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应用光学 2018年第4期39卷 545-550页

作者：沈婉常建华赵勇毅赵正杰裴昱南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心江苏南京210044 南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室江苏南京210044

为了满足电力系统中对SF_6气体精确测量的需求,基于非分光红外差分检测原理,设计了一种便携式的SF_6气体传感器。系统采用单光束双波长结构,对直射式和梯形反射式气室进行光学仿真,最终确定了气室类型,提高了系统的紧凑性和灵敏度。在... 详细信息

为了满足电力系统中对SF_6气体精确测量的需求,基于非分光红外差分检测原理,设计了一种便携式的SF_6气体传感器。系统采用单光束双波长结构,对直射式和梯形反射式气室进行光学仿真,最终确定了气室类型,提高了系统的紧凑性和灵敏度。在电路方面设计了一种小信号放大滤波电路,有效地将有用信号从噪声中提取出来;传感器采用高精度高性能模数转换器将模拟电信号转换为数字信号送入单片机处理,大大提高了检测精度。实验结果表明,该传感器能够准确检测体积分数为0~2×10-3范围内的SF_6气体,满量程精度可达4.2%。

关键词： SF6气体气室仿真放大滤波 AD转换

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非分光红外甲烷气体远程检测系统的设计

非分光红外甲烷气体远程检测系统的设计

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作者：沈婉南京信息工程大学

学位级别：硕士

当今全球正迎来以低碳化、无碳化为特征的新一轮能源转型,天然气作为一种重要的清洁能源,正成为推动全球能源转型的重要力量。天然气主要成分为甲烷,甲烷作为一种可燃性气体,当含量超过5%时可与空气形成爆炸性混合物,因此在天然气开采... 详细信息

当今全球正迎来以低碳化、无碳化为特征的新一轮能源转型,天然气作为一种重要的清洁能源,正成为推动全球能源转型的重要力量。天然气主要成分为甲烷,甲烷作为一种可燃性气体,当含量超过5%时可与空气形成爆炸性混合物,因此在天然气开采、运输和发电过程中对甲烷气体浓度进行检测至关重要。本文基于目前国内对气体浓度传感器的研究基础,利用非分光红外光谱差分吸收检测技术,提出设计一种高精度、低成本以及能够实现远程传输功能的CH气体浓度检测器,具体研究如下:1.在光路系统设计中,利用LightTools光学软件完成对直射式吸收气室及船型反射式吸收气室光线追迹图、照度光栅分布图及散射体表图的仿真分析,选定合理的气室结构来提高系统的稳定性。2.在硬件电路设计中,利用微处理器对红外光源进行调制使得探测器接收到不断变化的光信号,信号调理模块将探测器输出的微小电信号从噪声中提取出来进行滤波放大,调整至模数转换模块能够采集到的输入电压范围,微处理器将依据拟合出的函数关系对离散的电压信号进行浓度计算,并通过远程通信模块将气体浓度数据传输至上位机。3.由于检测环境温度的改变很大程度上会使检测数据大幅度波动,降低浓度数据的可靠性,因此提出利用灰狼优化神经网络(GWO-BP)算法对检测环境的温度进行补偿。通过比较实测数据及补偿后的GWO-BP神经网络预测值间的绝对误差,可得检测精度提高到满量程(FS)的2%,证明了GWO-BP神经网络算法能够一定程度上消除因检测环境温度改变而导致的检测偏差,提高了CH气体浓度检测器的检测精度。

关键词：红外光谱吸收气室仿真温度补偿 GWO-BP神经网络

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便携式红外甲烷检测装置研究与设计

便携式红外甲烷检测装置研究与设计

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作者：李云成太原理工大学

学位级别：硕士

煤炭资源一直是我国的重要能源，煤矿开采又是我国重要的产业。然而，影响煤矿安全的因素众多，有瓦斯爆炸、井下火灾和水灾等。瓦斯(甲烷)爆炸则是我国煤矿最严重的事故之一，在煤矿事故中占到80%以上，全国每年因煤矿事故死亡的人员... 详细信息

煤炭资源一直是我国的重要能源，煤矿开采又是我国重要的产业。然而，影响煤矿安全的因素众多，有瓦斯爆炸、井下火灾和水灾等。瓦斯(甲烷)爆炸则是我国煤矿最严重的事故之一，在煤矿事故中占到80%以上，全国每年因煤矿事故死亡的人员徘徊在数千人左右，煤矿安全生产的形势仍然异常严峻。因此，能够及时、准确地对煤矿井下甲烷气体浓度进行检测，对煤矿的安全生产、工作人员的人身安全等具有非常重要的作用。随着科技迅猛发展，针对甲烷浓度检测的传感器层出不穷，主要包括载体燃烧催化型、气敏半导体型、光线干涉型和红外光谱吸收型等。传统类型的气体传感器由于其检测原理和制造工艺的缺陷，很多已经无法满足现代煤矿复杂环境下对甲烷浓度精确检测的要求，主要存在检测范围窄、易中毒、需频繁调校、使用寿命较短等缺陷，基于红外原理的甲烷传感器可以有效地克服传统类型传感器的局限性，能精确、实时地检测出甲烷气体的浓度，为煤矿生产提供强有力的保障。红外甲烷传感器作为新一代气体传感器，具备选择性好、检测范围宽、精度高、反应速度快、不易中毒、使用寿命长等诸多优势。论文研究基于自主创新，提出一种基于红外吸收原理的便携式甲烷传感器设计方案，并解决多个关键问题。采用MSP430F1611单片机为核心控制器，完成了对传感器的硬件设计和软件设计，进而通过大量实验测试，对传感器进行误差分析及补偿，使传感器达到精度高、体积小以及功耗低等要求。论文研究及设计完成的主要工作有：首先，根据红外吸收原理，选择出高性能的红外光源、热释电探测器等核心器件，设计了红外光学气室，根据各个器件在气室中的布局，对红外气室进行光学分析及数值仿真，根据便携式仪器的设计原则，最终确定气室的类型和参数。其次，硬件电路设计，包括光源的调制电路，信号调理电路;传感器以单片机为核心，设计键盘按键、数码管显示、声光报警等外围电路，电路设计简洁有效，适合便携式设备使用。再次，软件设计，采用模块化的编程方式进行程序设计，设计了光源调制、数据采样转换、功能型键盘、数码显示等模块工作流程。最后，实验测试、数据处理及误差分析，设计出一种简易有效的红外甲烷传感器标定方案，搭建传感器标定平台，采用不同浓度的甲烷气体，对传感器进行标定和实测实验，通过进行大量重复性实验，对实验数据分析，采用分段的最小二乘法进行曲线拟合并反演出浓度的计算公式，还针对实际工矿下甲烷传感器所受到的干扰因素进行分析。

关键词：甲烷传感器红外光谱气室仿真便携式实验测试

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