便携式红外甲烷检测装置研究与设计

【摘要】：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
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.55;TN216
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题的研究目的及意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 课题目的及意义12-13
• 1.2 甲烷传感器的检测原理与分类13-16
• 1.2.1 载体催化燃烧型传感器13-14
• 1.2.2 气敏半导体型传感器14-15
• 1.2.3 光线干涉型传感器15
• 1.2.4 红外吸收型传感器15-16
• 1.3 国内外研究现状16-18
• 1.3.1 国外研究动态16-17
• 1.3.2 国内研究动态17-18
• 1.4 课题主要研究内容18-19
• 1.4.1 课题研究内容18
• 1.4.2 课题研究目标18-19
• 1.5 本章小结19-21
• 第二章 红外甲烷传感器概述21-29
• 2.1 红外光谱吸收技术21-22
• 2.1.1 气体吸收原理及特征21
• 2.1.2 NDIR 技术21-22
• 2.2 红外甲烷传感器工作原理22-26
• 2.2.1 甲烷气体的吸收峰值选择22-23
• 2.2.2 朗伯—比尔吸收定律的应用23-24
• 2.2.3 差分吸收检测法24-26
• 2.3 红外检测技术的优势分析26
• 2.4 红外甲烷传感器的技术指标26-27
• 2.5 本章小结27-29
• 第三章 便携式红外甲烷传感器硬件设计29-57
• 3.1 甲烷传感器总体结构设计29-30
• 3.2 红外光源的选择30-33
• 3.2.1 光源的分类对比30-31
• 3.2.2 IRL715 白炽灯性能分析31-33
• 3.3 热释电探测器的选择33-36
• 3.3.1 探测器的分类对比34
• 3.3.2 热释电效应34-35
• 3.3.3 双光路热释电探测器 PYS3228 性能分析35-36
• 3.4 红外吸收气室设计及仿真研究36-45
• 3.4.1 红外气室的分类37-38
• 3.4.2 Light Tools 光学软件38-39
• 3.4.3 直射式红外气室的光学仿真39-41
• 3.4.4 反射式红外气室的光学仿真41-44
• 3.4.5 气室类型的确定44
• 3.4.6 气室参数的确定44-45
• 3.5 系统硬件控制电路设计45-53
• 3.5.1 处理器的选择45-46
• 3.5.2 光源调制电路46-47
• 3.5.3 信号调理电路47-49
• 3.5.4 电源电路49-50
• 3.5.5 显示电路50-51
• 3.5.6 键盘电路51-52
• 3.5.7 报警电路52-53
• 3.6 电池的选择与设计53-55
• 3.6.1 电池类型及容量选择53
• 3.6.2 电池的表面温度要求53-54
• 3.6.3 锂电池充电防爆处理54-55
• 3.7 本章小结55-57
• 第四章 便携式红外甲烷传感器软件设计57-69
• 4.1 系统主程序设计57-58
• 4.2 系统初始化配置程序58-62
• 4.2.1 系统初始化58-59
• 4.2.2 定时器初始化59-60
• 4.2.3 Flash 存储器配置60-61
• 4.2.4 A/DC 转换初始化61-62
• 4.3 光源调制程序设计62-63
• 4.4 数据采样转换程序设计63-66
• 4.4.1 数据采样子程序64
• 4.4.2 数字滤波子程序64-66
• 4.5 通讯程序设计66-67
• 4.5.1 数码管显示程序设计66
• 4.5.2 键盘接口子程序66-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第五章 实验研究与影响因素分析69-79
• 5.1 实验条件及样机设计69-70
• 5.2 红外甲烷传感器标定方案设计70-72
• 5.2.1 标定实验台设计70
• 5.2.2 甲烷传感器标定70-72
• 5.3 红外甲烷传感器实验测试72-77
• 5.3.1 曲线拟合72-76
• 5.3.2 实验测试76-77
• 5.4 干扰因素分析77-78
• 5.4.1 环境温度干扰77
• 5.4.2 粉尘干扰77-78
• 5.4.3 环境湿度干扰78
• 5.5 本章小结78-79
• 第六章 总结与展望79-81
• 6.1 论文总结79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87

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