非色散红外甲烷传感器自动检定系统研究
发布时间：2020-12-25 21:30
在煤矿生产环境中,瓦斯爆炸一直是矿井下工作人员生命安全的最大威胁。瓦斯爆炸主要是矿井下瓦斯浓度过高所引发的灾难,因此,精准地测出甲烷浓度,对于控制瓦斯浓度,避免瓦斯爆炸事故的发生是一项必要的措施。为长期有效地检测甲烷浓度,需定期检定甲烷传感器。本课题在国家重点研发计划“矿山新型甲烷通风防尘安全仪器计量技术研究（2017YFF0205500）”的资助下,研制了插拔方便,可移动,能同时进行十二个传感器的自动检定,可适用于复杂光照条件下,多种输出信号,多种型号的非色散红外甲烷传感器自动检定系统。主要研究内容如下:本课题设计了检定系统的气体回路、基于STM32F407ZGT6的控制电路、对十二个甲烷传感器输出的电流及频率信号进行检测的电路、基于树莓派的传感器示值图像信号的采集识别及传输。为保证检定系统中不同功能模块之间的通信,频率计、电流表与单片机之间的通信采用RS485通信协议,并开发了自定义的单片机与上位机、树莓派之间的通信协议。由于系统多处供电电压不同且部分相互隔离,因此设计了2路独立的辅助电源,分别输出15V、-15V电压。上位机可完成数据实时显示、处理等功能,此外,上位机可通过串口通...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管道红外甲烷传感器结构图
工程硕士专业学位论文10与棱镜不同的是，滤光片不会将波长分成单波长，正因如此，该方法叫做非色散红外法。对于气体分子来说，当其与入射红外光相触时，若分子的特征吸收频率与入射光波长一致，则会使得该气体中的原子振动能级改变，被约束的原子之间运动会加强。气体吸收光谱后也会导致自身的温度升高。甲烷作为典型的非对称多原子气体对红外辐射有自己的光谱吸收特征，其具有两个红外光谱吸收带，对应的波长分别3.31um及7.66um[32]。图2-2非色散红外吸收法原理图Figure2-2Thepicturesofnon-dispersiveinfraredabsorptionmethod非色散红外甲烷探测技术将朗伯-比尔定律作为基础依据[33]，公式如下：()0KclIIe=（2-1）其中，I代表被测甲烷的接收光强度，0I代表入射光，K代表甲烷自身的光谱吸收系数，c代表甲烷的浓度值，l代表上述所提到光路长度。若上述提到的0I为一平行光源，假设介质厚度是1，因甲烷的分子数dN的吸收导致光强减弱为dI。由朗伯-比尔定律可得：1dI/I=-KdN（2-2）其中，1K代表比例常数，经过积分可得：1lnI=-KN+（2-3）其中，N为甲烷的分子总数，为积分常数，式2-1即可写为：10I=exp()exp(-KN)=exp()exp(-Kcl)=I(-Kcl)（2-4）每种气体的吸收系数K都各不相同，即使都是甲烷气体，也会随着入射光的波长而改变。若考虑甲烷气体中含有其他i种杂质气体，那么式2-1可写为：
进行图像去噪等处理是很有必要的，本节主要针对图像矫正、字符定位、字符分割做介绍，并给出仿真实验过程中的效果图。（1）图像矫正检定过程中传感器悬挂于检定柜中，无法避免有倾斜的情况，根据预设时间，到达甲烷传感器稳定浓度示值时，控制器会与树莓派进行通信，树莓派接收到相应信号调用OpenCV对当前视频的帧进行捕获，通过Canny算子[35]对捕获图片的边缘信息进行提龋通过霍夫变换算法对图像的直线进行检测，通过将平面空间中的图像转换至参数空间，来计算出矫正角，从而实现图像矫正。本文进行矫正的仿真结果如下图3-1所示，左边为捕获的原图，右边为矫正后的图像。图3-1图像矫正实验效果图Figure3-1Theeffectpicturesoftheimagecorrectionexperiment（2）区域定位经过图像增强算法对传感器数码显示值的红色区域部分进行处理，处理后传感器数码显示区域的红色要比原图更加明显，将增强后的RGB图像转换至HSV
【参考文献】：
期刊论文
[1]计量检定工作质量的影响因素及对策[J]. 陈明宇. 科技风. 2020(09)
[2]浅谈国家法定计量检定机构改革和发展[J]. 辜卫国,杨敬磊. 计量与测试技术. 2020(02)
[3]高速公路低瓦斯隧道施工技术及控制要点[J]. 王应魁. 工程建设与设计. 2020(04)
[4]卷积神经网络结合SVM的手写数字识别算法[J]. 林仁耀,邓浩伟,兰红. 通信技术. 2019(10)
[5]基于深度学习和支持向量机的浮选过程故障诊断方法（英文）[J]. 李中美,桂卫华,朱建勇. Journal of Central South University. 2019(09)
[6]基于特征检测的数字仪表数码快速识别算法[J]. 陈刚,胡子峰,郑超. 中国测试. 2019(04)
[7]JJG1138-2017《煤矿用非色散红外甲烷传感器检定规程》解读[J]. 杨静,贾永康. 中国计量. 2019(03)
[8]基于SVM的变电站保护室数显仪表数字识别方法[J]. 王晓东,魏成保,冯海荣,杨瑾. 电子测量技术. 2019(02)
[9]基于深度学习的手写数字识别技术应用[J]. 王梓桥,刘沛丰,郝峰,王铮,崔现伟. 数字技术与应用. 2018(11)
[10]基于非线性调整的伽马校正图像增强算法[J]. 朱铮涛,萧达安. 计算机工程与设计. 2018(09)
博士论文
[1]基于深度学习的自动驾驶单目视觉目标识别技术研究[D]. 陈宇鹏.吉林大学 2019
硕士论文
[1]融合Retinex与暗通道的图像去雾增强算法研究[D]. 张文娟.西安石油大学 2019
[2]基于多尺度融合的水下图像增强方法研究[D]. 王文.哈尔滨工程大学 2019
[3]电力仪表检定流水线控制系统的设计与实现[D]. 孙承景.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于改进的CNN和SVM手势识别算法研究[D]. 吴晴.江西农业大学 2018
[5]基于机器视觉的数字仪表自动读数方法研究[D]. 肖佳.重庆大学 2017
[6]基于NDIR原理的甲烷气体检测系统的研究与设计[D]. 陶敏.武汉理工大学 2017
[7]电能表检定流水线控制系统的设计与实现[D]. 秦浩.杭州电子科技大学 2017
[8]电动汽车充电桩直流电能表检定装置研究[D]. 王利阁.湖南大学 2016
[9]计量器具检定系统的设计与实现[D]. 杨晓晨.山东大学 2015
[10]便携式红外甲烷检测装置研究与设计[D]. 李云成.太原理工大学 2015
本文编号：2938422
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管道红外甲烷传感器结构图
工程硕士专业学位论文10与棱镜不同的是，滤光片不会将波长分成单波长，正因如此，该方法叫做非色散红外法。对于气体分子来说，当其与入射红外光相触时，若分子的特征吸收频率与入射光波长一致，则会使得该气体中的原子振动能级改变，被约束的原子之间运动会加强。气体吸收光谱后也会导致自身的温度升高。甲烷作为典型的非对称多原子气体对红外辐射有自己的光谱吸收特征，其具有两个红外光谱吸收带，对应的波长分别3.31um及7.66um[32]。图2-2非色散红外吸收法原理图Figure2-2Thepicturesofnon-dispersiveinfraredabsorptionmethod非色散红外甲烷探测技术将朗伯-比尔定律作为基础依据[33]，公式如下：()0KclIIe=（2-1）其中，I代表被测甲烷的接收光强度，0I代表入射光，K代表甲烷自身的光谱吸收系数，c代表甲烷的浓度值，l代表上述所提到光路长度。若上述提到的0I为一平行光源，假设介质厚度是1，因甲烷的分子数dN的吸收导致光强减弱为dI。由朗伯-比尔定律可得：1dI/I=-KdN（2-2）其中，1K代表比例常数，经过积分可得：1lnI=-KN+（2-3）其中，N为甲烷的分子总数，为积分常数，式2-1即可写为：10I=exp()exp(-KN)=exp()exp(-Kcl)=I(-Kcl)（2-4）每种气体的吸收系数K都各不相同，即使都是甲烷气体，也会随着入射光的波长而改变。若考虑甲烷气体中含有其他i种杂质气体，那么式2-1可写为：
进行图像去噪等处理是很有必要的，本节主要针对图像矫正、字符定位、字符分割做介绍，并给出仿真实验过程中的效果图。（1）图像矫正检定过程中传感器悬挂于检定柜中，无法避免有倾斜的情况，根据预设时间，到达甲烷传感器稳定浓度示值时，控制器会与树莓派进行通信，树莓派接收到相应信号调用OpenCV对当前视频的帧进行捕获，通过Canny算子[35]对捕获图片的边缘信息进行提龋通过霍夫变换算法对图像的直线进行检测，通过将平面空间中的图像转换至参数空间，来计算出矫正角，从而实现图像矫正。本文进行矫正的仿真结果如下图3-1所示，左边为捕获的原图，右边为矫正后的图像。图3-1图像矫正实验效果图Figure3-1Theeffectpicturesoftheimagecorrectionexperiment（2）区域定位经过图像增强算法对传感器数码显示值的红色区域部分进行处理，处理后传感器数码显示区域的红色要比原图更加明显，将增强后的RGB图像转换至HSV
【参考文献】：
期刊论文
[1]计量检定工作质量的影响因素及对策[J]. 陈明宇. 科技风. 2020(09)
[2]浅谈国家法定计量检定机构改革和发展[J]. 辜卫国,杨敬磊. 计量与测试技术. 2020(02)
[3]高速公路低瓦斯隧道施工技术及控制要点[J]. 王应魁. 工程建设与设计. 2020(04)
[4]卷积神经网络结合SVM的手写数字识别算法[J]. 林仁耀,邓浩伟,兰红. 通信技术. 2019(10)
[5]基于深度学习和支持向量机的浮选过程故障诊断方法（英文）[J]. 李中美,桂卫华,朱建勇. Journal of Central South University. 2019(09)
[6]基于特征检测的数字仪表数码快速识别算法[J]. 陈刚,胡子峰,郑超. 中国测试. 2019(04)
[7]JJG1138-2017《煤矿用非色散红外甲烷传感器检定规程》解读[J]. 杨静,贾永康. 中国计量. 2019(03)
[8]基于SVM的变电站保护室数显仪表数字识别方法[J]. 王晓东,魏成保,冯海荣,杨瑾. 电子测量技术. 2019(02)
[9]基于深度学习的手写数字识别技术应用[J]. 王梓桥,刘沛丰,郝峰,王铮,崔现伟. 数字技术与应用. 2018(11)
[10]基于非线性调整的伽马校正图像增强算法[J]. 朱铮涛,萧达安. 计算机工程与设计. 2018(09)
博士论文
[1]基于深度学习的自动驾驶单目视觉目标识别技术研究[D]. 陈宇鹏.吉林大学 2019
硕士论文
[1]融合Retinex与暗通道的图像去雾增强算法研究[D]. 张文娟.西安石油大学 2019
[2]基于多尺度融合的水下图像增强方法研究[D]. 王文.哈尔滨工程大学 2019
[3]电力仪表检定流水线控制系统的设计与实现[D]. 孙承景.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于改进的CNN和SVM手势识别算法研究[D]. 吴晴.江西农业大学 2018
[5]基于机器视觉的数字仪表自动读数方法研究[D]. 肖佳.重庆大学 2017
[6]基于NDIR原理的甲烷气体检测系统的研究与设计[D]. 陶敏.武汉理工大学 2017
[7]电能表检定流水线控制系统的设计与实现[D]. 秦浩.杭州电子科技大学 2017
[8]电动汽车充电桩直流电能表检定装置研究[D]. 王利阁.湖南大学 2016
[9]计量器具检定系统的设计与实现[D]. 杨晓晨.山东大学 2015
[10]便携式红外甲烷检测装置研究与设计[D]. 李云成.太原理工大学 2015
本文编号：2938422
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/2938422.html
