（电路与系统专业论文）新型非分光红外瓦斯定量检测模型的测试系统设计.pdf

新型非分光红外瓦斯定量检测模型的测试系统设计 摘 要 为了从实验上验证一种新型非分光瓦斯光谱吸收定量检测分析模型，需要 考虑环境温度及气压的影响。为此，论文设计了一个具有数据采集系统的、温 度和气压可调的小型实验测试系统，用于模拟环境温度和气压条件，对新型非 分光瓦斯定量检测模型进行验证。 论文详细地描述了系统的设计目标、功能和技术指标。在总体结构方面， 主要由系统硬件电路、软件程序和相应的机械组件组成。在硬件电路方面，详 细地描述了单片机控制与处理电路、电源电路、温度控制与数据采集电路、气 压控制与数据采集电路、传感器光源驱动电路、非分光传感器数据采集与调理 电路、串口通信电路等的设计；在系统软件方面，详细地描述了下位机程序和 上位机程序的设计。下位机程序主要是完成系统初始化任务，定时中断任务， 键盘扫描任务，温度数据采集任务，温度控制任务，气压数据采集任务，瓦斯 数据采集与处理任务以及串口通信任务等。上位机程序主要用于接收下位机传 送上来的瓦斯数据和温度气压数据，并实现显示和存储；在机械组件方面，描 述了一个密闭保温且气压机械可调的试验箱的设计。 最后通过系统测试，结果证明所设计的测试系统达到了预期的目标，具有 较好的稳定性和测量精度，可以用于新型非分光瓦斯光谱吸收定量检测模型的 验证。 关键词：测试系统、瓦斯检测、密闭试验箱、温压可调、数据采集 design of testing system and test based on a new non- dispersive infrared gas quantitative detection model abstract in the verification process of new quantitative detection and analysis model of non- dispersive infrared gas absorption, the effect of the environment temperature and pressure should be considered. this paper designed a small experimental testing system, which with data acquisition system and adjustable temperature and pressure. the testing system is used to simulate the ambient temperature and pressure conditions, and verify new gas detection model of non- dispersive infrared spectroscopy. the design goals, the function and the technical specifications are described in detail in the paper. in the overall structure, the hardware circuit, software program and the corresponding mechanical components are designed. in the hardware circuit, the design of the microcontroller and processing circuit, power circuit, temperature control and data acquisition circuit, pressure control and data acquisition circuit, the sensor light source drive circuit, non- dispersive infrared gas sensor data acquisition and conditioning circuit is described in detail. in the system software, the design of lower level computer programs and pc program design is described in detail. lower level computer program mainly consists of system initialization tasks, timing interrupt task, keyboard scan task, temperature data acquisition task, temperature control tasks, air pressure data acquisition task, gas data acquisition and processing tasks and serial interface communication tasks, etc. pc program mainly used to receive the gas data, the temperature and pressure data, so that the data can be display and store. in mechanical components, the design of an airtight insulation and pneumatic mechanically tunable test case is described. finally, through the system testing, the result shows that the design of testing system can achieve the desired goals, and have good stability and precision. the testing system can be used in the new gas sensor model validation. keywords: testing system; gas detection; airtight test case; adjustable temperature and pressure; data acquisition; iii 插图清单 图 1- 1 气室壁漫反射式非分光传感器光路示意图.4 图 1- 2 任意抽取的一条可以照射到探测器的光路示意图.5 图 2- 1 气压调节机构设计图.12 图 2- 2 总体设计图.14 图 3- 1 硬件部分总体框图.15 图 3- 2 温度压强可调系统总体设计图.15 图 3- 3 数据采集系统原理框图.16 图 3- 4 单片机模块电路.17 图 3- 5 电源电路.19 图 3- 6 ds18b20 引脚及封装和温度采集模块电路图.20 图 3- 7 外部电源供电模式.21 图 3- 8 寄生电源供电方式.21 图 3- 9 温度寄存器格式.21 图 3- 10 温度显示模块电路图.22 图 3- 11 按键调整温度部分电路图.23 图 3- 12 温度控制模块及状态指示电路图.23 图 3- 13 单片半导体制冷基本原理图.24 图 3- 14 散热和导冷系统实物图.25 图 3- 15 scp1000- d01 芯片.26 图 3- 16 气压采集电路原理图.27 图 3- 17 压力调节系统部分.28 图 3- 18 光源驱动电路.29 图 3- 19 微弱信号调理与采集电路.29 图 3- 20 气测通道滤波放大电路框图.30 图 3- 21 ad623 芯片.30 图 3- 22 前级放大电路.30 图 3- 23 max7400 芯片 .31 图 3- 24 低通滤波电路原理图.32 图 3- 25 后级放大电路原理图.32 图 3- 26 max1167 芯片 .33 图 3- 27 a/d 转换电路.34 图 3- 28 max232 串口通信电路原理图 .35 iv 图 4- 1 系统软件总体设计框图.37 图 4- 2 程序总体结构.38 图 4- 3 t0 中断服务程序流程图.39 图 4- 4 键盘扫描子程序流程图.40 图 4- 5 温度采集与处理子程序流程图.40 图 4- 6 温度控制电路子程序流程图.41 图 4- 7 max1167a/d转换时序图.41 图 4- 8 a/d 转换子程序流程图.42 图 4- 9 spi 接口的 2 个 8 位字帧格式.42 图 4- 10 气压数据采集子程序流程图.43 图 4- 11 上位机运行界面.45 图 5- 1 总体测试方案框图.48 图 5- 2 滤波前后波形图比较.50 图 5- 3 二级放大后波形图.50 图 5- 4 四通道输出数据稳定性曲线.51 v 列表清单 表 2- 1 系统需求分析.10 表 2- 2 硬件规格和技术指标.11 表 3- 1 温度/数据关系.22 表 3- 2 scp1000- d01 主要引脚功能.27 表 3- 3 max1167 芯片管脚说明.34 表 4- 1 mscomm控件属性.45 表 5- 1 制冷模式试验箱温度变化情况（室温 20）.49 表 5- 2 制热模式试验箱温度变化情况（室温 20）.49 表 5- 3 气压调节范围测试结果（1atm）.49 表 5- 4 光源驱动实验结果.50 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：李荣轩 签字日期：2011 年 4 月 26 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大 学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文者签名： 李荣轩 导师签名：吴永忠 副教授 签字日期：2011 年 4 月 26 日 签字日期：2011 年 4 月 26 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 1 第一章 绪论 1.1 引言 众所周知，煤炭是我国的基础能源，是生活中不可缺少的物资，更是国家 能源安全的基石，是关系国家经济命脉的重要基础产业之一， 国务院关于促进 煤炭工业健康发展的若干意见中进一步强调了煤炭工业在国民经济中的重要 战略地位，而煤炭工业的可持续发展则必须以保障煤矿安全生产为前提38。 “ 瓦斯” 是一种有毒的混合气体，主要含有甲烷和一氧化碳两种气体，其中甲烷 （ch4） 是煤矿瓦斯的主要成分， 大约占 8389， 因而通常认为甲烷 （ch4） 就是瓦斯。瓦斯常产生于矿井之中，如遇明火，即可燃烧，发生“ 瓦斯” 爆炸， 直接威胁着矿工的生命安全。矿井中的瓦斯爆炸是指浓度为 5.3(爆炸下限) 15(爆炸上限)的瓦斯与空气的混合气由点火源引燃，并且火焰在混合气中进 行传播。假如在采煤坑道中不能形成 5.315的瓦斯与空气的混合气，即 使有点火源也不会发生爆炸事故52。但是当瓦斯浓度高于爆炸上限 15%时，会 对人的生命造成威胁,因为瓦斯中的甲烷虽然对人体基本无毒，但是浓度极高时 就能置换空气导致缺氧，变为单纯性窒息剂。87的浓度能使小鼠窒息， 90 使其呼吸停止。 当空气中的甲烷达到 2530时， 人就会出现窒息前症状： 头晕、呼吸增快、脉搏加速、浑身乏力、注意力不集中、精细动作受障碍、甚 至窒息 12。 频发的瓦斯事故造成了大量的人员伤亡、重大的经济损失和严重的社会影 响，也引起了国际社会的广泛关注 38。面对严峻的安全生产形式，党中央、国 务院一度高度重视，并在党的十六届五中全会确立了煤炭工业“ 坚持节约发展、 清洁发展、安全发展，实现可持续发展” 的战略方针； 国家中长期科学和技术 发展规划纲要（2006- 2020 年） 中也确定 “ 矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警 与防控技术” 为优先主题的总体部署。 预防控制煤矿重特大事故已成为国家和政 府急需解决的重大问题。 瓦斯事故是煤矿发生最多的重特大事故，人们采用了各种技术手段，基本 实现了对矿井下瓦斯的有效监测和控制，其中预防瓦斯事故的关键技术之一就 是矿用瓦斯传感器技术，它是煤炭行业长期以来力图克服而没能克服的难题， 国家及有关部门长期以来一直将其确定为国家级重大产业关键技术之一。 目前国内普遍采用热催化元件瓦斯检测以及光学干涉法瓦斯检测，但是其 有严重缺点：比如检测精度低、测量范围窄，其它气体会造成干扰，造成无效 判断，而且气敏检测传感器的一致性、互换性差，需要经常校准，使用不方便。 因此，研究和开发新型的传感器来克服这些问题，是当务之急。 近年来对红外光谱吸收传感器技术的研究不断深入，红外吸收法已成为当 前瓦斯传感器研究的热点之一。因为与其它方法相比较红外光学吸收式有以下 2 优点：连续使用时间长，反应速率快，测量范围宽，灵敏难度高，精度高，测 量稳定性高，选择性良好（有很好的选择性系数） ，可靠性好，能适应恶劣环境 等优点，并可以实现连续分析和自动控制。 应用红外光谱吸收原理来测量瓦斯浓度的方法有多种，其中非分光测量技 术由于具有技术简单、成本低廉、容易制成小巧便携式测量仪器等优点，目前 已被我国煤矿行业广泛接受。 然而，利用非分光红外光谱吸收原理制成的瓦斯检测仪也存在缺点，不仅 会受到仪器制造缺陷如电源波动、非单色、非平行光、其它气体和粉层干扰等 的影响，也受温度压力变化的影响。而矿井的温度和气压又是变化的：据文献 3报告，当环境温度变化超过 5时，用朗伯比尔定律来定量分析气体浓度将 会产生不可忽略的偏差；据文献4所述，随着开采深度的增加，岩石温度升高， 很多煤矿开采与掘进工作面上的温度已达 30，个别已达 34；但在通风良好 的区域以及低温矿井，温度仅仅在 5左右；所以，一般地，煤矿井下在全矿 范围内温度是动态的，变化范围可以归纳为 040，气压也有所波动。 为了克服非分光测量技术中存在的缺点，我们从理论上提出了一种新的非 分光红外瓦斯定量检测模型，为了从实验上验证新模型的正确性，本文为此设 计了一种相关的验证测试系统。 1.2 非分光红外瓦斯分析模型的国内发展状况 1.2.1 基本分析模型的不足 利用光谱吸收原理来测量瓦斯气体浓度的基本的定量分析模型是朗伯比尔 定律，也称为光谱吸收定律，其表达式如下： )(exp()()(0lckii= （1- 1） 式中： )(0i 入射光的强度； )(i 透射光的强度； l 辐射通过气体层的厚度； c被测气体的浓度； )(k 为介质的吸收系数，波长 ? 的函数。 当气体吸收了特定波长的红外辐射后，产生特定的振动和转动从而引起偶 极矩的净变化，使其气体振动或转动能级从基态跃迁到激发态，从而相应区透 射光强减弱。因而，特定的分子对红外光具有选择性吸收的能力。 吸收系数 )(k 与吸光物质的性质、入射光波长、温度及压力有关5,6，在温 度、压力和吸光物质一定的情况下，吸收系数随波长的变换而变化，是决定光 谱吸收度的关键因素。 3 但是，郎伯比尔定律是理想条件下导出的数学模型，存在严格的约束条件， 具体要求是： （1）入射光为单色平行光，特别是该定律推导时未考虑反射光的 影响； （2）吸收发生在均匀介质中； （3）吸收物质互不作用； （4）恒定的温度 和压力。在实际应用的过程中，依据基本的朗伯比尔定律作定量分析的仪器大 多更适合于实验室环境，应用于现场的仪器往往会出现较大的偏差。这就成为 了朗伯比尔定律在实际应用中的固有缺陷。 1.2.2 国内外的发展概况 为了克服朗伯比尔定律固有的不足，国际上针对不同的应用作了许多研究 探索工作，提出了多种改进的朗伯比尔定律或者相关分析模型。 基本的朗伯比尔定律要求入射光是平行光，但在散射媒介系统中，光的传 播路径极其复杂，为了定量分析近红外波段散射媒介中非平行光的光路长度， delpy 等人于 1988 年提出了一种改进的朗伯比尔定律（modified beer- lambert law ） 7,8，其表达式如下： gdb i i loga pa 0 += = （1- 2） 其中，i 和 i0分别是出射光和入射光的强度；b 是路径长度因子，取决于 吸收系数 a 和散射系数 s 以及散射光相位函数； g 是与几何形状相关的因子； dp是光源和探测器之间的内部光极距离。方程（1- 2）的有效性取决于 b 随吸 收度、散射因子及相位函数的变化量。这个改进的朗伯比尔定律被广泛地应用 于生物组织的厚度测量上 9。 朗伯比尔定律在医学领域也有广泛的应用，为了提高准分子激光角膜手术 消融深度的精度，文献10，11，12描述了一种改进的朗伯比尔定律： = th inc p f f lnmd （1- 3） 其中，dp是每脉冲消融深度，m 是消融的斜率效率，finc是激光脉冲的入 射强度， fth是消融的阈值强度。 公式 （1- 3）也被称为熔断模型 （blow- off model） 13。考虑到当入射激光强度 finc 在消融期间可能会发生变化而使朗伯比尔定律 的计算结果发生偏移，文献14提出了进一步的改进方法。 在大气激光气体含量测量中，应用最广泛的朗伯比尔定律的型式是 6,15,16： ()lpxsexp i i jvv 0 = （1- 4） 其中，sv是取决于温度的每分子吸收线强；fv 是吸收线型函数； p 是压力； xj是气体种类 j 的摩尔吸收百分比；l 是光程长度。svfv为分子的吸收截面； 由此可见，光的吸收度不仅温度有关，而且还与压力有关。由于气体分子的跃 迁能级不可能是一个单一频率，总是存在着一定的宽度，它将随着压力的变化 4 而呈现出不同的线型，常见的线型函数主要有高斯（gaussian）函数、洛仑兹 （lorentzian）函数和伏赫特（viogt）函数 17,18。 考虑到光在气体中传播时的散射情况，文献19描述了又一种朗伯比尔定 律： ()()+llclexpk i i 0 （1- 5） 其中，k 为光学系统的总效率；a 为某波长下单位浓度、单位长度介质的 吸收系数；为瑞利散射系数；? 为气体密度波动造成的吸收系数；l 为光程长 度；c 为待测气体浓度。 鉴于温度和压力的影响，1969 年，richard d.和 jr. hudson 等人 提出了一 种气体吸收分析模型 20，当吸收弱带光时， ( )() += q 2 1 ppcwdai （1- 6） 当吸收强带光时： ( )() +=pplogqwlogdcdai （1- 7） 其中： + = t273 273 76 p w 1 ， t 为环境温度（） ，i 为出射光强度，d? 为波 长微元增量，c、c、d、q、q 为实验确定的常数，a (?) 为待测气体对某一波 长光的吸收函数， s= ?2?1 为波长范围 ，l 为光程长度 ， p 为环境总压 力，p 为被测气体分压。 1.2.3 新模型的提出 1.2.3.1 多路径复杂光程及其光谱吸收计算建模 l r 光源 探测器 l0 l1l2l3ln i0i0n i10 i13 i12 i11 i02 i01 i03 吸收池 图 1- 1 气室壁漫反射式非分光传感器光路示意图 如图 1- 1 所示，对于气室壁漫反射式非分光瓦斯传感器而言，一般由光源、 圆柱型吸收池和探测器等部件组成，从光源发出的光的传播路径十分复杂，其 中一部分被散射、一部分被直射、一部分被漫反射。如果用传统的朗伯比尔定 律klc i i a= 0 ln来做定量分析依据， 只能用直射光 （图中中心部分）l0作光程， 5 忽略了漫反射光程对吸收的贡献。而漫反射光中的一部分是可以照射到探测器 的，导致偏差。为了解决这个问题，本项目采用创新性的光路解析、逐束积分 方法进行建模研究。 l r 光源 探测器 l0 lj ?j dj wj i0ji1j i0 图 1- 2 任意抽取的一条可以照射到探测器的光路示意图 首先，定义在无限多的辐射光束中，能够直接照射或经一次及多次反射后 照射到探测器的光束为有用光束， 而照射不到探测器的光束不管是否吸收光谱， 均对测量结果不产生影响。在前期相关项目的支持下，已经从理论上初步导出 了复杂多路径光程长度及其相应的光谱吸收计算模型。如图 1- 2 所示，从复杂 的漫反射光束中任意抽取第 j 条有用光束，第 j 条有用光束的光程长度为： lj= 2jwj （j?0） （1- 8） lj=l（中心平行光） (j=0) （1- 9） 其中： = j j j j j d r arctg dd w cos cos （1- 10） dj=l（j=0） （1- 11） m d j l =（m2j， j=1，2，3，n, n? 8为正整数） （1- 12） 出射角： 当 j=0（中心平行光）时，?0 = 0 （1- 13） 当 j=1 时， j j d r arctg= （1- 14） 其次，对第 j 条，应用光谱吸收定律，可得： cl i i j j j j = 0 1 ln (1- 15) 其中，a 为吸收系数；为吸收池内腔反射系数，0= =1，仅与内腔反射能 力有关，是一个可以通过实验确定的值，或者由制作工艺确定而不是本项目的 研究内容；i1j、i0j分别为第 j 条有用光的出射光强与入射光强。 式（1- 15）是一个理想模型，实际应用的误差主要受光源发光部尺寸、滤 6 光片通带窗口尺寸和吸收池尺寸等影响，当吸收池的尺寸大大地大于光源和滤 光片尺寸时，误差很小，实际应用也可能很容易做到。进一步的分析将在后续 的研究中逐步深化、细化和完善。 对包括中心直射平行光在内的所有有用光束，应用光谱吸收定律，采用逐 束积分方法，可得： ()dle cl + l n 0 1 1 1m 1 i i +m （1- 16） 也可以写成数值求和的形式： () cl n cl lc n eee n + + 1 1 1 i i 0 1 (n? +8,为正整数)（1- 17） 其中 i1、i0为系统光源总出射光强和入射光强。 1.2.3.2 吸收系数及其光谱吸收计算建模 光谱的吸收率是由吸收系数决定的，对同一物质，吸收系数除了与温度、 压力有关外，主要随光的波数（频率）的变化而变化。在实践中，任何光谱的 通带绝不可能为零，在非分光技术，更难得到单色信号，都具有较宽的谱带， 传统的方法是求通带内的平均吸收系数， 这样会平滑很多吸收谱线的吸收细节， 导致较大偏差，不能准确地反映吸收规律。本项目提出一种新的方案，首先， 考虑温度、压力的影响，将通带内的光谱划分为许多细小间隔 ? ?，假定每一间 隔只包含一条光谱，逐一光谱计算出吸收系数，然后采用逐线积分方法，对每 一光谱应用光谱吸收定律，而从得到整个吸收谱带的计算模型。 根据光谱吸收理论，单条谱线在波数 ? 处的分子吸收系数 是谱线的线 强与线型的卷积： ( )fs = (1- 18) 由量子力学理论可以得到线强函数： () ( ) () = tkt tte t t tq t s v v 0 00 0 0 exp q s （1- 19） 其中 s0是标准温度 t0时的线强，查阅 hitran 数据库可以得到。e 是跃 迁的低态能量，k 是 boltzman 常数，指数 随分子而异，一般地，对线形分子 1，对如瓦斯（ch4）等非线形分子 1.5。qv 是振动分配函数，不同的分 子有不同的函数，对瓦斯有： 285 v 1073170. 9t1041322. 400486. 1qt += （1- 20） 由于不同的物理机制，谱线的线型函数具有不同的表达形式，在计算矿井 7 下瓦斯吸收时，碰撞加宽起主导作用，线型函数选用洛仑兹函数，它与温度及 压力有关。 根据式（1- 18） 、 （1- 19）和（1- 20）可以得到与温度、压力有关的吸收系 数，在 ? ? 波段内，利用任意一个相关的光谱吸收计算模型（这里用的是式 （1- 16） ） ，逐线积分方法，可得： () ddle cl + l n 0 1 1 1m 11 i i （1- 21） 上式就是新的非分光瓦斯浓度定量分析的数学模型，既可以描述温度、压 力对吸收度的影响，也可以解决复杂多路径光程、非单色光对吸收度的影响问 题，从而揭示了某些非分光系统中非平行光、非单色光在温度和压力作用的光 谱吸收规律。本论文就是为此理论模型设计一个测试验证系统，以检测理论模 型的正确性和实用性。 1.3 论文的主要研究内容及目标 本课题主要是在前人工作的基础上，为验证新型瓦斯定量检测模型而设计 一个适用于此模型的验证系统。 本课题研究的主要内容是：设计并完成一个基于新型非分光红外瓦斯定量 检测模型的测试系统。该系统要实现的目标： （1）温度气压可以在一定范围内进行调节，实现小范围密闭空间内恒温恒 压控制。 （2）采集非分光红外瓦斯传感器输出的微弱电压信号。通过放大滤波 a/d 转换和单片机处理，最后把采集到的数据传输到上位机进行显示和存储。 （3）采集密闭试验箱的温度气压信息，并通过串口传输到上位机显示和存 储。同时采集到的温度还用来对试验箱进行温度控制。 1.4 论文来源及章节安排 本课题来源于安徽省 2009 年度自然科学研究基金项目“ 非分光瓦斯测定系 统中一种复杂光程的计算” （项目编号：090412041） 。这个项目中要研究复杂光 程的理论建模，从理论上提出计算瓦斯浓度的模型；利用新型理论模型研制出 非分光瓦斯传感器；设计并制作出新型瓦斯传感器的测试系统。本论文主要完 成测试系统的设计及相关软件的开发。 本论文章节安排如下： 第一章是绪论，主要阐述论文选题的背景和意义及课题研究的主要内容。 8 第二章为测试系统总体设计方案。 第三章是测试系统硬件部分的设计，对新型瓦斯传感器的测试系统的硬件 部分进行了详细的阐述。采用了模块化设计的思想，对各个模块分别介绍，主 要有温压调节系统和数据采集系统两个大的模块。 第四章是系统的软件设计，包括下位机驱动程序的设计和串口通信程序以 及上位机串口通信和数据采集与存储程序的设计。 第五章是系统测试与分析，主要完成了对所设计的测试系统实用性测试和 测试结果分析的工作。 第六章对所做的工作进行总结，讨论设计过程中遇到的难点。 9 第二章 系统总体设计 2.1 总体设计目标 由于利用现有的光谱吸收定律来定量检测分析瓦斯浓度时会受到系统非平 行光、温度和压强的影响，所以课题在理论上提出了一种新的定量检测分析模 型。为了从实验上验证这个理论分析模型，本论文将设计一个适用于此新型模 型的实验验证测试系统，用以对新模型进行实验验证。测试系统的功能和技术 指标如下。 测试系统的功能： （1） 实现密闭环境下较大范围的温度气压可调节； （2） 实现非分光红外瓦斯传感器实时高精度数据采集； （3） 实现温度气压及传感器输出信号上位机显示和存储。 测试系统的技术指标： （1）温度范围：050； （2）气压范围：80116kpa； （3）温度测量精度：0.1； （4）气压测量精度：1kpa； （5）a/d 转换分辨率：16 位； （6）a/d 转换速度：不低于 100ksps。 2.2 主要研究内容 （1）系统的温度采集与控制 利用温度探测器采集试验箱内部的温度，采集到的温度数据一方面用于试 验箱的温度控制，另一方面通过串口传输到上位机显示和存储。 （2）系统的气压采集与控制 利用气压探测器采集试验箱内部的气压，采集到的气压数据通过串口传输 到上位机进行显示和存储；同时压力调节阀通过压缩空气的方法调节试验箱内 部的气压大小。 （3）非分光传感器数据采集与调理电路 由于红外探测器输出是非常微弱并且夹杂着噪声的毫伏量级的电压信号， 所以必须对其输出信号进行放大和调理。这部分主要由双通道精密放大器，低 通滤波电路，16 位高精度 a/d 转换电路以及 mcu 控制电路和串口通信电路及 相关软件组成。采集到的经过处理的电压信号通过串口传输到上位机进行显示 和存储。 10 （4）密闭实验装置 设计一个密闭且保温的试验箱，在密闭的环境下可以实现试验箱内部的温 度控制（通过半导体温控设备和温控电路完成）和压强控制（通过压力调节器 件完成） 。 2.3 需求分析与规格说明 由于温度对吸收物质的分子吸收线强有一定的影响5,16,17，而压力会影响 分子跃迁的能级，使分子的吸收线型随气体压强的变化而变化 18,21。 本课题设计的测试系统就是为了检测和验证第一章的（式 1- 21）数学模型 的正确性和可行性（据式 1- 21 的新型瓦斯吸收模型的算法实现见论文“ 新型非 分光红外甲烷定量分析模型研究” ，为本项目组另外一位成员完成。 ） ， 而式 1- 21 是利用式 1- 16 通过逐线积分获得的，从理论推导的过程来看，我们要想获得更 为精确的瓦斯浓度，必须要利用高速高精度的 a/d 采集卡获得与甲烷浓度相关 的吸收度信息，并同时考虑环境的温度和压强对其的影响。 表 2- 1 系统需求分析 项 目 非分光瓦斯测定系统中一种复杂光程的计算 系统名称 非分光红外瓦斯定量检测模型的测试系统 设计目标 （1）设计并制作出温度气压可调的环境试验箱， （2）完成数据采集系统部分的硬件和软件的设计。 半导体制冷模块 24v/6a开关稳压电源 供电方式 其它模块 220v交流转 9v/1a直流电源适配器 系统输出 通过下位机程序和上位机程序， 在电脑上显示采集到的数据结果， 通过上位机软件引用 excel 电子表格，把实验数据存储到 excel 数据处理 利用 excel 电子表格处理获得的实验数据，对甲烷浓度进行分 析，实现模型验证 功能描述 （1）实现密闭环境下温度气压较大的范围可调节 （2）在恒定温度和气压下采集传感器实验数据并通过上位机显 示，通过程序使数据存储到 excel 中。 非分光瓦斯定量检测模型的测试系统主要由硬件和软件两部分组成，其规 格和技术指标说明如下所示： （1）测试系统硬件规格和技术指标如表 2- 2 所示： 11 表 2- 2 硬件规格和技术指标 项 目 非分光瓦斯测定系统中一种复杂光程的计算 系统名称 非分光红外瓦