
• 3.3.10 GPRS模块43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 甲烷气体在线监测系统软件设计45-59
• 4.1 系统软件总体结构45
• 4.2 嵌入式软件设计45-56
• 4.2.1 嵌入式软件主程序设计45-46
• 4.2.2 系统初始化46-48
• 4.2.3 PWM光源调制48-49
• 4.2.4 数据采集程序设计49-51
• 4.2.5 数据处理程序设计51-52
• 4.2.6 SD卡驱动程序设计52-53
• 4.2.7 FatFs文件系统移植53-55
• 4.2.8 串口通信程序设计55-56
• 4.3 监控中心软件设计56-57
• 4.4 web数据库设计57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 甲烷气体在线监测系统实验及分析59-69
• 5.1 系统标定方案设计59-60
• 5.1.1 标定实验平台设计59
• 5.1.2 样机与实验装置59-60
• 5.2 标定实验60-63
• 5.2.1 零点标定61
• 5.2.2 气体吸收实验61-63
• 5.3 系统性能验证实验63-68
• 5.3.1 精度分析63-64
• 5.3.2 重复性实验64-65
• 5.3.3 稳定性实验65-66
• 5.3.4 现场监测实验66-68
• 5.3.5 误差来源分析68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果77

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本文编号：1084218