（电路与系统专业论文）用于环境和工业产品的气体检测装置的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 气体和气味的检测装置在生产和生活中都具有很大的实用价值。本文研制了两种气 体检测装置。一种用于室内环境空气质量的检测；另一种用于空调机内胆敷膜铝板成型 冲压过程中产生的异味的检测，目的是实现对敷膜铝板产品品质的检测区分。 本文研制的室内环境空气质量检测装置可对室内甲醛、甲苯、氨气、v o c 、甲烷、 一氧化碳( c o ) 多种气体进行检测，针对应用环境不同分为两款：装置一应用于对建筑工 程环境污染物的检测。检测建筑工程环境中的甲醛、甲苯、氨气、v o c 四种气体。装 置二应用于日常生活中室内空气质量的检测。检测日常生活中出现的影响空气质量的因 素，如炊事油烟、香烟、酒精、v o c 及煤气泄漏( 甲烷，c o ) 等。这两款检测装置电路 结构相同，均由气体传感器阵列、电源模块、温湿度传感器、时钟模块、单片机、液晶 显示器、数据存储器、串口通讯八部分构成。气体传感器信号和温湿度信号经a d 转换 成数字信号输出，采用1 1 公司的1 6 位m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机处理气体浓度和温湿度信号， 利用液晶显示气体浓度、温湿度和时间等信息，当气体浓度超出设定报警阈值时产生声 光报警。通过替换其它气体传感器，该检测装置还可以方便的实现对其他气体的检测。 本文研制的对敷膜铝板成型冲压过程中产生的异味进行检测的装置由传感器阵列， a d 数据采集卡及系统应用软件组成。采用n i 公司的虚拟仪器软件开发平台l a b v i e w 编制了系统软件。装置前端传感器阵列采集的模拟信号经数据采集卡转换成数字信号输 入到计算机，再由系统软件实现对数字信号的处理、存储和显示等功能，并依据人工气 味师给出的气味区分样品，根据算法实现对铝板气味的电子化检测和区分。 关键词：气体；气味；检测装置 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 s t u d yo ft w o s o r t so fg a sd e t e c t i o nd e v i c ef o re n v i r o n m e n ta n d i n d u s t r ym e a s u r e m e n ta p p l i c a t i o n a b s t r a c t 1 1 i ed e t e c t i o nd e v i c et oc a r r yo nt h ed e t e c t i n go fh a r m f u lg a sa n do d o ri nd a i l yl i f ea n d i i l d u s t r ym e a s u r e m e n th a sb i gp r a c t i c a lv a l u e t h et h e s i sh a sd e v e l o p e dt w os o r t so fd e t e c t i o n d e v i c e ，o n ei sf o ri n d o o rg a sd e t e c t i o nt om o n i t o rt h ei n d o o ra i rq u a l i t ya n dt h eo t h e ri sf o r f i l m e da l u m i n u mp l a t eo d o rd e t e c t i o nt oc l a s s i f yt h eq u a l i t yo ff i l m e da l u m i n u mp l a t e t h ed e t e c t i o nd e v i c ef o rm o n i t o r i n gt h ei n d o o ra i rq u a l i t yi sd e s i g n e dt om e a s u r e f o r m a l d e h y d e ，t o h i e n e , a m m o n i a , v o c ，m e t h a n ea n dc a r b o nm o n o x i d e t w od e t e c t i o n d e v i c e s u s e di nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t sw e r ed e v e l o p e d ，o n ei su s e di nt h eb u i l d i n gd e c o r a t e d a n dt h eo t h e ri su s e di nd a i l yl i f et om o n i t o r i n gt h ea i rq u a l i t y b o t ht h ed e t e c t i o nd e v i c e sa r e m a i n l yc o m p o s e do fe i g h tm o d u l e s ，i e g a ss e n s o r s ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yf r a 哪s e n s o r ，t i m e t , m c u ，l c d ，e e p r o m ，a n ds e r i a li n t e r f a c e a l ls e n s o r s r e s p o n s e sa r ea c q u i r e dt h r o u g h a l la dc o n v e r t e r , a n dt h em s p 4 3 0 f 1 4 9 - t y p e1 6b i t sm c ui s a d o p t e da sc o n t r o l l e ra n dc a l c u l a t o r t h eg a sc o n c e n t r a t i o na r ea n a l y z e db vm s p 4 3 0 f 1 4 9 t h e nd i s p l a y e do nt h es c f c c nr e a l - t i m e w h i l et h ed e t e c t e dg a sc o n c e n t r a t i o n sa r eo v e rt h e w a r n i n gl e v e l 1 i g h ta n db e e pa l a r ms i g n a l sw i l lb eg e n e r a t e d n ed e v i c e 啪d e t e c to t h e rg a s c o n v e n i e n t l yb yr e p l a c i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o r s n ed e v i c eu s e df o rc l a s s i f y i n gt h eq u a l i t yo fa l u m i n u mp l a t ei sm a i n l yc o m p o s e db yg a s s e n s o ra r r a y , d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n ds y s t e ms o f t w a r e t 1 l ea n a l o go u t p u ts i g n a l so ft h eg a s s e n s o ra r r a ya r ec o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l sb yd a t aa c q u i s i t i o nc a r d d i 百t a ls i g n a l sa r et h e n p r o c e s s e d ，d i s p l a y e da n ds t o r e db ys y s t e ms o f t w a r e f i n a l l y ，t h ed e t e c t i o nd e v i c ec a nc l a s s i f y t h eq u a l i t yo fa l u m i n u mp l a t eo nt h eb a s eo ft h es a m p l ea l u m i n u mp l a t e k e yw o r d s ：g a s ；o d o r = d e t e c t i o nd e v i c e 大连理工大学硕士学位论文 致谢 两年多的研究生生活就要结束了，非常幸运能成为唐祯安老师的研究生，感谢唐老 师对我学业的悉心指导和做人处世的教导和潜移默化，这些将是我以后人生的宝贵财 富。 感谢本课题组博士生魏广芬、余隽、吕品、黄正兴、申爽、薛严冰给我的帮助，感 谢硕士生孙代平、钱胜斌、来庆字、刘敏、钟连学等同学给予的鼓励和支持，特别是钱 胜斌和孙代平同学在我论文工作上的帮助，我将怀念与你们一起度过的美好时光。 感谢王兢老师和马灵芝老师对该论文的评阅。 感谢“电路与系统”硕士点的全体老师两年来的精心培育，谢谢 本论文的工作得到了国家s 8 6 3 基金资助项目和清华一大金研究中心国际合作项目 的资助，特此感谢! 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：律日期： 1 6 ， 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 卫吐年血月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的目的与意义 近年来，随着气体传感器的发展，针对气体及气味的检测装置在生活和生产的各个 方面应用的越来越广泛。如室内环境空气质量的检测及工业用敷膜铝板质量的区分等。 室内环境一般泛指人们的生活居室、劳动与工作的场所、以及进行其他活动的公共 场所等i 。室内环境已成为现代人类的主要场所，据近年的资料表明，城市居民每天有 7 0 9 0 的时问在各种室内环境中度过。因此，室内空气质量的好坏优劣，对人体健康 的影响越来越大。人们对室外环境污染的严重性和危害性已有深刻认识，而对室内空气 污染的状况不甚了解，以为室内空气比室外好。事实上，由于我国城市用于居室、写字 楼的建筑材料、家具制品和装修材料大多含有超标甚至严重超标的甲醛、苯、氨、氡、 氯化烃等对人体健康极为有害的物质，这些逐渐释放出来的有机和无机污染物，未能被 及时排放到室外而在室内分解，浓度逐渐提高，致使室内空气质量恶化、污染日趋严重， 在对人们的身心健康造成的危害方面，已在很大程度上超过了室外的空气污染。据有关 统计，我国每年由于室内空气污染引起的超额死亡数可达1 1 1 万人，超额门诊数2 2 万 人次，超额的急诊数为4 3 0 万人次。由此可见，我国室内空气污染处于相当严重的状况， 其危害性不容忽视。人的一生大部分时间在室内度过，即使室内空气中污染物浓度不高， 由于长期作用于人体，依然会影响健康。况且，有些污染物的潜伏期很长。 在生产加工过程中常常也会产生一些气味。如果这些气味对所加工的产品性能有重 要影响，就必须在加工过程中对所产生的气味加以检测以筛选和区分加工品的质量。如 用作空调机内胆的铝板，为加速冷凝水在铝板上的流动，一种方法是在铝板上涂敷上一 层有机薄膜。但涂敷有机膜的铝板在成型冲压过程中有时会挥发出难闻的气味，若将带 有气味的铝板装在空调机上，气味就会在空调机使用场所散发出来影响环境空气的质 量。对此，目前采用的主要方法为气味师的人工检测，这种检测主观性比较强，还会受 到多种因素的影响，不能形成稳定、统一的检测标准。 针对以上情况本文研制了分别用于室内环境空气质量检测和用于区分敷膜铝板质 量的两种的装置。 1 2 气体传感器 气体传感器是气体与气味检测的关键元件。根据其气敏特性，气体传感器可以分为 六大类： ( 1 ) 半导体气体传感器 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 半导体气体传感器是利用气体与半导体接触引起半导体性质发生变化而测量气体 的。 自1 9 6 2 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已成为 世界上产量最大、应用最广的传感器之一，按照其检测气敏特征量的不同方式可以分为 电阻式和非电阻式两种。 金属氧化物，如s n 0 2 ，z n o ，f e 2 0 3 ，t i 0 2 ，w 0 3 等做成的电阻式半导体气敏元件 是利用气体与半导体接触引起半导体性质发生变化而测量气体的。它对气味和气体( 尤 其是可燃性气体和某些有毒气体) 具有较高的灵敏度，具有制作简单、成本低廉、响应 速度快等优点，但也存在着对气味，气体选择性差、元件参数分散、使用时需加热、易中 毒等缺点。通过在半导体内添加少量p t ，p d ，a u 等贵重金属催化剂和改善制作工艺、 改变工作温度可以在一定程度上提高传感器的灵敏度和选择性。例如，掺a u 的w 0 3 传感器对空气中的微量n h 3 很敏感，检测范围从5 p p b 5 0 p p m ；掺p d 的s n 0 2 传感器对 r 一2 2 ( c h c l f 2 ) 相当敏感，再掺s ，对r 1 1 3 ( c c l 2 c o f 2 ) 和r 1 3 4 a ( c h 2 f e f 3 ) 的灵敏度大大 提高。利用薄膜技术、超粒子薄膜技术制造的金属氧化物气敏传感器具有灵敏度高f 可 达p p b 级) 、一致性好、小型化、易集成等特点；将超微粒子膜技术与集成技术相结合 可以制作集成化超微粒子气敏传感器，这种传感器与模式识别技术相结合可研制冷化学 电阻型装置1 2 j 。 另一类半导体气体传感器是m o s 二极管式，结型二极管式以及场效应管式的非电 阻气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要用于检测氢和硅烷气等可燃性 气体，例如用半导体材料6 h s i c 制成的p t s 0 2 s i c 气体传感器，可用来测量丙烷和丁 烷等。其主要优点是灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。 ( 2 ) 固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。从7 0 年代开始， 由于固体电解质气体传感器导电率高，灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几 乎在环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域得到了广泛应用，其产量和应用仅次于金 属氧化物半导体气体传感器。该种传感器主要分以下三类： i 类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例 如氧传感器等； i i 类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器， 例如用于测量氧气的由固体电解质s r f 2 h 和p t 电极组成的气体传感器； i l i 类：材料中吸附由待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定 离子都不相同的传感器：例如新开发的高质量c 0 2 固体电解质气体传感器是由固体电解 大连理工大学硕士学位论文 质n a s i c o n 和辅助电极材料n a c 0 3 b a c 0 3 或l i 2 c 0 3 一c a c 0 3 、l i 2 c 0 3 b a c 0 3 组成的。 目前开发的高质量固体传感器绝大多数属于第i 类，又如用于测量n 0 2 的由固体电解 质n a s i c o n 和辅助电极n a n 0 3 l i 2 c 0 3 制成的传感器，用于测量h 2 s 的由固体电解质 y s t - a u w 0 3 制成的传感器，用于测量n i t 3 的由固体电解质n h 4 c c a 2 0 3 制成的传感器 等。 ( 3 ) 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气 敏材料如p i 电热丝等在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃 烧，电热丝由于燃烧而生温，从而使其电阻值发生变化，这种传感器对不燃烧气体不敏 感。例如在铂丝上涂敷活性催化剂r h 和p d 等制成的传感器，具有广谱特性即能检测各 种可燃气体，这种传感器有时称之为热导性传感器，普遍适用于石油化工厂、造船厂、 矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的检测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并 能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。 ( 4 ) 电化学式气体传感器 电化学式气体传感器可分为原电池式，定电位电解式、电量式，离子电极式四种类 型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度，市场上销售的检测缺氧的仪 器几乎都配有这种传感器。近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感 器。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度，和原电池式不同 的是，它需要由外界施加特定电压，它除了能检测c o ，n o ，n 0 2 ，0 2 ，s 0 2 等气体外， 还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流 来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现得比较早，可以通过测量离子极化电流 来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高，选择性比 较好。 ( 5 ) 光学式气体传感器 光学式气体传感器主要是以红外吸收式气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收 峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发流体切换 式、流程直接测定式和傅立叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污 染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光 学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式传感器，其主要优点是灵 敏度高，可靠性好。 ( 6 ) 高分子气体传感器 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料 由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面 波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。 本课题中对甲烷、甲苯、氨气、c o 、v o c 的检测采用半导体气体传感器、对甲醛 的检测采用电化学类气体传感器。 1 3 用于气体与气味检测的装置的应用研究 随着材料科学、生物科学、精密制作工艺( 如纳米技术) 、多传感器融合、计算机技 术、应用数学以及各具体应用领域的科学与技术的不断发展，用于气体与气味检测的装 置获得了巨大的发展，其应用领域也取得了很大的突破，它己广泛用于工业生产的各个 部门，主要包括： ( 1 ) 烟草1 3 l ：香烟、雪茄制造厂对烟草原料、香精及其他辅料的选择与控制十分严 格，由使用单一型，有时混和型。通常这些工作均由人工鉴别，不但劳动强度大，而且 含有相当多的主观因素。应用气味检测装置可鉴别产地与加工方式不同的烟叶、不同的 配方，还可对生产过程中每道工序进行监控，使产品的质量得到充分的保证。 ( 2 ) 化妆品：包括原料质量的控制，如香精、表面活性剂、硅油等产品质量的鉴别， 如除嗅剂及空气清新剂的效率，以及新产品的设计与研制，如新型香水配方等。 ( 3 ) 食品工业：在原材料方面，可用来检测鱼【4 1 、蔬菜、食用菌【5 】、食用油i 酣、牛奶 1 7 、水果 8 1 等的新鲜度以及对禽类进行病菌检疫：在食品生产过程方面，可以用它实现 烹调、发酵、存储等过程的检测1 9 】o ( 4 ) 石油化工：石油化工产品中高分子材料占了很大部分。如聚乙烯、聚丙烯、聚 氨基甲酸酯制造的各种容器及包装与装饰材料，其中气味的含量对它们的使用影响很 大，应用气味检测装置可以客观地进行测定、分类与定级，确保按质使用。 ( 5 ) 粮食储存与加工：可以测定粮食的霉变，虫蛀，水分等质量指标。 ( 6 ) 酒类：区别不同品牌，不同原料的产地及加工工艺，甚至能够判别同一品牌不 同生产年份的酒。 ( 7 ) 饮料：各种不同成分的软饮料如苏打、矿泉水、果汁的质控，咖啡、茶等的产 地及加工工艺的鉴别等。 ( 8 ) 环保检测：空气【“、土地、水污染的检测。例如，不同生产车间及加工场所的 特征气味鉴别，市内及特定环境中空气质量的控制，空气质量改善效果的鉴别。 ( 9 ) 临床诊断：因为不同疾病的患者体内广场具有特定的气味，可对人体及其排泄 物的气味进行检测。 大连理工大学硕士学位论文 除上述应用外，气体检测装置还用于商检、药品工业、宇航、公安和军事、消防化 工等部门。 1 4 本文开展的主要工作 ( 1 ) 室内空气质量检测装置 本文针对室内空气质量检测要求，查阅了大量资料。参考国外公司生产的气体 检测仪的功能，设计并组装完成了两款室内空气质量检测装置。 ( 2 ) 敷膜铝板气味检测装置 根据日本大金空调公司的要求，针对敷膜铝板成型冲压过程中产生的异味，通过大 量实验合理的选择了气体传感器，然后设计并搭建了敷膜铝板异味检测装置。 本文第二章分别介绍了室内空气质量监测电子鼻及敷膜铝板气味监测电子鼻的设 计要求、设计原理及方案选择；第三章阐述了室内空气质量监测电子鼻的软硬件设计； 第四章介绍了敷膜铝板气味监测电子鼻的软硬件设计。 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 2 设计要求及方案选择 2 1 室内空气质量检测装置的设计要求及功能 本项目的来自国家8 6 3 计划项目，要求设计一种能够检测室内环境空气质量的装置。 本论文主要依掘所用气体传感器特点及国外同类仪表的功能研究并开发了能同时检测 多种有害气体的装置，并能够比较方便的更换传感器以检测其它气体。 2 1 1 设计要求 本文研制的两款室内空气质量检测装置中的一种用于建筑工程环境污染物的检测。 把建设部颁布的国家标准g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 规定的强制检测的甲醛、苯、氨气、v o c 作为 目标气体，要求测量精度尽可能达到国家标准。第二种用于日常生活中室内空气质量检 测，目标气体为日常生活中经常出现的影响空气质量的因素，如炊事油烟、香烟、酒精 及v o c 等，此外为了检测瓦斯泄漏还对甲烷、c o 进行了实时检测。主要指标为： ( 1 ) 响应时间：6 0 s ； ( 2 ) 功耗：1 0 w ； ( 3 ) 环境工作温度范围：2 0 + 7 0 ； ( 4 ) 环境工作湿度范围：1 0 9 5 r h 。 2 1 2 装置的功能 在本项目中，两种空气质量检测装置每分钟对被检测气体及温湿度信号进行采集， 经a d 转换、中位值滤波后，将浓度实时的显示在液晶屏上，当气体浓度值大于报警限 时，装置会声光报警【1 0 l ，并储存报警值，气体的报警限可以由计算机通过串1 1 1 来修改。 装置配有三个按键，分别为r e c o r d 键、s t o p 键、d e l e t e 键，它们的功能分别为显 示最近一次报警值，停止声光报警，删除存储器中的记录。 2 1 3 气体传感器的选择 2 1 3 1 甲醛传感器 甲醛传感器为电化学传感器，电化学传感器按照工作原理，一般分为下面几种类型【1 1 l ： ( 1 ) 在保持电极和电解质溶液的界面为恒电位时，将气体直接氧化或还原，并将流过外 电路的电流作为传感器的输出。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 将溶解于电解质溶液并离子化的气态物质的离子作用于离子电极，把由此产生的电 动势作为传感器输出。 ( 3 ) 将气体与电解质溶液反应而产生的电解电流作为传感器输出。 ( 4 ) 不用电解质溶液，而用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电 解质等材料制作传感器。 本文选用瑞士公司的c h 2 0 s 1 0 传感器来检测甲醛的浓度。该传感器是三电极电化学 式传感器，由耐药品性塑料内带三个电极( 参比电极、对电极、工作电极) 做成。内部装满酸性 水溶液电解液。传感器工作时，在工作电极甲醛和水反应，在对电极氧气和 r 及c 反应。 工作电极：h c h o + h 2 0 一c 0 2 + 4 时+ 4 e ，对电极：0 2 + 4 一“e - 一2 h 2 0 ，外部回路的电子e o 也 就是电流可以测定，并与甲醛浓度成正比：8 0 0 _ _ 2 ( x ) n a p p m ，参比电极不发生反应，为了 保证传感器能够精确工作，将工作电极与电压恒定的参比电极连接( 不产生电流) 以保证工作 电极的电压恒定。为了使传感器处于准备工作状态，工作电极和参比电极之间要保持短接。 c h 2 0 s 1 0 传感器的外形图如图2 1 所示，它的相关技术参数如下： 正常检测浓度：0 q o p p m 最大过载浓度：5 0 p p m 使用寿命：空气中3 年 输出信号：8 0 0 4 - 2 0 0 n a p p m 精度：0 0 5 p p m 温度范围： 2 0 4 5 响应时间： 1 0 0 ) 放大器硬件可选增益：x1 ；x 2 ；x1 0 ；1 0 0 ；x1 0 0 0 ( 倍1 a d 转换分辨率：1 2 位 a d 转换速率：1 0 z s a d 转换非线性误差：1 l s b 系统综合误差：0 1 f s r ( 1 倍时) a d 启动方式：程序启动夕 触发启动 a dt 作方式：程序查询中断请求 a d 转换输出码制：单极性原码双极性偏移码 隔离形式：三总线光电隔离型。 隔离电压：5 0 0 v 开关量部分( 非隔离的) ： 输入路数：1 6 路1 几电平 输出路数：1 6 路1 几电平 电源功耗：+ 5 v ( 1 0 ) 、 8 0 0 m a ( 平均值) 环境要求：工作温度( 1 0 c 4 0 c ) 相对湿度( 4 0 8 0 ) 存贮温度( 5 5 8 5 c ) 在本系统中，根据输入信号的量程范围选择0 v ，1 0 v 的输入信号范围。 4 0 大连理工大学硕士学位论文 4 3 敷膜铝板气味检测装置的软件设计 4 3 1 软件开发平台的选择 本系统选择的软件开发平台为美国n l 公司研制的产品l a b v i e w 。l a b v i e w 是 一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟前面板用户界 面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯的编译型图形化编 程语言。当前，l a b v i e w 的最新版本是v 7 0 。 l a b v i e w 开发平台的特点是【2 2 ，2 3 1 ： ( 1 ) 图形化编程软件 图形化编程软件l a b v i e w 为工程师和科学家们提供的最有力的特性就是图形化的 编程环境。可以使用l a b v i e w 在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面，即可设计出 完全符合自己要求的虚拟仪器。通过这个图形界面，可以如下功能： 操作仪器程序； 控制硬件； 分析采集到的数据； 显示结果。 可以使用旋钮、开关、转盘、图表等自定义需要的前面板，用以代替传统仪器的控 制面板，创建自制测试面板或用图形表示控制和操作过程。标准流程图和图形化程序图 的相似性使得它不像基于文本的传统语言那样难学，从而大大缩短了用户的整个学习过 程。 ( 2 ) 连接功能和仪器控制 虚拟仪器软件编程的高效率来自与硬件产品的完美集成性。旨在开发测试、测量和 控制系统的虚拟仪器软件还包括各种广泛的i o 功能。l a b v i e w 带有现成即用的函数 库，用户可以用它集成各种独立台式仪器、数据采集设备、运动控制和机器视觉产品、 g p i b f l e e e 4 8 8 和串口承s 2 3 2 设备、p l c s 等，从而开发出一套完整的测量和自动化解 决方案。 ( 3 ) 开放式环境 目前，有许多第三方软、硬件生产厂家在开发并维护成百上千个l a b v i e w 函数库 及仪器驱动程序以帮助用户能借助l a b v i e w 轻松使用他们的产品。然而，这还不是与 l a b v i e w 应用系统相连接的唯一办法。l a b v i e w 还提供与a c t i v e x 软件、动态链接库 ( d l l s ) 及其它开发工具的共享库之间的开放式连接。此外，还可以用d u 。、可执行文件 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 的方式或使用a c t i v e x 控件调用l a b v i e w 代码。l a b v i e w 同样提供了广泛的通讯及数 据存储方式，如t c p i p 、o p c 、s q l 数据库连接，以及x m l 数据存储格式。 ( 4 ) 降低成本、确保投资 只需一台安装了l a b v i e w 的计算机即可开发无数的应用程序、完成各种任务，因 此它不仅多才多艺，还非常节省成本。用l a b v i e w 开发的虚拟仪器证明是最经济的选 择。一方面，只需极低的系统开发成本，另一方面，从长远的来看它也能保证投资资金 的安全、不浪费。当测量需要发生变化时，无需购置新的仪器设备即可轻松对其进行修 改或扩展。可以开发完整的仪器库以备后用，其费用远远低于购买一台传统的商用仪器。 ( 5 ) 分布式开发环境 可利用l a b v i e w 轻松开发分布式应用程序，即便是进行跨平台开发。利用简单易 用的服务器工具，可以将需要密集处理的程序下载到其它机器上进行更快速处理，也可 以创建远程监控应用系统。强大的服务器技术简化了大型、多主机系统的开发过程。另 外，l a b v i e w 本身也包含了标准网络技术，如t c p f l p ，以及企业内部的发布与订阅协 议等。 f 6 ) 分析功能 在虚拟仪器系统中，将信号采集到电脑中并不意味着任务已经完成，通常还需要利 用软件完成复杂的分析和信号处理工作。在机械状态监视和控制系统的高速测量应用 中，经常需要对振动信号进行精确的阶次分析。闭环嵌入式系统一般要利用控制算法进 行逐点运算以便保证稳定性。除了在l a b v i e w 中已安装的高级分析功能库外，n i 公司 还为不同要求的测量提供了相应附加工具包，如：l a b v i e w 信号处理工具套件， l a b v i e w 声音与振动工具包和l a b v i e w 阶次分析工具包等。 ( 7 ) 灵活性与可调整性 在实际工作、实验中通常需要并且要求系统能够不断变化。同时，还需要可维护、 可扩充的解决方案以便长期使用。通过建立以功能强大的开发软件( 如l a b v i e w ) 为 基础的虚拟仪器系统，即可设计出软、硬件无缝集成的开放式架构。这一切确保了系统 不仅能在今天使用，在未来同样可以轻松集成新技术，或根据新要求在原有基础上扩展 系统功能。此外，每个应用系统都有自己独特的要求，需要多种解决方案。 4 3 2 总体方案设计 与传统的测量仪器不同，虚拟仪器将所有传统仪器的测试内容包含在虚拟仪器的函 数模块中，在调用底层设备驱动程序的基础上，通过组合各类函数模块，生成软件来控 制采集传输，并且充分利用计算机强大的图形用户界面( g u i ) 来显示采集的数据和存 大连理工大学硕士学位论文 储数据，以及对测试信号的处理和分析。在本程序中，首先要确定的是程序的总体构成。 本课题的主要任务就是要在l a b v i e w 平台上开发出一套敷膜铝板气味信号采集分析虚 拟仪器系统。其主要功能应包括：数据采集、信号分析和处理、数据文件存储、文件读 取。 测试软件系统是采用模块化的思想进行编写的，每个功能的实现由一个模块完成。 在虚拟仪器的实际设计中，采用由上至下的设计方法，首先根据系统的总体需求，将系 统划分的各个功能模块分别为：参数设定模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存 储模块、数据读取模块以及结果显示模块。为将各模块集成到一起，还需要设计一个主 界面来实现各模块的调用。在组建完各种功能模块后再进行集成和调试。 4 3 3 主程序设计 软件设计流程图如图4 3 所示，首先通过外部调用仪器的启动程序来连接虚拟仪器 测试系统，连接成功后进行仪器初始化，设置测试过程中所要求的参数；然后进行数据 采集，并分别将采集的数据送去显示和记录存储，同时对实验所得数据进行分析和运算， 最后显示计算结果。 图4 3 软件设计流程图 f i g 4 3f l o wc h a r to fs o f t w a r ed e s i g n 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 用l a b v i e w 语言编写一个完整的应用程序f v i ) 主要由仪器前面板( f r o n tp a n e l ) 和程 序流程图伯l o c kd i a g r a m ) 两部分组成，其中前面板主要用于测试控制和显示，相当于传 统仪器的控制面板和显示面板，如图4 4 所示为敷膜铝板气味检测装置的前面板；程序 流程图则是程序的结构和各种功能模块的连接，也是整个程序的核心部分。如图4 5 在 整个程序设计中，首先完成了各子功能的程序，将其做成单个的模块( 子v i ) 。当然每个 模块是由更小的模块组成的，每一级的模块均可以图标形式放置在程序流程图中，这样 不但增加了程序的可维护性，也增加了程序的可读性，使程序流程图更清清晰明了，同 时也避免了大量的重复编程工作。 图4 4 敷膜铝板气味检测装置的前面板 f i g 4 4f r o n tp a n e lo fa l u m i n u mo d o rd e t e c t i n gd e v i c e 大连理t 大学硕：卜学位论文 图4 5 敷膜铝板气味检测装置程序流程图 f i g 4 5b l o c kd i a g r a mo fa l u m i n u mo d o rd e t e c t i n gd e v i c e 4 3 4 功能模块的实现 4 3 4 1 数据采集功能的实现 数据采集系统的基本任务是采集测量现实世界的物理信号，在几乎所有涉及到数字 信息处理的领域中，数据采集系统都是其核心部分之一。l a b v i e w 的数据采集程序包 括了许多公司数据采集( d a q ) 卡的驱动控制程序。l a b v i e w 中的数据采集v i 位于数据 采集子模板d a t aa c q u i s i t i o n 中，这个子模板中包含6 个下级子模板图标，分别是模拟 输入、模拟输出、数字输入输出、计数器、校准与设置和信号调理子模板，通过它们可 以分别访问不同的数据采集v i 。这些v i 可以作为单独的程序运行，执行数据采集任务， 也可以作为子程序调用返回采集的数据。本课题所用到的主要是模拟量的输入，即气体 传感器在铝板放入腔内后的电压值( 为电压信号) 。n i d a q 驱动程序结合l a b v i e w 软件 平台使用g 语言编程来控制数据采集系统中的硬件设备，可以使用户方便地对数据采集 进行控制。数据采集功能模块的程序结构如图4 6 所示。 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 图4 6 数据采集程序流程图 f i g 4 6b l o c kd i a g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o n 数据采集模块设计是为了采集气体传感器的电压信号，主要由v c 和l a b v i e w 混 合编程实现。这部分设计主要包括以下四个步骤： ( 1 ) 初始化a d 部分：通过v c 编程实现a d 的初始化部分，参数传递通过l a b v i e w 变量设置，主程序代码在v c 中实现，并将设置输入参数部分做成接口，便于外部人机 交互操作； ( 2 ) a d 采集程序，这部分也是在v c 中完成，然后生成动态链接文件p c i s k p 曲， 通过调用l a b v i e w 环境下的c a l ll i b r a r yf u n c t i o nn o d e 函数编译链接a d 采集程序， 作最后输出结果到显示v i ； o ) 调用l a b v i e w 中的f o r 循环v i 对3 2 路输出通道重复进行a d 初始化和采集 程序设置，并通过数组对输出的数据进行调整，提取有用信息； ( 4 ) 完成数据采集后，需要停止d a q 设备的数据采集，并删除相关配置、释放 d a q 设备相关资源。 4 3 4 2 数据处理功能的实现 数据处理主要是对前面编写的a d 数据采集模块采集到的信号进行数学计算和分 析。程序结构如图4 7 所示 本文采用的处理方法为：每秒对传感器信号采样一次，首先取各传感器前2 0 秒的 采样值的平均值求和得到v 1 ，然后取各传感器从3 0 0 秒到5 0 0 秒的采样值的平均值求 和得到v 2 ，最后把v 1 与v 2 差值与大量实验得到的气味强弱判定的域值比较得出敷膜 铝板气味强弱的判定。 大连理工大学硕七学位论文 图4 7 数据处理程序流程图 f i g 4 7b l o c kd i a g r a mo fd a t ap r o c e s s i n g 4 3 4 3 数据存储、读取、显示模块 在l a b v i e w 中，可将仪器检测结果保存成名种类型的文件，包括文本文件、二进 制文件、数据记录文件和波形数据文件。后两种文件格式是l a b v i e w 所特有的格式， 但不方便其他应用程序访问。这部分程序调用主要采用l a b e w 中的w r i t et o s p r e a d s h e e tf i l e v i 对处理后的有用数据进行保存，通过调用r e a df r o ms p r e a d s h e e t f i l e v i 对数据进行读取。调用w a v e f o r m v i 并通过相应的属性配置对输出结果进行显 示。 4 3 4 4 检测结果及分析 应用敷膜铝板气味检测装置进行了多次的实验。图4 8 是一次测试的检测结果。 w e a ks m e l l 灯亮起，表明本次测试的铝板有弱气味。如果铝板没有气味，则p a s s 灯将 亮起。 用于环境和工业产品的气体检颢4 装置的研制 图4 8 测试结果显示 f i g 4 8t h er e s u l to f o n et e s t 对大金公司提供的八种敷膜铝板样品进行检测，与人工气味师提供的结果相符的有 六种，正确率为7 5 。误差存在的原因为； f 1 ) 背景气不同，导致传感器的基线信号出现误差。 ( 2 ) 对传感器阵列采集的信号的处理方法有待于改进。 本装置的精确度可以通过改进对传感器信号的处理方法和到工厂现场测试背景气 信号得到提高。 大连理工大学硕士学位论文 结论 本文详细介绍了用于室内环境空气质量检测和敷膜铝板气味检测装置的研制。课题 分别来源于国家8 6 3 计划资助项目“污染与气体检测传感器”与清华一大金研究中心国 际合作项目。 论文主要完成了以下两方面的工作： ( 1 ) 设计并组装了两款室内空气质量检测装置。装置一应用于对建筑工程环境污染 物的检测。检测建筑工程环境中常见的甲醛、苯、氨气、v o c 四种气体，其中对甲醛 的浓度测量下限接近国家标准，但对甲苯和氨气的浓度测量下限还需要作进一步的研 究。装置二应用于日常生活中的室内空气质量检测。检测日常生活中会出现的影响空气 质量的因素，如炊事油烟、香烟、酒精、v o c 及煤气泄漏，基本可以实现对室内空气 质量的检测。 完成室内空气质量检测装置的硬件及软件设计。硬件电路对同一类型的传感器具有 一定的通用性，系统软件部分采用了模块化设计，为以后对本装置的升级提供了良好的 接口，使后期开发人员可以方便快捷的改变本装置的检测对象。 ( 2 ) 在进行了大量实验的基础上确立了用于敷膜铝板气味检测的装置的整体方案， 所构建的装置基本上可实现对敷膜铝板异味的检测和质量的区分，但正确率需要通过改 进算法做进一步提高。 用于环境和工业产品的气体检测装置的研制 参考文献 1 徐蕾，赵玉林室内环境污染现状与危害及防治对策污染防治技术2 0 0 5 ，1 5 ( 8 ) ：1 - 2 2 刘崇迸，郑大萌气体传感器的发展概况和发展方向，计算机测量与控制，1 9 9 97 ( 2 ) ：5 4 5 6 3 l u od ，g h o l a m i s t e w a r tjr a p p l i c a t i o no fa n nw i t he x t r a c t e dp a r a m e t e r sf r o ma l l e l e c t r o n i cn o s ei nc i g a r e t t eb r a n di d e n t i f i c a t i o n s e n s o r sa n da c t u a t o r sb 2 0 0 4 9 9 ： 2 5 3 2 5 7 4 m a c a g n a n o a ，c a r e c h e m ，h e r r e r o a ，e t a l a m o d e l t op r e d i c t f i s hq u a l i t y f r o m i n s t r u m e n t a l f e a t u r e s s e n s o r sa n da c t u a t o r sb ，2 0 0 5 ，1 1 1 1 1 2 ：2 9 3 2 9 8 5 f a l a s c o n i 甄p a r d oj l ，