郭瑞鵬,梁釗銘,王海濤*,孔德鎖,王雨萌,楊先明(.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 06;.煙臺(tái)富潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司,山東 煙臺(tái) 64670)

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基于光譜技術(shù)多氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

郭瑞鵬1,梁釗銘1,王海濤1*,孔德鎖1,王雨萌1,楊先明2
(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 211106;2.煙臺(tái)富潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司,山東 煙臺(tái) 264670)

為了實(shí)時(shí)檢測(cè)多種氣體的濃度,以紅外光譜吸收法和電化學(xué)檢測(cè)為測(cè)量原理,設(shè)計(jì)了以STM32F103為主控芯片的多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行介紹。檢測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)部分包括硬件和軟件設(shè)計(jì),以同時(shí)兼顧性能和低功耗的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了多氣體濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示、超過報(bào)警閾值進(jìn)行聲光報(bào)警等基本功能。下位機(jī)可以通過無線傳輸方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊。上位機(jī)基于QT平臺(tái)編寫,可以實(shí)時(shí)顯示氣體濃度曲線,便于用戶在遠(yuǎn)端進(jìn)行安全監(jiān)控。在對(duì)系統(tǒng)性能測(cè)試后,結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測(cè)精度可以達(dá)到±3% FS,具有誤差小、易操作、攜帶方便、工作穩(wěn)定等特點(diǎn),能夠更好地保障工作人員的人身安全,同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控能力也使檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的實(shí)用價(jià)值。

多氣體檢測(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);QT;無線傳輸

礦井下各種有毒氣體和易燃?xì)怏w作為煤礦開采的伴生物,特別是CO、CH4、CO2等氣體。礦井下不具備良好的通風(fēng)條件[1-2],氣體含量一旦增多,容易使人出現(xiàn)中毒現(xiàn)象并引起礦井爆炸事故,會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員生命安全造成巨大的威脅。為此,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局制定了《煤礦安全規(guī)程》,規(guī)定礦井下施工人員必須配備氣體檢測(cè)裝置[3]。由上可知,氣體檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要[4-5],通過對(duì)危險(xiǎn)氣體進(jìn)行檢測(cè),可有效解除事故隱患,保障國(guó)家的生產(chǎn)安全和人民的生活安全。

目前國(guó)內(nèi)外氣體濃度檢測(cè)方法有很多,市面上主要檢測(cè)方法是催化接觸燃燒原理[6],但是催化接觸燃燒式傳感器存在靈敏度低,催化劑易中毒,壽命短等缺點(diǎn)。而紅外光譜吸收法檢測(cè)技術(shù)[7]是一種非接觸式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù),具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、干擾小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在檢測(cè)易燃易爆氣體濃度方面,具有很大的優(yōu)勢(shì),近年來也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

氣體檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣,大到國(guó)防工程,小到家庭生活領(lǐng)域[8-9]?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大多數(shù)氣體濃度檢測(cè)設(shè)備只能檢測(cè)單一氣體,部分能夠檢測(cè)多種氣體也存在靈敏度低,功能單一等缺陷[10]。所以,本課題中研制更加多功能化、精度高、且具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)亩鄽怏w濃度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)保護(hù)井下礦工生命安全有著非常重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 傳感器檢測(cè)原理及選型

氣體濃度檢測(cè)傳感器包括有催化型、光干涉型、熱導(dǎo)型、電化學(xué)型和紅外吸收型[11]。表1對(duì)上述5種氣體傳感器的性能進(jìn)行了比較。

表1 氣體傳感器性能比較

電化學(xué)傳感器[12]的工作電極和感應(yīng)電極由一薄層電解液隔開并經(jīng)由一個(gè)很小的電阻聯(lián)通外電路,當(dāng)有氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器后,在工作電極上會(huì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng),產(chǎn)生電流并通過外電路流經(jīng)兩個(gè)電極。該電流的大小與氣體的濃度成比例,可通過外電路的電阻進(jìn)行測(cè)量。課題中檢測(cè)CO、O2、C2H2、C2H4選用的是CITY公司的電化學(xué)原理傳感器。

紅外線是一種波長(zhǎng)介于微波和可見光之間的電磁波,它的波長(zhǎng)范圍在760 nm～1 mm之間。紅外氣體檢測(cè)技術(shù)是利用氣體分子對(duì)紅外光具有選擇吸收特性,并有不同的特征吸收波長(zhǎng),檢測(cè)的氣體濃度與紅外光能量之間的變化遵守Beer-Lambert定律。通過檢測(cè)紅外光能量變化值可以確定被測(cè)氣體的濃度[13]。檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)CH4、CO2選用的是Dynament紅外氣體傳感器,運(yùn)用非色散紅外原理檢測(cè)氣體,傳感器包括長(zhǎng)壽命鎢紅外光源、供被測(cè)氣體擴(kuò)散進(jìn)入的光通道、一對(duì)經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)募t外原理熱電交換檢測(cè)元件、半導(dǎo)體溫度傳感器和處理熱電交換檢測(cè)器信號(hào)的電子電路。

1.2 技術(shù)指標(biāo)與功能

可燃性混合物有一個(gè)發(fā)生燃燒和爆炸的濃度范圍,即有一個(gè)最低濃度和最高濃度,混合物中的可燃物只有在其范圍內(nèi)才會(huì)有燃爆危險(xiǎn)。爆炸下限越低,可燃?xì)怏w稍有含量就會(huì)形成爆炸條件[14];爆炸上限越高,則有少量空氣滲入,就能與可燃物混合形成爆炸條件。表2所示是系統(tǒng)檢測(cè)氣體的爆炸極限。

表2 氣體的爆炸極限

根據(jù)上述氣體的爆炸極限范圍,經(jīng)過大量的調(diào)研和實(shí)際考慮,課題采用的多種氣體傳感器的檢測(cè)參數(shù)如表3所示。

表3 氣體傳感器參數(shù)

設(shè)計(jì)的多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)取代了采用多個(gè)單氣體傳感器對(duì)目標(biāo)環(huán)境氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)。其基本功能指標(biāo)如下:①能同時(shí)連續(xù)檢測(cè)6種氣體(CH4、CO2、CO、O2、C2H2、C2H4)濃度和環(huán)境溫濕度并進(jìn)行顯示;②檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)日期時(shí)間、報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整,同時(shí)采用低功耗設(shè)計(jì)思路進(jìn)行節(jié)能顯示;③具有濃度超過報(bào)警閾值進(jìn)行聲光報(bào)警、電源電量監(jiān)測(cè)和顯示、電池欠壓報(bào)警等功能;④系統(tǒng)可對(duì)每種傳感器進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定;⑤檢測(cè)數(shù)據(jù)通過無線傳輸與終端進(jìn)行通訊;⑥通過上位機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并且可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要由電源模塊、傳感器檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、采集模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、無線傳輸模塊和上位機(jī)組成。檢測(cè)系統(tǒng)工作過程如圖1所示,通過對(duì)6種氣體敏感的傳感器將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊得到穩(wěn)定的電壓信號(hào),再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),信號(hào)經(jīng)過在MCU中濾波、運(yùn)算采集后,將檢測(cè)到的濃度值、溫濕度值、電池電量等參數(shù)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)傳輸。若檢測(cè)到的參數(shù)值超過用戶自行設(shè)置的報(bào)警閾值,單片機(jī)可以通過聲光報(bào)警電路產(chǎn)生聲光報(bào)警。用戶還可以通過按鍵電路進(jìn)行時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整,利用無線傳輸模塊進(jìn)行與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息傳輸。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

課題綜合考慮了市面上單片機(jī)的性能、成本、功耗,主控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位STM32F103單片機(jī),是同類產(chǎn)品中性價(jià)比較高的產(chǎn)品。

STM32F103系列是一款性能優(yōu)越、資源豐富的微處理器[15],采用的是ARMv7-M架構(gòu)的Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核,擁有最高可達(dá)到72 MHz的工作頻率,內(nèi)部有高達(dá)20 kbyte的SRAM和128 kbyte的Flash,便于在線進(jìn)行調(diào)試和下載,若存儲(chǔ)空間不足,還可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器。處理器在2.0 V～3.6 V供電范圍內(nèi)都可以正常工作,工作溫度適用于-40 ℃至+85 ℃。此外它的片上外圍模塊資源非常豐富,包含有一個(gè)PWM定時(shí)器、兩個(gè)12位的ADC和3個(gè)通用16位定時(shí)器,還有種類多樣的通信接口:多達(dá)兩個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。課題中設(shè)計(jì)的多氣體濃度檢測(cè)儀使用微處理器的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、I2C接口實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)、USART串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的有線通訊與無線數(shù)據(jù)傳輸。

檢測(cè)系統(tǒng)的主芯片STM32F103VBT6是一款可靠性能好、低功耗的單片機(jī),適用于鋰電池供電的便攜儀表,可以在睡眠、停機(jī)和待機(jī)的一系列省電模式下工作,滿足了檢測(cè)系統(tǒng)低功耗應(yīng)用的需求。

2.2 電源模塊

在電源模塊設(shè)計(jì)中,采用可充電鋰電池作為儀器供電電源,鋰電池的容量為3 500 mA·h,額定電壓是7.4 V。鋰電池電路設(shè)計(jì)中包括對(duì)鋰電池組進(jìn)行過充電、過放電、短路等保護(hù)措施。

多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)需要5 V和3.3 V兩種不同的供電電壓。由于供電鋰電池能量有限,為了使硬件電路功耗降低、性能穩(wěn)定,優(yōu)先選用低功耗穩(wěn)壓芯片。檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)下,CO2、CH4等傳感器的工作電壓為5 V。電源模塊使用DC-DC轉(zhuǎn)換電路將鋰電池的7.4 V穩(wěn)定在5 V,提供給傳感器和芯片供電,此設(shè)計(jì)可以使鋰電池壽命得到延長(zhǎng)。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

STM32F103系列單片機(jī)的供電電壓為2.0 V～3.6 V,為了給系統(tǒng)的電壓更穩(wěn)定,采用了穩(wěn)壓芯片。通過AMS1117-3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V,供MCU和外圍模塊使用。電路設(shè)計(jì)如圖3所示,包括濾波環(huán)節(jié)。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

為了使所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo),而且使系統(tǒng)更加可靠、抗干擾能力更強(qiáng)。在查閱相關(guān)資料后,經(jīng)過不斷調(diào)試,設(shè)計(jì)出了每個(gè)傳感器相應(yīng)的調(diào)理電路。通常將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),以作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可識(shí)別的輸入信號(hào),這就需要信號(hào)調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)這些功能,下面主要介紹電化學(xué)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。

2.3.1 O2調(diào)理電路

O2氣體傳感器采用的是CITY公司生產(chǎn)的兩電極電化學(xué)傳感器。它具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),適用于礦業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。當(dāng)有O2擴(kuò)散進(jìn)入傳感器后,在工作電極表面進(jìn)行反應(yīng),產(chǎn)生與氣體濃度成比例的微弱電流。如圖4所示是設(shè)計(jì)出的O2調(diào)理放大電路。采用高精度單電源供電、軌對(duì)軌運(yùn)算放大芯片AD8606。O2傳感器在空氣中的輸出為0～0.14 mA,經(jīng)過對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè),其輸出電壓范圍在0～2.8 V之間。

圖2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

圖4 O2調(diào)理電路

2.3.2 CO調(diào)理電路

CO傳感器選用CITY公司生產(chǎn)的三電極電化學(xué)傳感器。在兩電極傳感器基礎(chǔ)上引入了第3個(gè)電極,即參考電極。它具有比兩電極傳感器測(cè)量精度更準(zhǔn)確、結(jié)果更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)出的CO調(diào)理放大電路如圖5所示。放大芯片TLC2274具有高輸入阻抗和低噪聲等特性,是傳感器應(yīng)用場(chǎng)合的理想器件。CO傳感器在空氣中的輸出為(70±15)nA/ppm,經(jīng)過調(diào)理電路的輸出信號(hào)測(cè)試,輸出電壓范圍為0～3 V。

圖5 CO調(diào)理電路

2.4 液晶顯示模塊

為了使多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)更好的具有人際交互界面,實(shí)時(shí)的顯示6種氣體濃度、當(dāng)前環(huán)境溫濕度、電池電量狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)等信息。本系統(tǒng)采用2.8 inch TFT液晶顯示屏,它通過ILI9320芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。顯示屏工作電壓為3.3 V,工作溫度為-40 ℃～+85 ℃,可視區(qū)域?yàn)?3.2 mm(W)×57.6 mm(H)。系統(tǒng)將經(jīng)MCU處理后的顯示信息通過TFT液晶屏顯示出來。TFT液晶顯示電路如圖6所示。

圖6 TFT屏連接電路圖

2.5 聲光報(bào)警模塊

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的6種氣體實(shí)測(cè)值超過了設(shè)定的6種氣體相對(duì)應(yīng)的報(bào)警閾值,檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行燈光報(bào)警并且伴隨著蜂鳴聲,可以提前預(yù)防事故的發(fā)生。

設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)中使用LED燈和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能,其中蜂鳴報(bào)警電路如圖7所示。

圖7 蜂鳴報(bào)警電路

2.6 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了使多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)礦井下和井上的數(shù)據(jù)傳輸,采用了基于SX1278的低功耗傳輸模塊,設(shè)計(jì)了無線收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

無線模塊工作電壓為3.3 V,其工作通用頻段介于410 MHz～441 MHz,模塊基于LORA直序擴(kuò)頻技術(shù),將傳輸距離得到了較大的提升。其可設(shè)置模式有:一般模式、喚醒模式、省點(diǎn)模式、休眠模式,提供UART串口接口,能和任何單片機(jī)之間進(jìn)行通信。此外,它可作為中繼節(jié)點(diǎn),具備抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。其處于工作狀態(tài)時(shí),消耗電流僅幾十μA,功耗非常低,非常適用于本檢測(cè)系統(tǒng)。

圖8 無線模塊內(nèi)部示意圖

工作原理:SX1278屬于半雙工收發(fā)器,在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行模式切換。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí),先初始化SX1278,使它進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),通過串行外設(shè)接口將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SX1278的隊(duì)列中,當(dāng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫完后,SX1278自動(dòng)完成發(fā)射。采用中斷方式來接收數(shù)據(jù)時(shí),如果SX1278接收到數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)會(huì)保存在隊(duì)列中,當(dāng)接收完畢后會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn),如果校驗(yàn)通過,SX1278會(huì)在DIO0端口執(zhí)行相應(yīng)指令。SX1278提供的DIO0數(shù)字端口可以讀取收發(fā)狀態(tài),起到提示數(shù)據(jù)接收和發(fā)送完畢的作用。示意圖如圖8所示。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

系統(tǒng)軟件部分包括基于C語言編寫的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和基于QT平臺(tái)開發(fā)的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)思路是模塊化設(shè)計(jì),在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),分層調(diào)用功能模塊和中斷模塊。功能模塊包括:液晶顯示模塊、按鍵模塊、串口通信模塊、報(bào)警模塊。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成檢測(cè)系統(tǒng)上電初始化、 數(shù)據(jù)采集與處理、各部分模塊的循環(huán)調(diào)用等。

圖9為主程序流程圖。系統(tǒng)上電后,進(jìn)行初始化并顯示開機(jī)畫面,隨后正常進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與顯示模式,調(diào)用按鍵查詢處理程序,可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面或低功耗模式完成相應(yīng)的操作。

圖9 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中采集數(shù)據(jù),環(huán)境中的一些干擾噪聲會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,為了使檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和可靠,在ADC采集程序中加入了算數(shù)平均值濾波處理,利用ADC模塊分別將六路傳感器信號(hào)連續(xù)掃描采集30次,求出平均值,以待檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步處理。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文基于QT平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件。主界面如圖10所示,通過該軟件可以實(shí)現(xiàn)更多的功能,便于多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)配置和觀察。

圖10 上位機(jī)界面

該軟件主界面主要由串口使能面板、串口通信參數(shù)配置面板、氣體濃度報(bào)警閾值設(shè)置面板、實(shí)時(shí)濃度曲線顯示面板等部分組成,提供直觀的顯示。氣體濃度報(bào)警閾值設(shè)置面板用于6種氣體報(bào)警閾值和時(shí)間的設(shè)置,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的氣體濃度值高于所設(shè)定的閾值時(shí),面板上的紅色報(bào)警指示會(huì)點(diǎn)亮,從而引起作業(yè)人員注意。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示面板,工作人員可以觀察到各氣體實(shí)時(shí)濃度值。用戶從實(shí)時(shí)濃度曲線圖可得出各氣體濃度值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。此外工程人員還可以使用圖形處理工具對(duì)曲線圖進(jìn)行處理,便于查看和分析。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

整個(gè)硬件檢測(cè)系統(tǒng)搭建完成后,在實(shí)驗(yàn)之前,對(duì)每個(gè)傳感器先僅通入純氮?dú)?直到開機(jī)后檢測(cè)到的每種氣體讀數(shù)穩(wěn)定不變,給傳感器校零,然后通過流量計(jì)閥門控制氣體的流速,保證被檢濃度氣體與傳感器充分接觸,通過顯示屏顯示檢測(cè)到的氣體濃度值。

通過設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)對(duì)每種氣體特定的濃度進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)示意圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)檢測(cè)示意圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)部分,對(duì)多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的可用性、準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試,首先,利用MATLAB軟件對(duì)采集到的各氣體濃度和其對(duì)應(yīng)電壓數(shù)據(jù)采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合得出兩者之間的關(guān)系。利用此修正函數(shù)處理傳感器輸出信號(hào),使檢測(cè)系統(tǒng)的精度得到很大提升。其次,將經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門考核認(rèn)證單位提供的氣樣注入檢測(cè)系統(tǒng)中,對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果誤差和傳感器響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試,試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:基于紅外吸收和電化學(xué)原理的多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),可燃?xì)怏w檢測(cè)結(jié)果誤差滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的±5% FS以內(nèi),精度可以達(dá)到±3% FS,其測(cè)量范圍、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)和功能均滿足開發(fā)要求的技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的多氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),采用高性能低功耗的處理器和性能優(yōu)越的傳感器,檢測(cè)精度可達(dá)到±3% FS,具有操作方便、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),達(dá)到了預(yù)期效果。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了6種氣體濃度實(shí)時(shí)檢測(cè),并且完成了濃度值等多參數(shù)的存儲(chǔ)、顯示、無線傳輸?shù)裙δ?。工作人員通過上位機(jī)可以更及時(shí)的發(fā)現(xiàn)隱患,減少事故的發(fā)生,使人員生命安全得到了雙重保障,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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郭瑞鵬(1981),女,河南人,博士,南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院測(cè)試系講師,主要從事檢測(cè)儀表、激光超聲檢測(cè)技術(shù)、無損檢測(cè)技術(shù)的研究,rpguo@nuaa.edu.cn;

梁釗銘(1990-),男,山西呂梁人,研究生,2014年于中北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)在讀研究生,主要從事檢測(cè)儀表、工業(yè)自動(dòng)化裝置方面,xyslzm@163.com

王海濤(1968-),男,江蘇溧陽人,教授,2002年6月于中科院獲得博士學(xué)位,主要從事電磁、超聲、激光超聲檢測(cè)技術(shù)、無損檢測(cè)技術(shù)的研究,htwang2002@126.com;

孔德鎖(1992-),男,安徽宣城人,研究生,2014年于江蘇大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,,現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院研究生,主要從事機(jī)器視覺及自動(dòng)控制方面的研究,desuo_kong1992@163.com。

Development of Multi Gas Detection System Based on Spectrum Technology*

GUO Ruipeng1,LIANG Zhaoming1,WANG Haitao1*,KONG Desuo1,WANG Yumeng1,YANG Xianming2
(1.College of Automation Engineering Nanjing Univ. of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China;2.Yantai Furun Industrial Company with Limited Liability,Yantai Shandong 264670,China)

In order to detect the concentrations of various gases in real time,based on the principles of measurement of infrared absorption spectroscopy and electrochemical detection,STM32F103 as the main control chip of a multi-gas concentration detection system is designed. The design scheme of the system is introduced as followed. The detecting system is composed of two parts,that is the upper monitor and the lower computer. The lower computer includes hardware and software designs,realizing some basic functions such as the real-time detection of multi-gas concentration and display,over the alarm threshold for sound-light alarm and so on,with the design idea of both high performance and low power consumption. The lower computer communicates with the upper monitor through the wireless transmission mode. The upper monitor based on QT platform to program,displays the concentration curves in real time and is convenient for users to monitor security in the remote. After the system performance test,results show that the accuracy with ±3% FS of this detection system can be reached. Besides,the system has a little error,is easy to operate and carry,works stably and can secure personal better.Meanwhile,remote monitoring capability also makes detection system have good practical value.

multi gas detection;system design;real-time monitoring;QT;wireless transmission

項(xiàng)目來源:國(guó)家安監(jiān)局關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目(SD0143-2014AQ);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程-中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(SJZZ15_0039);江蘇省重點(diǎn)研發(fā)(社會(huì)發(fā)展)項(xiàng)目(BE2015725);國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(2015424068)

2016-09-27 修改日期:2016-11-02

TP23

A

1004-1699(2017)04-0628-07

C:1200;2575;7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.025