光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究

【摘要】：甲烷是大气的主要污染物之一,严重危害人们的生命安全,据悉,当空气中甲烷的浓度达到百分之十时,人体就会产生严重不适,甚至影响生命健康。因此,找到一种便捷,高效且实用的检测甲烷浓度的方法极为重要,由经典的郎伯-比尔定律可知,光谱吸收法对于甲烷的检测具有其独特的优势,能够实现甲烷的低浓度、高精度测量。本文以光谱吸收法为主线,展开系列研究,将光路模块设计、硬件电路模块设计、软件信号处理三者相衔接,依次进行研究设计,最终构成了一套完整的甲烷浓度检测系统。分别对以下工作进行研究:(1)对甲烷光谱吸收理论进行分析,根据甲烷分子的性质和光谱理论,选择适合甲烷检测的线性和线宽,然后根据光谱吸收波段的确定,选择合适的光源,并进行差分式检测的光路设计。(2)搭建整体模式的甲烷浓度检测系统,将它主要分为三个模块:光路模块、电路模块、信号处理模块。分别对三个模块进行设计,利用光子晶体光纤和全反棱镜的有效结合,设计出可实现气体双光路浓度检测的气室,并对接收信号进行硬件电路和软件编程的处理,提高实验结果的精确性。(3)将小波去噪和经验模态分解去噪分别应用到测量的实验结果中,选取不同的评价指标对比它们的优劣性,从而确定经验模态分解的去噪效果更优。并且将去噪后的数据进行多次实验分析,验证了数据的有效性,进而验证了系统的可靠性。(4)应用支持向量机神经网络实现甲烷浓度的等级预测,通过实验验证其预测的可靠性,实现了在不需要知道精确浓度,只需知道一定浓度范围下的准确预测,并设计出基于GUI的甲烷浓度等级预测的人机交互界面,便于更加直观的观测甲烷浓度等级变化,及时采取措施,降低损失。 【关键词】：甲烷 光谱吸收法 经验模态分解 支持向量机 光子晶体光纤
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X84;TP274
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题的研究的背景及意义10-12
• 1.2 气体检测方法的发展12-16
• 1.2.1 电化学检测方法12-13
• 1.2.2 光干涉检测方法13-14
• 1.2.3 气相色谱检测方法14-15
• 1.2.4 光谱吸收式检测方法15-16
• 1.3 国内外研究进展16-18
• 1.3.1 国外研究进展16-17
• 1.3.2 国内研究进展17-18
• 1.4 课题的来源和主要研究内容18-20
• 第2章 光谱吸收理论20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 吸收光谱原理20-25
• 2.2.1 甲烷分子性质20-21
• 2.2.2 分子吸收光谱原理21-23
• 2.2.3 分子吸收线型和线宽23-25
• 2.3 吸收波段选择25-27
• 2.4 差分吸收检测方法27-30
• 2.5 本章小结30-32
• 第3章 甲烷检测系统的设计32-45
• 3.1 引言32
• 3.2 测量系统整体结构设计32-33
• 3.3 光源模块的设计33-35
• 3.4 气室的设计35-39
• 3.4.1 光学器件的选取35-38
• 3.4.2 气室的整体设计38-39
• 3.5 信号接收电路设计39-43
• 3.5.1 光电二极管39-41
• 3.5.2 光电信号放大电路41-42
• 3.5.3 A/D转换电路42-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 信号处理与实验结果分析45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 小波去噪45-49
• 4.2.1 小波去噪原理45-47
• 4.2.2 小波去噪结果47-49
• 4.3 EMD去噪49-53
• 4.3.1 EMD去噪原理49-52
• 4.3.2 EMD去噪结果52-53
• 4.4 去噪结果对比53-55
• 4.5 实验结果分析55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 甲烷浓度的等级预测57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 SVM的应用57-63
• 5.2.1 SVM原理57-59
• 5.2.2 SVM算法的应用59-63
• 5.3 甲烷气体浓度预测的GUI人机交互界面63-66
• 5.4 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果73-74
• 致谢74-75
• 作者简介75

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