基于LED光源的光声光谱气体传感器的研究与实现

摘要

传统毒气检测装置由于受到自身探测灵敏度的限制，难以对痕量气体有效地检测，本文采用光声光谱技术方法替代传统毒气报警装置进行检测，并利用 LED光源替代传统光声光谱的激光器，大幅提高了测量精度。由于LED光源波段范围较宽，多种待测气体分子的吸收谱线密集交叉重叠，加上压力加宽因素，导致测得的光声光谱信号的分辨成为光谱数据处理的难题。文中针对多组分气体检测的需要，提出采用改进的盲信号分离技术分离多组分气体。
　　本文在系统地研究了离轴石英增强型光声光谱技术的基础上，采用石英音叉并配有离轴配置的共振管搭建了光声光谱检测平台。文中首先对光声光谱技术进行了介绍，包括红外吸收及光声信号产生原理等。其次利用盲信号分离技术对混合信号进行分离，并对改进的FastICA算法进行了深入的研究。对于计算精度问题本文针对性的设计了双精度计算方法，并将改进的盲信号分离算法与双精度计算相结合移植到了嵌入式平台。为了让系统更加协调稳定的工作，文中在 visual studio2008平台下设计了相关应用程序界面。最后本文以CO2为目标气体对光声信号和气体浓度进行了标定，并将CO2和SO2的混合气体进行分离。
　　通过实验结果表明利用盲信号分离算法进行分离是可行的，实验平台的设计具有检测速度快，精度高的特点。

目录

声明

第1章 绪论

1.1本文的研究背景及意义

1.2 光声光谱检测气体方法的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 光声光谱检测技术

2.1红外吸收及光声效应

2.2光声光谱技术

2.3石英音叉的基本特性

2.4光声光谱技术的特性研究

2.5光声光谱特性测试电路及噪声分析

2.6小结

第3章 盲信号分离方法

3.1概率统计基础

3.2盲信号分离模型

3.3盲信号分离的可解性及不确定性

3.4盲信号分离算法原理

3.5 ICA算法基本概述

3.6快速独立分量分析算法及其改进

3.7 双精度数据显示与运算设计

3.8嵌入式系统中盲信号分离算法的实现

3.9小结

第4章 硬件设计

4.1嵌入式ARM的选择

4.2光源及驱动电路

4.3斩波器的设计

4.4 按键的设计

4.5 LCD的硬件电路设计

4.6 测速模块

4.7 ADC的选择

4.8气体配比仪的设计

4.9小结

第5章 软件设计

5.1 ARM控制板的设计

5.2气体发生源的软件设计

5.3数据存储的软件设计

5.4绘制数据曲线

5.5 PWM程序设计

5.6小结

第6章 实验结果及分析

6.1气体浓度的标定

6.2实验及数据处理

6.3误差分析

6.4小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢