發(fā)布時(shí)間：2020-06-03 11:04

【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(cè)甲烷氣體濃度成為一個(gè)倍受關(guān)注的問(wèn)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(wú)法滿足人們對(duì)于測(cè)量精度和使用壽命的要求,并且傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置需要工作人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,不夠方便、安全。針對(duì)上述問(wèn)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(wú)線通訊技術(shù)以及手機(jī)APP技術(shù),設(shè)計(jì)出一個(gè)在無(wú)線WiFi環(huán)境下使用手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷濃度的系統(tǒng),并在系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中采用支持向量機(jī)(SVM)算法來(lái)改善測(cè)量精度,該系統(tǒng)有效克服了傳統(tǒng)甲烷氣體檢測(cè)實(shí)時(shí)性差、精度低的問(wèn)題。本文首先介紹了紅外甲烷氣體檢測(cè)的基本理論和紅外甲烷傳感器的主要部件。然后對(duì)甲烷無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì),硬件方面以STM32為控制核心,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及無(wú)線通訊模塊;軟件方面采用C語(yǔ)言對(duì)STM32編程實(shí)現(xiàn)了紅外甲烷傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取和處理,并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口WiFi模塊發(fā)送給服務(wù)器平臺(tái),采用Java語(yǔ)言編寫手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了甲烷濃度的接收和顯示。最后在系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中引入SVM算法進(jìn)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(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明ABC-PSO-SVM回歸模型預(yù)測(cè)精度更為優(yōu)越,且高于市場(chǎng)對(duì)甲烷測(cè)量精度的要求。
【圖文】：

中國(guó)計(jì)量大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖 2.1 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)分子兩種能級(jí)躍遷示意圖2.1.2 甲烷氣體的特征吸收波長(zhǎng)氣體的特征吸收頻率通常是指該氣體對(duì)紅外光能量吸收最強(qiáng)的頻率，每種氣體都具有對(duì)應(yīng)的特征吸收頻率。當(dāng)一束特定強(qiáng)度的紅外光透過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，特征頻率處的光能就會(huì)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(duì)應(yīng)的特征吸收峰，甲烷氣體具有四條特征吸收峰。因?yàn)榧淄闅怏w分子擁有四個(gè)固有的振動(dòng)，并且都會(huì)引起偶極矩的變化，所以這四個(gè)振動(dòng)都是具有紅外活性的，從而產(chǎn)生相應(yīng)的四個(gè)基頻，每個(gè)振動(dòng)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜吸收帶�；l波數(shù)與光譜吸收帶的對(duì)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(duì)應(yīng)表基頻波數(shù)（1cm ）波長(zhǎng)（μm）1305.9 7.661533.3 6.532913 3.433018.9 3.31通過(guò) HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算可得：甲烷氣體對(duì)波長(zhǎng)為 3.31μm、7.66μm的紅外光吸收強(qiáng)度明顯比波長(zhǎng)為 3.43μm、6.53μm的吸收強(qiáng)度大，并且甲烷氣體在

圖 2.2 雙通道氣體檢測(cè)原理示意圖圖中測(cè)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(qiáng)，1U 、2U 為對(duì)應(yīng)通道輸出電壓值。由圖 2.2 可以看出測(cè)量通道和參考通道的輸出都正比于入射光強(qiáng)，當(dāng)氣室內(nèi)甲烷氣體濃度變化時(shí)，氣體分子將吸收紅外輻射使光強(qiáng)發(fā)生改變，從而引起雙通道輸出信號(hào)發(fā)生變化。由于雙通道輸出信號(hào)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(guó)計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP311.56;TP274

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4 杜慧玲;;基于無(wú)鉛壓電陶瓷的諧振式礦用瓦斯傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[A];第二屆海峽兩岸功能材料科技與產(chǎn)業(yè)峰會(huì)（2015）摘要集[C];2015年

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9 蘭天;煤礦智能紅外甲烷傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2011年

10 王昱東;基于反射光模型的紅外甲烷傳感器系統(tǒng)研制[D];太原理工大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2694731