基于物联网和NDIR的可燃气体探测技术研究.docVIP

：伯， 签字日期： 可燃气体在生产、运输、贮存和使用过程中，一旦发生泄漏，极有可能会引发严重的火灾、爆炸事故，威胁人们的生命和财产安全。通过监测环境中可燃气体的浓度，一旦发现达到危险下限则启动一定的安全设备，这样就可以起到安全防范的作用。常用催化燃烧式和电化学气体传感器来监测可燃气体的泄漏，但是这些传感器由于存在这样或那样的缺点，在实际使用中带来种种弊端。双波长红外气体泄漏监测技术因其具备多气体测量、测量范围宽、灵敏度和精度高、稳定性和选择性好、可靠性高、寿命长等优点而得到重视和发展。近年来，随着物联网技术的发展，物联网应用领域越来越广泛，所带来的便利性和经济效益也非常巨大。将可燃气体泄漏监测装置接入互联网，可以打破地域的限制，组建更为有效的可燃气体泄漏监测系统。探测器采用嵌入式结构设计，使得探测器具有联网功能，接入互联网后，如关键词：可燃气体探测器浓度监测网络测控 琧 甌，瞖 】篶琋琻 目扇计逄讲庀低场焱夥浠J丁肿釉硕牒焱馕铡糠制宓奶卣魑詹瓸伞非色散红外吸收技术小结 温度对探测器输出的影响温度补偿小结第四章基于物联网的可燃气体探测系统实现网络测控技术的发展趋势 第五章结论与展望 第一章绪论 第一章绪论常见可燃气体传感技术半导体气体传感器约占气体传感器总量的，是运用量和运用范围最广的一类气体传感器。这类传感器的基本原理是：采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成元件，工作时，与气体相互作用产生表面吸附或反应，其电学特性会发生变化，通过分析电学特性的变化，检测被测气体的浓度【】。气敏元件工作时必须加热，加热的作用是：加速被测气体的吸附、脱出；烧去气敏元件的油垢或污物；不同的加热温度能对不同的气体有选择性作用，加热温度与元件输出灵敏度有关，一般为【】。 命较短、容易因电解液失去水分干涸而致使传感器失效。现有可燃气体探测器产品形式主要有：点型可燃气体探测器、独立式可燃气 第一章绪论 第一章绪论网络探测系统的组建方式和网络测控软件的开发：如何根据实际的使用情况建立有效地网络探测系统，是进行网络化设计时必须思考的问题。小型网络小结本章从可燃气体泄漏探测的必要性入手，在讨论了各种已有气体浓度传感技术的基础上，指出技术的优势，确定了基于技术的可燃气体探测器为本文的研究对象。同时，分析了物联网技术的发展趋势及与可燃气体泄漏探测技术结合的可能性以及必要性，提出在可燃气体探测器的基础上，组建网络化探测系统的研究目标。 第二章测量原理与探测器结构设计红外辐射俗称红外线，是一种电磁波，位于可见光中红色光以外的区域，故 第二章测量原理与探测器结构设计图分子的量子化能级示意图 第二章测量原理与探测器结构设计 第二章测量原理与探测器结构设计毒差盐差喜薹萋燕图部分气体的红外吸收光谱 第二章测量原理与探测器结构设计非色散红外吸收技术技术选取一个测量波长和一个参比波长来监测气体，在其结构上，已由早期的通过切光盘来将光源发出的红外光通过不同的干涉滤光片进行切分的时间双光束结构，以及有两套完全结构完全相同的光学系统组成的空间双光束结构，发展到采用双波长红外接收器、只采用一套光学系统对参比和测量波长同时进行测量的结构。这种结构的发展得益于双波长红外接收器的发展，它通过两个感光元件前端各加一个透过不同波长的滤光片，在自身形成一个参比通道和一个测量通道，分别检测出参比波长和测量波长的信号强度，从而省去了再进行复杂 第二章测量原理与探测器结构设计的光学结构设计的麻烦。锺、坐童：蝇三塑兰墼图双波长红外测量系统原理图探测器的结构设计包括：光学结构设计和信号处理电路设计，这两个部分设 第二章测量原理与探测器结构设计，一由于可燃气体对红外光的吸收较弱，通过采用反射气室的结构延长光路长度，来增强对红外光的吸收，使红外光在气室内的衰减能够区分较小的浓度变化。为此，采用抛物面聚光镜对红外光源发出的红外光进行聚焦和准直，采用球面反射镜和锥形集光器实现红外光的反射和汇聚，球面反射镜表面镀金，以确保红外接收器接收到足够的光强，各部分分别介绍如下：由于石化等场所泄漏的多为烷烃类可燃性气体，应选取覆盖瓾结构光谱波段的红外光源，本研究选择广谱红外光源。红外光源组件除了必须选择发射红外光波段合适的红外光源以外，还应该加装合适的窗口片，窗片既能允许所需要的波长的红外光透过，又能减少气室内气体流动等因素对红外光源的扰动，增加探测器输出的稳定性。 第二章测量原理与探测器结构设计氪砦。所选用的温度探测器为数字式温度探测器，放置在气室中。温度探测器的作用是，探测气室中温度的变化，设计一定的温度补偿算法，以消除温度的变化引起探测结果的变化，影响测量结果的准确性。在电路的设计上，除了满足一般红外探测器所具备的功能：对光源进行驱动，对双通道红外接收器输出的信号进行调理，将模拟电信号转换为数字信号，以及对温度信号、测量信号和参比信号进行数据处理等功能外，本探测器还带有网络输出接允荽砟？槭涑龅氖中藕牛;晃7蟃协议格式的数据包，通过常用的接口连接网络后，数据可以进行网络传输。电路处理部分包括：光源驱动模块、红外探测组件、信号调理模块、疍转换模块、数据处理模块和网络输出模块，其组成和相互关系如图所示。蒺 吨懑瞄图电路原理示意图 第二章测量原理与探测器结构设计图探测器外观图 第二章测量原理与探测器结构设计探测器整体工作流程为：可燃气体在与空气混合后，经自然扩散进入探测器，首先经过过滤保护罩的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水、防尘透气膜彻底滤除水分和灰尘，通过支架上的开孔进入气室。在气室中，由光源驱动模块驱动红外光源发出的红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器将反射镜反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片和参比滤光片到达双通道红外接收器。双通道红外接收器两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和疍转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测气体浓度。与此同时，温度探测器也将探测到的被测气体的温度输入到数据处理模块，数据处理模块对所测得的数据进行温小结选定了进行可燃气体浓度监测的计算参量。并基于此给出了一种可燃气体探测器的结构设计和工作原理，所设计的可燃气体探测器采用了反射结构增加了光程长度，辅助的光学结构确保探测器能够获得足够的信号。探测器整体结构设计，考虑了防水、防尘等功能，并有外壳对电路和光学器件进行保护，使得探测器成为一个可以独立安装和使用的设备。 第三章探测器的标定和温度补偿实验研究 探测器的标定和温度补偿实验研究配气系统的配气浓度，同时也负责采集探测器的测试数据。实验分为浓度标定和温度补偿实验两部分，为了最后检验温度补偿后探测器的性能，另外在环境温度下做测试实验，各部分试验方法分别介绍如下：浓度标定实验：考虑到温度对探测器输出信号的影响，实验中控制环境温度为，在环境温度时，通入标准气体经过精密配气系统后得到的不同浓度气体，记录不同气体浓度下的探测器输出信号及如上所有数据。验证样本采集实验：经过温度控制后，取出探测器并置于室温下，待探测器探测器的输出特性记录好全部七组数据后，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度 信息的变量軩值与标准浓度值之间的对应关系建立被测气体浓度计图标定实验流程图标定实验的数据如表所示。表标定实验数据 第三章探测器的标定和温度补偿实验研究例，这种影响如图所示。 第三章探测器的标定和温度补偿实验研究 第三章探测器的标定和温度补偿实验研究神经网络的网络结构包含一个输入层，一个输出层，若干个隐含层，每层由多如此逐层传递，直到输出层。正向信息传输完成后，接着计算输出与目标值之间的差，如果输出层得不到目标值，则进行误差方向传输，从输出层开始逐层修改连接权值，使网络误差平方和降到期望误差以下【蜘。神经网络通过学习能大量存贮这种输入输出模式映射关系，而无需事前知道描述这种映射关系的数学方程。进行神经网络编程，先将输入数据进行数据归一化处理，然后进行训练。 撇一硐。三补偿所舟的神经网络结构示意图 探测器的标定和温度补偿实验研究 第三章探测器的标定和温度补偿实验研究神经网络验证集样本满量程误差 探测器的标定和温度补偿实验研究小结 第四章基于物联网的可燃气体探测系统实现第四章基于物联网的可燃气体探测系统实现算机等其它终端设备上进行监测和控制的技术。当前测控网络主要类型有：电话高效的进行测量和控制的目的。在自动化技术领域，基于现场总线技术的网络化测控系统应用最广泛，但是 因特网来实现网络测控技术，能够以较低的成本解决测控领域的难题，为此，我表网络层实现无差错传送，提供信息流量调节机制物理层协议。在希匦胍览礣协议来管理上流动的所有信息。 网层和网络接口层，如表所示【，舯】。表功能提供计算机之间的高层网络通信使源端和目标主机上的对等实体可以进行会话应用层传输层琔使主机把分组报文发往任何网络并使分组独立的传向目标网络接口层主要功能是从网卡中接收和发送数据。传输层主要包括的协议是蚒协议：圈圈匿一囤鞍阬枉腚絣 疭模式下一般采用疘榻惺荽洌琇疌提供了使疭模式探测器的嵌入式结构设计 处理数据：模块在收到个字节的广播包后，将回应字节的数据。模式：探测器作为网络客户机端，访问指定的网络服务器， 基于很多工程师和科学家所接受，应用越来越广泛【】。函数来实现的，使用非常方便。本文所提出的网络测试程序，即是基于 第四章基于物联网的可燃气体探测系统实现本研究所设计的探测器可以既工作在客户机端模式，也可以工作在服务器模式，可以根据具体的使用需求进行设置。通常，当所使用的探测器数量较少时，可以将探测器设置为服务器模式，这样网络测试程序可以通过任意接入互联网的电脑访问传感器，而不需要增加其他的辅助设备。但是在大型场合使用时，将探测器设置为客户端工作模式，采用一台专门的计算机作为服务器，这样测试程序不需要一个一个的对探测器进行连接，而是通过计算机注册服务器后，探测器主动连接计算机，这种工作模式就显示出其优越性了。汗芪?突覶服务器端口读取数据。 捍覷通道读取一个数据报。程序流程 图琲琲搜索设备函数 发送数据；读取数据，甿，；躉；将网络配置参数写入探测器琩；，； 琲突軩图探测器作为服务器的网络结构这种连接方式的优点是：不需要增加额外的设备即可实现对探测器的网络访 软件的主要功能是实时采集探测器数据，并根据探测器的安全设定参数给出报警等信号；其次为了方便探测器安装时的网络设置，程序集成了探测器网络设根据软件功能设计要求，软件界面设计及其运行效果如下图所示。在主界面上首先要有网络连接信息，用户通过输入正确的地址蛴蛎和端口号后才能与探测器连接，然后读取信息；之后用户通过界面上的按钮进行相应操作即可；读取和写入信息、浓度校准、保存数据以及网络配置等功能都通过弹出窗口来显示。客户端程序运行的流程是：首先建立与服务器的连接，连接成功后发送发送 第四章基于物联网的可燃气体探测系统实现探澍嚣土图客户端程序运行流程琱琾琧，；读取数据和绘图，使用异步定时器控制采样频率 ：发送数据读取数据 錾停潮嬲囊匿撵蕊匿疆馨譬雌鞋譬鐾 上回讽函数接受涟接请求，诶取数据上主要的程序代码如下：琲，狦；转换成 猄狢琲矗瑂；，；数据格式化数据写入数组 基于物联网的可燃气体探测系统实现断开连接和退出程序断开与客户机的连接注销服务器器在因特网内的访问。 探测器的结构设计通过采用双波长红外监测原理，加入镀金球面反射镜增加吸光长度，采用锥形集光器汇聚经反射镜反射的红外光，这些措施提高了监测装置的监测精度；采用防水防尘透气膜进行过滤、保护，在保证监测精度的同时，亦能对气室中光学元件进行保护；将网络输出模块集成到探