基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制

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1、分类号：密级：太原理工大学硕士学位论文题目基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制DevelopmentofInfraredSensorSystemofMethaneBasedon英文并列题目ReflectiveOpticalModel研究生姓名：王昱东学号：2013520053专业：机械工程研究方向：光机电一体化导师姓名：梁永直职称：讲师学位授予单位：太原理工大学论文提交日期2016/04地址：山西·太原太原理工大学声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除

2、文中已经注明引用的内容之外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或

3、部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。本人签名：日期：导师签名：日期：太原理工大学硕士研究生学位论文基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制摘要煤炭资源是目前我国的主要基础能源，在开采过程中所产生的瓦斯气体其主要成分是甲烷。虽然国家对安全生产工作，常抓不懈，但是由于瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故，却从未中断。甲烷气体尽管不是大气的主要成分，它对温室效应造成的影响却远比二氧化碳大得多。无论从环境保护角度，还是安全生产方面，对甲烷气体的实时精确检测都显得尤为重要。为了了解目前的研究动向及进展，对国内外红外检测

4、技术进行了调研分析。自二十世纪七十年代末开始，欧洲就有学者利用光谱吸收法对大气污染进行监测。随后又有科研工作者从红外光谱理论、椭球形光学气室、光学热敏元件、优化探测器布局、信号调理、激光发射器等多方面进行了研究，而且取得了重大的进展，已经将实验室技术推广到了工业应用。国内红外检测技术，起步晚，发展迅猛，从光学吸收池、光路信号、检测系统、分子光谱理论等多角度进行了研究，取得了一定的进展，但距离工业应用还有一定的差距。从分子光谱理论角度，对红外检测甲烷气体进行了理论分析，在基础理论之上对空气中常见气体分子，使

5、用HITRANDatabase进行了红外光谱图的模拟，得出理论上红外技术检测甲烷气体的可行性。针对朗伯-比尔定律，提出吸收截面系数、光程长度、光的强度难以精确测量的三个检测问题，经过一系列理论推导、论证，建立了基于反射光模型的红外甲烷传感器模I太原理工大学硕士研究生学位论文型。在模型基础上，借助已有的传感探头，设计了用以控制整个传感器的主控电路板，负责电源供给的电源电路，提供相关电压转换的电路，设计了传感探头接口电路，处理微弱信号的放大滤波电路，调试接口JTAG接口电路。在完成了电路板的焊接之后，对信号处

6、理电路进行了性能分析比较。为了进行标定实验，搭建了标定实验平台，以1-Wire总线通信协议将标定实验数据写入、读出DS2431芯片，配合单片机进行了浓度计算模块的设计，并进行了实验测试。在排除其他干扰的实验测试基础上，得出温度对传感器精度的影响最大，基于传热学理论基础，对光学气室进行了导热、对流的热分析数值模拟，并提出了实用的温度补偿计算算法，经实验验证：该算法在0-4%浓度范围内，相比未补偿前，具有较高的精确度及稳定性。关键词：红外，甲烷传感器，HITRANDatabase，放大滤波，浓度计算，标定实验

7、，温度补偿II太原理工大学硕士研究生学位论文DEVELONENTOFINFRAREDSENSORSYSTEMOFMETHANEGASBASEDONREFLECTIVEOPTICALMODELABSTRACTAtpresent,coalresourcesarethemainenergyinChina.Methanegasisthemaincomponentproducedinthemining.Theworkofsafeproductionofstatewasneverloosenandignored,bu

8、tthesafeaccidentsofgasexplosionincoalminewasneverinterrupted.Althoughmethanegasisnotamajorcomponentoftheatmosphere,itsimpactonthegreenhouseeffectcausedbycarbondioxidewaslarger.Fromtheperspectiveofenvironmentalprotec