本文關鍵詞：基于紅外光譜吸收的甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

  更多相關文章： 紅外吸收 甲烷 在線監(jiān)測 嵌入式系統(tǒng)

【摘要】：甲烷(CH4)是一種重要的溫室氣體,在所有溫室氣體中,其含量僅僅比二氧化碳(C02)低,其增溫效果非常顯著。單位摩爾CH4的輻射強度是C02的21～23倍,對全球氣候變暖的貢獻率約占15%。農(nóng)田是甲烷氣體最主要的排放源之一,農(nóng)田甲烷的排放速率及排放通量信息的快速獲取是一項亟需解決的關鍵技術。目前普遍采用的靜態(tài)箱-氣相色譜法存在著采樣程序繁瑣、成本高、不能實時監(jiān)測等缺點,難以滿足農(nóng)田甲烷低成本、快速檢測要求�？紤]甲烷氣體分子對特定波長的紅外輻射具有選擇性吸收且吸收強度與甲烷濃度呈正相關,本文擬利用紅外光譜吸收原理來對農(nóng)田甲烷氣體進行定量檢測。設計了光電檢測系統(tǒng),結(jié)合以STM32F103VB為MCU的嵌入式技術、無線遠程通信技術,開發(fā)了一套農(nóng)田甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了對農(nóng)田甲烷氣體排放的在線監(jiān)測。首先,重點闡述了分子吸收光譜形成原理、紅外吸收原理以及差分吸收檢測技術等理論,以此作為本設計的理論依據(jù)。其次,基于紅外光譜吸收理論設計了甲烷檢測系統(tǒng)。由于農(nóng)田甲烷氣體排放量少,信噪比較低,為提高檢測精度以及結(jié)合成本考慮,使用了差分吸收檢測。在光路方面,通過理論分析以及針對各類光源與探測器性能比較,優(yōu)選了紅外光源IRL715和雙通道熱釋電探測器PYS3228,并通過氣室結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)了甲烷傳感系統(tǒng)：電路方面,以STM32為微控制單元設計了系統(tǒng)電源、光源驅(qū)動與調(diào)制、信號調(diào)理、SD卡存儲、時鐘、串口通訊等模塊;軟件方面通過對STM32嵌入式軟件編程實現(xiàn)對探測器信號的AD讀取,經(jīng)運算得到甲烷濃度。服務器端設計有上位機軟件并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS模塊上傳至服務器端數(shù)據(jù)庫,同時在本地SD卡存儲,基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了web端。根據(jù)以上所述設計了甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)。最后,對甲烷監(jiān)測系統(tǒng)作了實驗分析。首先進行了系統(tǒng)標定實驗,包括零點標定以及甲烷氣體吸收實驗,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合了系統(tǒng)特性曲線;其次對系統(tǒng)性能進行了測試實驗,結(jié)果表明：設計的系統(tǒng)重復性與穩(wěn)定性較好。通過對實驗麥田現(xiàn)場監(jiān)測實驗,證明了該系統(tǒng)達到了農(nóng)田現(xiàn)場監(jiān)測的要求。
【關鍵詞】：紅外吸收 甲烷 在線監(jiān)測 嵌入式系統(tǒng)
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O657.33;TP274
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 選題背景和意義11-12
• 1.2 甲烷氣體檢測技術的發(fā)展概況12-14
• 1.3 紅外甲烷檢測技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容15-17
• 第二章 紅外甲烷氣體檢測原理17-25
• 2.1 氣體分子光譜理論17-18
• 2.1.1 分子內(nèi)部運動與能級17-18
• 2.1.2 紅外吸收光譜產(chǎn)生條件18
• 2.2 甲烷氣體分子吸收譜線18-19
• 2.3 紅外甲烷吸收檢測基本原理與檢測方法19-23
• 2.3.1 朗伯-比爾(Beer-Lambert)定律19-20
• 2.3.2 光譜吸收檢測方法20-23
• 2.4 甲烷濃度檢測理論推導23-24
• 2.5 本章小結(jié)24-25
• 第三章 甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計25-45
• 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)25-26
• 3.2 光路系統(tǒng)設計26-32
• 3.2.1 紅外光源選型26-28
• 3.2.2 探測器選型28-30
• 3.2.3 氣室結(jié)構(gòu)設計30-32
• 3.3 電路系統(tǒng)設計32-44
• 3.3.1 控制器選型32-33
• 3.3.2 STM32最小系統(tǒng)電路33-35
• 3.3.3 電源模塊35-36
• 3.3.4 光源驅(qū)動與調(diào)制模塊36-37
• 3.3.5 信號調(diào)理電路模塊37-39
• 3.3.6 溫度傳感模塊39-40
• 3.3.7 時鐘模塊40-41
• 3.3.8 數(shù)據(jù)存儲模塊41-42
• 3.3.9 RS-232串口通信模塊42-43
• 3.3.10 GPRS模塊43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第四章 甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計45-59
• 4.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)45
• 4.2 嵌入式軟件設計45-56
• 4.2.1 嵌入式軟件主程序設計45-46
• 4.2.2 系統(tǒng)初始化46-48
• 4.2.3 PWM光源調(diào)制48-49
• 4.2.4 數(shù)據(jù)采集程序設計49-51
• 4.2.5 數(shù)據(jù)處理程序設計51-52
• 4.2.6 SD卡驅(qū)動程序設計52-53
• 4.2.7 FatFs文件系統(tǒng)移植53-55
• 4.2.8 串口通信程序設計55-56
• 4.3 監(jiān)控中心軟件設計56-57
• 4.4 web數(shù)據(jù)庫設計57-58
• 4.5 本章小結(jié)58-59
• 第五章 甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)實驗及分析59-69
• 5.1 系統(tǒng)標定方案設計59-60
• 5.1.1 標定實驗平臺設計59
• 5.1.2 樣機與實驗裝置59-60
• 5.2 標定實驗60-63
• 5.2.1 零點標定61
• 5.2.2 氣體吸收實驗61-63
• 5.3 系統(tǒng)性能驗證實驗63-68
• 5.3.1 精度分析63-64
• 5.3.2 重復性實驗64-65
• 5.3.3 穩(wěn)定性實驗65-66
• 5.3.4 現(xiàn)場監(jiān)測實驗66-68
• 5.3.5 誤差來源分析68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 第六章 總結(jié)與展望69-71
• 參考文獻71-75
• 致謝75-77
• 在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的其他研究成果77

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 范志根;;高濃甲烷氣體報警儀器的設計[J];工業(yè)計量;2008年02期

2 李東,虞滬生;干涉型甲烷氣體濃度光纖遙測技術研究[J];煤礦安全;1999年02期

3 付林;;基于特征吸收光譜的甲烷氣體濃度靜態(tài)檢測方法研究[J];礦業(yè)研究與開發(fā);2010年04期

4 劉宇蕾;張景超;梁芳;管立君;;差分吸收式甲烷氣體傳感系統(tǒng)研究[J];科學技術與工程;2009年07期

5 郭秀梅;李艷萍;姜灤生;馬玉泉;張麗紅;;甲烷氣體光纖傳感系統(tǒng)的研究[J];煤炭科學技術;2009年05期

6 李春瑛;韓橋;張新;杜秋芳;吳夢一;騰躍;張群;;環(huán)境監(jiān)測領域一氧化碳、甲烷氣體標準物質(zhì)質(zhì)量的評估[J];低溫與特氣;2009年03期

7 許雪峰;徐安琳;周發(fā)庭;張國普;趙達;楊萍;劉廷鳳;;甲烷氣體氣相色譜分析方法的建立[J];寧夏農(nóng)林科技;2013年02期

8 熊紅彥;張紅;岳江萍;;甲烷光纖傳感檢測系統(tǒng)的設計[J];工礦自動化;2009年02期

9 于慶;;激光甲烷氣體傳感器信號處理方法研究[J];礦業(yè)安全與環(huán)保;2012年02期

10 王文萃;欒美生;于彤彥;;紅外甲烷氣體檢測儀的設計以及干擾分析[J];紅外技術;2009年08期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 孟宗;;透射式光纖甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究[A];第三屆全國信息獲取與處理學術會議論文集[C];2005年

2 楊文;曹學文;李開源;徐曉婷;;甲烷氣體自發(fā)凝結(jié)流動過程數(shù)值模擬研究[A];第十三屆全國水動力學學術會議暨第二十六屆全國水動力學研討會論文集——E工業(yè)流體力學[C];2014年

3 楊洋;黃亮;王書濤;;基于諧波檢測的光纖傳感器對甲烷檢測的研究[A];中國儀器儀表學會第十二屆青年學術會議論文集[C];2010年

4 王琢;曹家年;張可可;馮琳琳;;光學式低濃度甲烷氣體傳感器的研究[A];中國光學學會2010年光學大會論文集[C];2010年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 希德·帕金斯　翻譯 吳東遠;美國東部海底涌出大量甲烷氣體[N];中國礦業(yè)報;2014年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 郭增軍;基于光譜吸收光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)的研究[D];燕山大學;2003年

2 張景超;光纖光學式甲烷氣體傳感器的設計與實驗研究[D];燕山大學;2006年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳友安;基于紅外光譜吸收的甲烷氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)設計[D];中國科學技術大學;2016年

2 石建中;近紅外光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)方案設計與實現(xiàn)[D];哈爾濱工程大學;2010年

3 郭旋;單光纖環(huán)甲烷氣體傳感器的研究[D];北京交通大學;2010年

4 劉麗力;基于多次再入射光學諧振腔的甲烷氣體傳感器的研究[D];華東師范大學;2006年

5 田磊;光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)的研究[D];吉林大學;2006年

6 尚明麗;高分辨率光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)的研究[D];燕山大學;2009年

7 朱美光;基于高Q諧振腔方法的便攜式甲烷氣體傳感器的研究[D];華東師范大學;2008年

8 柴航;光纖甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D];華中科技大學;2011年

9 王敏;基于光聲光譜技術的甲烷氣體檢測系統(tǒng)的研究[D];吉林大學;2006年

10 林江;光纖甲烷氣體傳感研究[D];華中科技大學;2011年

，

本文編號：1084218