本文關(guān)鍵詞：基于紅外光譜吸收的甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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【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?jī)H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(qiáng)度是C02的21～23倍,對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)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(xiàng)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn),難以滿足農(nóng)田甲烷低成本、快速檢測(cè)要求。考慮甲烷氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外輻射具有選擇性吸收且吸收強(qiáng)度與甲烷濃度呈正相關(guān),本文擬利用紅外光譜吸收原理來(lái)對(duì)農(nóng)田甲烷氣體進(jìn)行定量檢測(cè)。設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)系統(tǒng),結(jié)合以STM32F103VB為MCU的嵌入式技術(shù)、無(wú)線遠(yuǎn)程通信技術(shù),開(kāi)發(fā)了一套農(nóng)田甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田甲烷氣體排放的在線監(jiān)測(cè)。首先,重點(diǎn)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(cè)技術(shù)等理論,以此作為本設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。其次,基于紅外光譜吸收理論設(shè)計(jì)了甲烷檢測(cè)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(cè)精度以及結(jié)合成本考慮,使用了差分吸收檢測(cè)。在光路方面,通過(guò)理論分析以及針對(duì)各類光源與探測(cè)器性能比較,優(yōu)選了紅外光源IRL715和雙通道熱釋電探測(cè)器PYS3228,并通過(guò)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了甲烷傳感系統(tǒng)：電路方面,以STM32為微控制單元設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電源、光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制、信號(hào)調(diào)理、SD卡存儲(chǔ)、時(shí)鐘、串口通訊等模塊;軟件方面通過(guò)對(duì)STM32嵌入式軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器信號(hào)的AD讀取,經(jīng)運(yùn)算得到甲烷濃度。服務(wù)器端設(shè)計(jì)有上位機(jī)軟件并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù),采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPRS模塊上傳至服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)在本地SD卡存儲(chǔ),基于數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了web端。根據(jù)以上所述設(shè)計(jì)了甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。最后,對(duì)甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作了實(shí)驗(yàn)分析。首先進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),包括零點(diǎn)標(biāo)定以及甲烷氣體吸收實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了系統(tǒng)特性曲線;其次對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的系統(tǒng)重復(fù)性與穩(wěn)定性較好。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)麥田現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),證明了該系統(tǒng)達(dá)到了農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的要求。
【關(guān)鍵詞】：紅外吸收 甲烷 在線監(jiān)測(cè) 嵌入式系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(cè)技術(shù)的發(fā)展概況12-14
• 1.3 紅外甲烷檢測(cè)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容15-17
• 第二章 紅外甲烷氣體檢測(cè)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(yùn)動(dòng)與能級(jí)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(cè)基本原理與檢測(cè)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(cè)方法20-23
• 2.4 甲烷濃度檢測(cè)理論推導(dǎo)23-24
• 2.5 本章小結(jié)24-25
• 第三章 甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)25-45
• 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)25-26
• 3.2 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)26-32
• 3.2.1 紅外光源選型26-28
• 3.2.2 探測(cè)器選型28-30
• 3.2.3 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30-32
• 3.3 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)與調(diào)制模塊36-37
• 3.3.5 信號(hào)調(diào)理電路模塊37-39
• 3.3.6 溫度傳感模塊39-40
• 3.3.7 時(shí)鐘模塊40-41
• 3.3.8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)45-59
• 4.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)45
• 4.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)45-56
• 4.2.1 嵌入式軟件主程序設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)49-51
• 4.2.5 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)51-52
• 4.2.6 SD卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)55-56
• 4.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)56-57
• 4.4 web數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)57-58
• 4.5 本章小結(jié)58-59
• 第五章 甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析59-69
• 5.1 系統(tǒng)標(biāo)定方案設(shè)計(jì)59-60
• 5.1.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)59
• 5.1.2 樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)裝置59-60
• 5.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)60-63
• 5.2.1 零點(diǎn)標(biāo)定61
• 5.2.2 氣體吸收實(shí)驗(yàn)61-63
• 5.3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)63-68
• 5.3.1 精度分析63-64
• 5.3.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)64-65
• 5.3.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)65-66
• 5.3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)66-68
• 5.3.5 誤差來(lái)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(xiàn)71-75
• 致謝75-77
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果77

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1 范志根;;高濃甲烷氣體報(bào)警儀器的設(shè)計(jì)[J];工業(yè)計(jì)量;2008年02期

2 李東,虞滬生;干涉型甲烷氣體濃度光纖遙測(cè)技術(shù)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(cè)方法研究[J];礦業(yè)研究與開(kāi)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(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù);2009年05期

6 李春瑛;韓橋;張新;杜秋芳;吳夢(mèng)一;騰躍;張群;;環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域一氧化碳、甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)量的評(píng)估[J];低溫與特氣;2009年03期

7 許雪峰;徐安琳;周發(fā)庭;張國(guó)普;趙達(dá);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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J];工礦自動(dòng)化;2009年02期

9 于慶;;激光甲烷氣體傳感器信號(hào)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(cè)儀的設(shè)計(jì)以及干擾分析[J];紅外技術(shù);2009年08期

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1 孟宗;;透射式光纖甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[A];第三屆全國(guó)信息獲取與處理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

2 楊文;曹學(xué)文;李開(kāi)源;徐曉婷;;甲烷氣體自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬研究[A];第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集——E工業(yè)流體力學(xué)[C];2014年

3 楊洋;黃亮;王書(shū)濤;;基于諧波檢測(cè)的光纖傳感器對(duì)甲烷檢測(cè)的研究[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第十二屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

4 王琢;曹家年;張可可;馮琳琳;;光學(xué)式低濃度甲烷氣體傳感器的研究[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2010年光學(xué)大會(huì)論文集[C];2010年

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

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 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(xué);2003年

2 張景超;光纖光學(xué)式甲烷氣體傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D];燕山大學(xué);2006年

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1 陳友安;基于紅外光譜吸收的甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 石建中;近紅外光纖甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工程大學(xué);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(xué);2010年

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

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

6 尚明麗;高分辨率光纖甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D];燕山大學(xué);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(xué);2008年

8 柴航;光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];華中科技大學(xué);2011年

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

10 林江;光纖甲烷氣體傳感研究[D];華中科技大學(xué);2011年

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