氢泄漏检测与漏点定位技术研究

论文摘要

随着氢经济的发展,氢逐步应用到社会的各个方面,对氢安全提出了更高的要求。泄漏检测是氢安全的主要内容之一。由于传感器的限制,传统的氢泄漏检测系统(Hydrogen Detection System, HDS)在系统选择性、灵敏性和鲁棒性等方面存在缺陷,难以进一步提高检测性能和完全满足用氢设备的需求。传感器阵列(Sensors Array)与无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)的出现,为氢泄漏检测和漏点定位问题提供了一条崭新的解决途径。为此,本文引入传感器阵列与无线传感器网络技术,对氢泄漏检测与定位所涉及的关键技术进行研究,主要内容包括:(1)详细介绍了各种氢敏传感器的基本原理,并对其应用特点进行了比较;对传感器阵列与无线传感器网络技术进行了综述。(2)在分析各种氢敏传感器性能的基础上,采用金属氧化物半导体氢敏传感器,设计并构造了一套基于单氢传感器的氢泄漏检测系统,对系统进行了试验验证,并对所采集的数据进行了分析。(3)针对单氢传感器氢泄漏检测系统的不足,将传感器阵列与无线传感器网络技术引入氢泄漏检测领域。介绍了传感器阵列的设计流程,并在现有WSN节点开发平台的基础上,结合氢泄漏检测的实际情况,设计了针对氢泄漏检测的WSN节点。(4)在分析传感器阵列信号特点的基础上,研究了传感器温湿度校正、稳态值预测和信号调节等氢泄漏检测信号处理技术。(5)构建基于ZigBee协议的无线传感器网络模型,详细介绍WSN的各种定位方法并进行了比较;在氢气泄漏扩散数值模型的基础上,分别运用支持向量回归(Support Vector Regression, SVR)模型和指数模型,对得到的数值模型进行回归处理;在此基础上,运用人工神经网络(Artificial Neural Networks, ANN)技术,对氢气泄漏源定位方法进行了研究。研究结果表明,基于单氢传感器的氢泄漏检测系统结构简单,性能可靠。将传感器阵列与无线传感器网络引入这一领域,为氢泄漏检测提供了一条崭新的途径,并为泄漏源的定位提供了可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 氢敏传感器技术的研究现状
• 1.2.2 氢泄漏检测系统的研究现状
• 1.2.3 传感器阵列技术的研究现状
• 1.2.4 无线传感器网络的研究现状
• 1.3 论文的结构安排
• 第二章 基于单氢传感器的氢泄漏检测系统设计与验证
• 2.1 氢敏检测变送器设计
• 2.1.1 氢敏检测变送器硬件设计
• 2.1.2 氢敏检测变送器参数设计
• 2.2 变送器机壳封装设计
• 2.3 信号采集与分析
• 2.3.1 实验条件与方法
• 2.3.2 实验数据
• 2.3.3 数据处理
• 2.4 本章小结
• 第三章 氢敏传感器阵列节点设计
• 3.1 氢敏传感器阵列设计
• 3.1.1 传感器选型
• 3.1.2 传感器阵列的硬件设计
• 3.2 无线传感器网络节点设计
• 3.2.1 无线传感器网络概述
• 3.2.2 芯片选型
• 3.2.3 节点设计
• 3.3 氢敏传感器节点封装设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 传感器阵列信号处理技术
• 4.1 传感器阵列信号温湿度校正
• 4.1.1 TGS 氢敏传感器温度硬件补偿
• 4.1.2 TGS 氢敏传感器的温湿度软件补偿
• 4.2 传感器阵列信号稳态值预测技术
• 4.2.1 模型的建立与求解
• 4.2.2 实验验证
• 4.3 传感器阵列信号调节技术
• 4.4 本章小结
• 第五章 氢泄漏点定位技术
• 5.1 ZigBee 网络构建方案
• 5.2 基于无线传感器网络的定位技术
• 5.2.1 无测距分布式算法
• 5.2.2 测距算法
• 5.3 泄漏点定位技术
• 5.3.1 氢气泄漏场的模型建立
• 5.3.2 基于人工神经网络的泄漏源定位方法
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果