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基于LabVIEW和RS-485总线的恶臭气体检测系统

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电子器件 2017年第5期40卷 1238-1243页

作者：刘伟玲康磊冉多钢杨彩双赵哲丰柱坤王召河北工业大学机械工程学院天津300130

恶臭污染作为空气污染的一种给人们生活带来了巨大的影响。所以,研制一套能够准确反映环境污染情况的恶臭污染检测设备具有重要的现实意义。本文设计套以多传感器阵列为基础,可实现对宽浓度范围恶臭气体进行检测的电子鼻设备。该设备可... 详细信息

恶臭污染作为空气污染的一种给人们生活带来了巨大的影响。所以,研制一套能够准确反映环境污染情况的恶臭污染检测设备具有重要的现实意义。本文设计套以多传感器阵列为基础,可实现对宽浓度范围恶臭气体进行检测的电子鼻设备。该设备可根据不同地区污染气体种类的不同而选择相应的气体传感器,实现对不同成分、不同浓度的恶臭气体的检测,具有良好的适应性。该设备已经能够正常工作,并具有精度高、稳定性好的特点。尤其是可自由组合式传感器阵列的系统设计框架,为系统根据实际环境需要而进行调整提供了极大的灵活性,具有一定的参考价值和应用前景。

关键词：电子鼻 RS-485 总线通讯恶臭检测

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复合恶臭气体检测系统的开发与优化

复合恶臭气体检测系统的开发与优化

作者：康磊河北工业大学

学位级别：硕士

恶臭污染,作为一种特殊的大气污染,严重影响着人们的日常生产和生活,并对社会和经济的发展都有负面影响。目前,恶臭的检测主要有嗅觉测定法和仪器测定法两种。两种方法都存在自己的优势和不足,并不能适合大规模自动化的恶臭监测。电子... 详细信息

恶臭污染,作为一种特殊的大气污染,严重影响着人们的日常生产和生活,并对社会和经济的发展都有负面影响。目前,恶臭的检测主要有嗅觉测定法和仪器测定法两种。两种方法都存在自己的优势和不足,并不能适合大规模自动化的恶臭监测。电子鼻作为一种基于气体传感器阵列的气味检测仪器,目前应用广泛,但在我国的恶臭检测领域尚未成型。所以,研制一套能够快速准确的检测恶臭气体的系统,并能够实现在线自动化测量,具有重要的现实意义。在对国内外恶臭检测技术研究的基础上,本文开发和优化了一种基于传感器阵列的复合恶臭检测系统。该检测系统采用上下位系统结构,下位系统以单片机为核心,负责气体信号采集和气路控制,上位系统以LabVIEW为平台,负责数据的处理和保存,它们之间通过串口方式通信。以传感器阵列为基础,针对传感器输出信号的不同,设计相应的信号采集电路,实现对恶臭信号的采集和初步处理。对于下位系统,本文设计了单级架构和两级架构两种方式。单级架构为集成式的恶臭检测,经济实用,两级架构为可组合式的恶臭检测,方便用户根据实际情况进行升级改动。系统设计完成后,主要在气路原理、电路原理和试验方法上作了优化。在气路部分,加入了预处理模块和由之前的泵吸式改为泵吹式;在电路方面,优化了下位系统的调零电路;在实验方法方面,优化了背景气体的选择。提出了在实验室阶段实验用背景气体和稀释用背景气体要保持一致,在污染源现场则要使用清洁空气来对气室进行清扫。同时实验分析了气体流速对实验结果的影响,气体流速是实验影响因素之一,推荐使用固定气体流速进行检测。此外,在实验室做了大量的恶臭气体实验来验证系统的各项性能指标。并对系统定标工作提供了单质气体和复合恶臭气体的检测数据,对于指定的恶臭单质气体和复合恶臭气体,最低检测线均可达ppb级。

关键词：恶臭检测传感器阵列虚拟仪器气路设计

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恶臭气体检测系统数据分析与处理

恶臭气体检测系统数据分析与处理

作者：丰柱坤河北工业大学

学位级别：硕士

一直以来,随着世界经济发展的速度持续增长,环境污染问题也变得越来越严重,同时对于恶臭污染的问题逐渐被重视。起初的恶臭污染主要通过人的嗅觉及主观感觉加以表征,对于单种恶臭气体,可通过嗅辨员对不同浓度的单种恶臭气体的嗅辨结果... 详细信息

一直以来,随着世界经济发展的速度持续增长,环境污染问题也变得越来越严重,同时对于恶臭污染的问题逐渐被重视。起初的恶臭污染主要通过人的嗅觉及主观感觉加以表征,对于单种恶臭气体,可通过嗅辨员对不同浓度的单种恶臭气体的嗅辨结果得到单种恶臭气体浓度与其恶臭值之间的关系;但是对于未知成分的复合恶臭气体,其恶臭值与其浓度之间的关系非常复杂,无法通过人工嗅辨结果得到其浓度与恶臭值之间的关系。对于未知恶臭气体,只能通过人工嗅辨得到其恶臭值,对恶臭气体的检测耗费大量人力物力。随着科技水平的提高,目前电子鼻检测恶臭的方法逐渐将人工嗅辨的方法替代。由于传统的人工嗅辨和化学成分分析的方法不能实时连续检测恶臭,因此以多气体传感器为基础的恶臭实时监测系统的开发,并建立恶臭值与人工嗅辨的关系变得十分重要。本文提出了一种基于嗅辨的复合恶臭气体电子鼻检测方法。该方法的核心就是利用传感器阵列对于复合恶臭气体进行多路采样,形成响应指纹组与人工嗅辨结果对比定标,实现对对恶臭气体的测量。由于气体传感器与普通传感器特性存在很大差别,比较突出的是具有严重的滞后。由于滞后的存在,在在线检测的情况下,传感器响应大多数无法达到稳态值。这些滞后包括线性与非线性两种。针对线性滞后,本文建立了一种一阶线性滞后模型,利用瞬态过程的中间数据进行回归,实现了稳态值的最佳估计,并通过实验证实了该模型具有较高的准确度。针对非线性滞后,本文还提出了一种基于移位回归的算法,该算法可以有效的消除非线性滞后,并且具有高度自适应能力。此外,本文还对移位回归算法进行了优化。该方法不仅适用于电子鼻系统,也适用于各种气体传感器信号检测的应用场合。本文通过大量的实验分析与处理验证了气体传感器模型的正确性,同时对移位回归算法的优化进行了详细的讲述,最后通过单质气体和复合恶臭气体的实验建立了恶臭指纹识别的数据库,初步完成了恶臭气体检测的工作。

关键词：恶臭检测多传感器融合线性滞后非线性滞后移位回归

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恶臭气体检测装置多传感器信号分析与处理

恶臭气体检测装置多传感器信号分析与处理

作者：王玮河北工业大学

学位级别：硕士

近年来，随着我国经济政策不断开放和完善，现代工业和交通运输业也随之蓬发展，越来越多的工业废气和汽车尾气，以及各种燃料燃烧的有害物质都排放到大气中，致使我们赖以生存的空气环境越来越不容乐观。到目前为止，我国对恶臭污染的... 详细信息

近年来，随着我国经济政策不断开放和完善，现代工业和交通运输业也随之蓬发展，越来越多的工业废气和汽车尾气，以及各种燃料燃烧的有害物质都排放到大气中，致使我们赖以生存的空气环境越来越不容乐观。到目前为止，我国对恶臭污染的研究治理并没有取得明显的成效。因此，研发一款能真实反映环境污染状况，实时性好、可靠性高的、智能化的恶臭气体检测装置具有非常现实的意义。本课题基于恶臭气体信号采集系统，针对单一恶臭气体成分，完成了对多传感器信号的分析与处理。详细阐述了恶臭气体检测装置的工作流程，并对各部分进行功能性的描述。除硬件电路部分外，论文还对恶臭气体检测过程中必不可少的气路部分进行了阐述。介绍了恶臭气体检测系统中上位机与下位机通讯协议，以及系统开发平台。通过阅读文献和大量实验，提出了一种传感器信号的预处理方法。对电化学式传感器和PID传感器信号进行线性回归分析，对MOS系列传感器信号进行非线性回归分析，得出各传感器信号的数学模型，并对其精度和可靠性进行检验，完成了恶臭气体检测系统的定标分析，实现了对氨气、硫化氢类和挥发性有机物类恶臭气体检测信号的分析与处理。课题还深入研究了各类气体传感器的工作原理和各项性能，着重对传感器的灵敏度、最低检测限以及重复性效果进行分析，并给出实验数据。论文建立了恶臭气体检测的数学模型，结合恶臭强度与浓度关系，初步实现对恶臭气体成分、浓度、恶臭强度的定量检测，并给出了典型气体的检测结果。大量恶臭气体检测实验结果表明，恶臭气体检测装置实现了对多传感器信号的定量分析与处理，其结果稳定可靠，重复性好。能满足课题要求，有广阔的应用前景和重要的创新价值。

关键词：恶臭检测气体传感器回归分析最低检测限信号分析与处理

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用于气体检测的微流控芯片关键技术研究

用于气体检测的微流控芯片关键技术研究

作者：古立锁河北工业大学

学位级别：硕士

恶臭气体逐渐受到各国重视，而恶臭气体又有不易采集，在线检测难等特点。需要一种便携式或在线检测仪器对其进行实时、快速、准确的检测。本论文基于气相色谱技术和微流控芯片技术，前者为世界各国进行气体检测的主要手段，但应用该技... 详细信息

恶臭气体逐渐受到各国重视，而恶臭气体又有不易采集，在线检测难等特点。需要一种便携式或在线检测仪器对其进行实时、快速、准确的检测。本论文基于气相色谱技术和微流控芯片技术，前者为世界各国进行气体检测的主要手段，但应用该技术的气相色谱仪体积巨大，不便于在我国广阔地域进行恶臭气体实时监测。微流控芯片技术的发展得益于微机电加工技术的进步。理论上，能把气相色谱仪上任何主要部件集成到几平方厘米的芯片上，所以微流控芯片是实现仪器便携化、小型化的最佳选择。气相色谱仪上的气体分离系统（即色谱柱及柱温箱）约占色谱仪一半的体积，因此缩小分离系统体积显得尤为重要。本论文通过对上述两种技术的结合，设计并制造出了适合便携式色谱仪器商业化应用的微流控芯片色谱柱，即把计算机机箱大小的分离系统集成到面积为几平方厘米，厚度不到1mm厚的芯片上。本课题设计并成功制作出了两种芯片：芯片一为采用喷砂工艺制成的微流控芯片填充柱，其内径为1mm，沟道总长1.8m。芯片体积115×60×6mm。芯片二是采用湿法刻蚀制作的微流控芯片毛细柱，芯片沟道为边长0.15mm的正方形截面，沟道总长0.75m。芯片体积40×12×0.9mm。芯片一应用于复杂气体分离，芯片二应用于简单气体快速分离。根据恶臭气体的特性本课题选择了聚乙二醇作为固定相。由于色谱分析需要极佳的密封性，本课题设计了多种芯片接口方案，并最终确定两种为芯片使用。本课题还设计了对芯片分离效果影响很大的柱压系统。论文最后对芯片一进行实验验证，得到芯片对丙酮（恶臭气体）的理论塔板数为2156。课题达到了最初的设计要求，制作出了可供便携式仪器使用的微流控色谱柱分离系统。但要制作出超小型仪器还需要将气相色谱仪的进样系统，检测系统同时集成于芯片上，此外芯片也可集成加热层，对芯片进行直接加热，加热效率会明显高于色谱柱的空气浴加热，这是快速检测的关键。本课题组今后任务就是进行此类研究。

关键词：微流控芯片气体分离气相色谱仪色谱柱恶臭检测

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基于CFD仿真的恶臭气体反应气室设计

基于CFD仿真的恶臭气体反应气室设计

作者：许亚豪河北工业大学

学位级别：硕士

随着经济的发展,大气中的恶臭污染越来受到人们的关注,传统的恶臭气体检测主要依靠人工嗅辨的方法,该方法精度低,受主观影响大,电子鼻系统是恶臭气体检测中客观检测的主要手段。检测系统中反应气室的形状和结构对系统的精度和重复性有... 详细信息

随着经济的发展,大气中的恶臭污染越来受到人们的关注,传统的恶臭气体检测主要依靠人工嗅辨的方法,该方法精度低,受主观影响大,电子鼻系统是恶臭气体检测中客观检测的主要手段。检测系统中反应气室的形状和结构对系统的精度和重复性有非常大的影响。但是当前的恶臭检测系统的反应气室多数是根据经验设计,且未充分考虑气室内部的化学反应,导致电子鼻系统检测效果不佳,限制了在恶臭检测方面的应用。本文依托国家重大仪器专项“复合恶臭检测”,针对恶臭气体检测系统的不足,设计一款并行结构的反应气室,应用于恶臭检测电子鼻系统中,提高了系统的重复性和精度。针对当前恶臭检测系统在重复性和精度方面存在的问题,提出如下观点:当前串行式的气室结构由于气室内温度不均、反应物消耗、待测气体被污染和气体泄漏等问题影响了电子鼻系统的精度。本文使用计算流体力学（Computer Fluid Dynamic,CFD）技术,对串行气室内部的化学反应过程进行仿真。数据表明,当前串行的反应气室中前级传感器的反应,导致气路内温度上升0.2℃,同时消耗了10%的待测气体,并产生了10%的二氧化硫,干扰后级传感器的响应,证明了串行气室结构影响恶臭电子鼻系统重复性和精度的观点,并讨论了气室密封和稀释气体对传感器响应的影响。基于原有气室的仿真结果,设计一套并行的气室,传感器的位置完全对称,且具有良好互换性的反应气室结构。对新设计的反应气室进行数值模拟,仿真数据表明,新设计的并行反应气室能够避免原有气室在温度、反应物消耗、气路中生成新气体等问题。以并行反应气室为核心,设计电路和嵌入式程序,开发出一套恶臭检测电子鼻系统进行实验验证。实验以甲硫醚气体作为待测气体,其响应曲线趋势与仿真结果相同。在重复实验中响应值的相对标准偏差为0.53%。使用基于并行气室的恶臭检测电子鼻对甲硫醚气体进行标定,数据表明PID传感器和TGS2600传感器线性拟合的相关系数在0.92以上,TGS2602非线性拟合的相关系数在0.94以上。本文基于CFD技术设计的并行反应气室能够避免传感器之间的相互影响,提高了恶臭电子鼻系统的准确性和重复性。

关键词：恶臭检测电子鼻计算流体力学气室

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基于嗅辨的多传感器恶臭信号分析

基于嗅辨的多传感器恶臭信号分析

作者：孙静河北工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国的不断发展,恶臭尤其是有机物等腐烂变质引起的恶臭对人们生活带来很多不便,不断受到人们的重视。到目前为止,我国对恶臭污染的研究治理并没有取得明显的成效。因此,研发一款能真实反映环境污染状况,实时性好、可靠性高... 详细信息

近年来,随着我国的不断发展,恶臭尤其是有机物等腐烂变质引起的恶臭对人们生活带来很多不便,不断受到人们的重视。到目前为止,我国对恶臭污染的研究治理并没有取得明显的成效。因此,研发一款能真实反映环境污染状况,实时性好、可靠性高的、智能化的恶臭气体检测装置具有非常现实的意义。本课题基于恶臭气体信号采集系统,实现对多传感器信号的分析与处理。以系统上位机处理为主要研究对象,着重上位机软件部分程序的编写。详细阐述了恶臭气体检测装置的工作流程,并对各部分进行功能性的描述。论文对恶臭气体检测过程中必不可少的气路部分进行了阐述,介绍系统中上位机与下位机通讯协议。讨论系统在实验室与实际环境采样的不同采样模式,解决在实际环境中遇到的实验问题。结合实验现象,分析特征值提取方法。改进数据处理方式,使系统实验更加简洁、快速。通过阅读文献和大量实验,提出了一种传感器信号的预处理方法。具体描述上位机编程的框架分支以及各分支的具体编程细节。课题还深入研究了各类气体传感器的工作原理和各项性能,着重对传感器的灵敏度、最低检测限以及重复性效果进行分析,并给出实验数据。大量恶臭气体检测实验结果表明,恶臭气体检测装置实现了对多传感器信号的定量分析与处理,其结果稳定可靠。能满足课题要求,有广阔的应用前景和重要的创新价值。

关键词：恶臭检测气体传感器回归分析最低检测限信号分析与处理

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恶臭污染气体在线监测系统设计

恶臭污染气体在线监测系统设计

作者：崔善超江苏大学

学位级别：硕士

一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损坏生活环境的气体物质即为恶臭气体,空气污染主要的来源之一就是恶臭污染,它对民众的基本日常生活产生明显影响,还对人类的健康造成严重威胁。我国对恶臭污染的检测技术研究,Odorplutin整体上开展的... 详细信息

一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损坏生活环境的气体物质即为恶臭气体,空气污染主要的来源之一就是恶臭污染,它对民众的基本日常生活产生明显影响,还对人类的健康造成严重威胁。我国对恶臭污染的检测技术研究,Odorplutin整体上开展的较晚,检测技术与世界先进国家相比还有一定的差距,市场上的恶臭污染气体检测仪器具有诸如检测精度低、价格高和在线检测功能不完善的缺点。本文从环境监测标准与市场需求出发,研究恶臭污染气体检测方法,设计一种针对恶臭污染气体的在线监测系统,帮助监测者对被监测区域的污染情况进行实时监测,达到便捷、高效、准确的环境监测目的。以下对本论文的研究成果与内容进行了综括:1、采用模块设计与多传感器集成设计方式,设计了以气体传感器阵列为基础的恶臭污染气体在线监测系统,系统包括气体流量计模块、气象五要素集成传感器模块、多气体分析模块、多元素处理模组、数据采集分析系统以及互联网数据云平台。2、改进了恶臭污染气体监测设备的结构设计,优化了监测设备的气路,创新设计了气体采样探头的结构。为解决某些工况不能采用常规供电方式的难题,设计了太阳能供电结构,满足日益更新的环保需求。3、采用了基于4G通讯技术的无线通讯模块,设计了恶臭污染气体监测数据处理云平台,为监测网络中的恶臭污染气体在线监测设备提供数据采集、数据处理、数据存储和数据显示功能,实现了“设备上云”功能,最终实现远程在线监控的效果。4、深入研究监测设备的人机交互界面功能,设计出了友好的操作界面,实时向环境监控人员展示现场恶臭污染气体监测设备的运行状态,并对恶臭等污染物浓度超标给出报警提示,方便环境监控人员及时处理。5、对恶臭污染气体在线监测系统进行性能试验,包括测量准确度测试、检测重复性试验和相应速度测试,试验结果表明:系统气体浓度检测的相对误差约为3.75%,重复率为1.63%,最大响应时间为32.9s,测试结果优于国家标准。实际工程应用显示本系统能够准确的监控恶臭污染气体浓度,在厂界恶臭污染监控方面取得了较好的效果。结合污染防控措施,优化了区域环境,对此类污染的防控水平,得到了较佳的经济与社会效益。

关键词：恶臭检测在线监测系统电子鼻传感器阵列云平台