基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制

作     者：王昱东 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁永直

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：红外 甲烷传感器 HITRAN Database 放大滤波 浓度计算 标定实验 温度补偿 

摘      要：煤炭资源是目前我国的主要基础能源,在开采过程中所产生的瓦斯气体其主要成分是甲烷。虽然国家对安全生产工作,常抓不懈,但是由于瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故,却从未中断。甲烷气体尽管不是大气的主要成分,它对温室效应造成的影响却远比二氧化碳大得多。无论从环境保护角度,还是安全生产方面,对甲烷气体的实时精确检测都显得尤为重要。为了了解目前的研究动向及进展,对国内外红外检测技术进行了调研分析。自二十世纪七十年代末开始,欧洲就有学者利用光谱吸收法对大气污染进行监测。随后又有科研工作者从红外光谱理论、椭球形光学气室、光学热敏元件、优化探测器布局、信号调理、激光发射器等多方面进行了研究,而且取得了重大的进展,已经将实验室技术推广到了工业应用。国内红外检测技术,起步晚,发展迅猛,从光学吸收池、光路信号、检测系统、分子光谱理论等多角度进行了研究,取得了一定的进展,但距离工业应用还有一定的差距。从分子光谱理论角度,对红外检测甲烷气体进行了理论分析,在基础理论之上对空气中常见气体分子,使用HITRAN Database进行了红外光谱图的模拟,得出理论上红外技术检测甲烷气体的可行性。针对朗伯-比尔定律,提出吸收截面系数、光程长度、光的强度难以精确测量的三个检测问题,经过一系列理论推导、论证,建立了基于反射光模型的红外甲烷传感器模型。在模型基础上,借助已有的传感探头,设计了用以控制整个传感器的主控电路板,负责电源供给的电源电路,提供相关电压转换的电路,设计了传感探头接口电路,处理微弱信号的放大滤波电路,调试接口JTAG接口电路。在完成了电路板的焊接之后,对信号处理电路进行了性能分析比较。为了进行标定实验,搭建了标定实验平台,以1-Wire总线通信协议将标定实验数据写入、读出DS2431芯片,配合单片机进行了浓度计算模块的设计,并进行了实验测试。在排除其他干扰的实验测试基础上,得出温度对传感器精度的影响最大,基于传热学理论基础,对光学气室进行了导热、对流的热分析数值模拟,并提出了实用的温度补偿计算算法,经实验验证:该算法在0-4%浓度范围内,相比未补偿前,具有较高的精确度及稳定性。