便携式现场甲醛检测仪的设计

论文摘要

室内装修材料与家具等释放的甲醛是室内空气中的主要污染物,严重影响着人们的健康。目前国内检测甲醛的方法以实验室化学分析法为主,缺点是检测周期长且操作不方便,设备体积庞大,价格昂贵等。甲醛现场检测仪主要采用电化学传感器检测原理,检测精度不高、易受环境影响。本课题针对传统甲醛检测的不足以及当前国内市场的需求,设计了一种检测精度高、成本低、实现现场检测的甲醛分析仪。本课题研究了室内空气中甲醛浓度检测的各种原理以及操作方法,针对现场检测仪的功能特点,根据酚试剂分光光度检测甲醛原理,提出了用定波长发光二极管以及相应光电检测电路代替实验室复杂光学系统的设计方案,在设计中使恒流气体采样模块与分析模块合为一体,实现现场检测。本论文根据酚试剂分光光度检测原理设计了甲醛检测仪的系统结构。硬件电路采用模块化设计,由光电检测模块、恒流气体采样模块、A／D转换模块、人机交互模块以及单片机外围电路模块等组成,其中重点研究设计了光电检测模块与恒流气体采样模块。本文详细论述了光电检测基本原理与结构,对比选择了光电探测器件与集成运算放大器,研究设计了适用于甲醛检测仪的光电检测前置放大电路。系统软件采用模块设计。设计了数据采集与存储子程序、恒流气体采样子程序、人机交互子程序以及数据处理子程序等。在恒流气体采样子程序中应用模糊PID算法实现对真空气泵的控制,提高了气体采样精度。在完成了仪器硬件与软件设计的基础上,本论文重点研究了甲醛含量与光电转换数据对应关系的曲线拟合方法,分析了最小二乘法与插值法的算法结构及应用特点。根据甲醛含量与吸光度的线性关系选择线性分段插值法,针对插值法的缺陷应用模糊数学对其优化,即模糊插值法,在保证精度的同时减少标定点数,简化在线标定操作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究动态及发展趋势
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 室内空气甲醛含量检测方法
• 2.1 甲醛的理化性质、来源及危害
• 2.1.1 甲醛的理化性质
• 2.1.2 室内空气中甲醛的来源
• 2.1.3 甲醛的危害性
• 2.2 室内空气中甲醛含量常用检测方法
• 2.2.1 仪器法
• 2.2.2 化学分析法
• 2.3 室内空气甲醛含量现场检测方法
• 2.3.1 电化学传感器法
• 2.3.2 可调激光吸收光谱法
• 2.3.3 差分光学吸收光谱法
• 2.3.4 窄带吸收法
• 2.3.5 衰荡腔光谱法
• 2.3.6 快速检测法
• 2.4 酚试剂分光光度法检测室内空气甲醛含量
• 2.4.1 传统酚试剂分光光度法测定原理
• 2.4.2 甲醛现场检测仪原理分析
• 3 便携式甲醛检测仪的硬件设计
• 3.1 甲醛检测仪结构
• 3.2 光电检测模块
• 3.2.1 光电检测原理介绍
• 3.2.2 光电检测结构
• 3.2.3 选择光电探测器
• 3.2.4 光电检测及前置放大电路设计
• 3.3 真空气泵控制模块
• 3.4 A/D转换模块
• 3.5 人机交互模块
• 3.6 实时时钟模块
• 3.7 EEPROM串行存储模块
• 4 便携式甲醛检测仪的软件设计
• 4.1 甲醛检测仪主程序
• 4.2 数据采集与存储子程序
• 4.2.1 数据采集
• 4.2.2 数据存储
• 4.3 气体采样控制子程序
• 4.4 人机交互子程序
• 4.5 时钟控制子程序
• 4.6 打印输出子程序
• 5 曲线拟合算法研究
• 5.1 曲线拟合方法概述
• 5.1.1 插值法
• 5.1.2 最小二乘法
• 5.2 气体流量曲线标定
• 5.3 甲醛与光电检测数据曲线标定
• 5.3.1 甲醛含量与透光度曲线拟合
• 5.3.2 甲醛含量与吸光度的线性拟合
• 5.3.3 模糊算法在插值中的应用
• 5.4 工作曲线误差分析
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 个人简历
• 致谢