【摘要】：甲烷屬于易燃易爆氣體,使用范圍十分廣泛,每年因甲烷氣體引發(fā)的爆炸事故不斷,損失慘重。因此,如何有效地檢測甲烷氣體濃度成為一個倍受關(guān)注的問題。然而,傳統(tǒng)的基于電化學(xué)、催化燃燒等原理的甲烷傳感器已無法滿足人們對于測量精度和使用壽命的要求,并且傳統(tǒng)的檢測裝置需要工作人員現(xiàn)場測量,不夠方便、安全。針對上述問題,采用基于紅外吸收光譜原理的甲烷傳感器,并結(jié)合以STM32為控制核心的嵌入式技術(shù)、WiFi無線通訊技術(shù)以及手機APP技術(shù),設(shè)計出一個在無線WiFi環(huán)境下使用手機APP進行遠程實時監(jiān)測甲烷濃度的系統(tǒng),并在系統(tǒng)標(biāo)定過程中采用支持向量機(SVM)算法來改善測量精度,該系統(tǒng)有效克服了傳統(tǒng)甲烷氣體檢測實時性差、精度低的問題。本文首先介紹了紅外甲烷氣體檢測的基本理論和紅外甲烷傳感器的主要部件。然后對甲烷無線監(jiān)測系統(tǒng)進行了軟硬件設(shè)計,硬件方面以STM32為控制核心,設(shè)計了系統(tǒng)電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及無線通訊模塊;軟件方面采用C語言對STM32編程實現(xiàn)了紅外甲烷傳感器測量數(shù)據(jù)的讀取和處理,并將數(shù)據(jù)通過串口WiFi模塊發(fā)送給服務(wù)器平臺,采用Java語言編寫手機APP實現(xiàn)了甲烷濃度的接收和顯示。最后在系統(tǒng)標(biāo)定過程中引入SVM算法進行回歸,提出利用人工蜂群算法(ABC)和粒子群算法(PSO)組成的混合優(yōu)化算法優(yōu)化SVM參數(shù),構(gòu)建出ABC-PSO-SVM回歸模型,并與單一ABC算法、PSO算法構(gòu)建的ABC-SVM、PSO-SVM回歸模型進行對比分析,結(jié)果表明ABC-PSO-SVM回歸模型預(yù)測精度更為優(yōu)越,且高于市場對甲烷測量精度的要求。
【圖文】：

中國計量大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖 2.1 非對稱結(jié)構(gòu)分子兩種能級躍遷示意圖2.1.2 甲烷氣體的特征吸收波長氣體的特征吸收頻率通常是指該氣體對紅外光能量吸收最強的頻率，每種氣體都具有對應(yīng)的特征吸收頻率。當(dāng)一束特定強度的紅外光透過被測氣體時，特征頻率處的光能就會被氣體吸收，從而產(chǎn)生該氣體的特征吸收峰。每種氣體在紅外輻射波段都至少存在一條對應(yīng)的特征吸收峰，甲烷氣體具有四條特征吸收峰。因為甲烷氣體分子擁有四個固有的振動，并且都會引起偶極矩的變化，所以這四個振動都是具有紅外活性的，從而產(chǎn)生相應(yīng)的四個基頻，每個振動都會對應(yīng)一個光譜吸收帶。基頻波數(shù)與光譜吸收帶的對應(yīng)關(guān)系如表 2.1 所示。表2. 1 甲烷的基頻波數(shù)與光譜吸收帶對應(yīng)表基頻波數(shù)（1cm ）波長（μm）1305.9 7.661533.3 6.532913 3.433018.9 3.31通過 HITRAN 數(shù)據(jù)庫計算可得：甲烷氣體對波長為 3.31μm、7.66μm的紅外光吸收強度明顯比波長為 3.43μm、6.53μm的吸收強度大，并且甲烷氣體在

圖 2.2 雙通道氣體檢測原理示意圖圖中測量通道輸出關(guān)系為：exp()10U I KLC（2-4）參考通道輸出關(guān)系為：20U I（2-5）式中，0I 為入射光強，1U 、2U 為對應(yīng)通道輸出電壓值。由圖 2.2 可以看出測量通道和參考通道的輸出都正比于入射光強，當(dāng)氣室內(nèi)甲烷氣體濃度變化時，氣體分子將吸收紅外輻射使光強發(fā)生改變，從而引起雙通道輸出信號發(fā)生變化。由于雙通道輸出信號都與0I 有關(guān)，且 K、L 為確定值，因此假設(shè)雙通道的比例因子分別為1K 、2K ，，可以得到如下關(guān)系式：exp()110U K I KCL（2-6）220U K I（2-7）
【學(xué)位授予單位】：中國計量大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP311.56;TP274

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本文編號：2694731