基于嵌入式技术的甲烷检测仪的研制

论文摘要

由于中国煤层气大多甲烷（俗称瓦斯）含量较高,而当矿井中瓦斯浓度达5%Vol-16%Vol时,即可能引起瓦斯爆炸,故造成煤矿瓦斯事故频发,给国家造成重大的人员伤亡和财产损失,也使无数遇难矿工家庭陷入绝境。所以准确检测和监控煤矿生产中的甲烷浓度意义十分重大。当甲烷浓度达到一定限度时,检测仪器如能及时发出警报,以便人们采取有效的安全措施,可有效防止爆炸及灾害的发生。针对上述原因,本文提出了一种便携式的基于嵌入式技术的甲烷检测仪,该仪器采用一种干涉结构,能在甲烷浓度值与干涉条纹移动量之间建立一种线性关系。然后进行视频采集,将连续移动变化的干涉图样输入嵌入式系统进行数字图像处理,获得干涉条纹的移动量,从而得到甲烷的浓度值。该仪器具有以下特点:1)由嵌入式开发板完成数字图像处理,真正实现了仪器的便携化,避免人眼读干涉条纹移动量产生误差。2)采用温度传感器采集环境温度,经模数转换输入嵌入式开发板,编程实现对外界环境变化引起的测量误差的补偿,从而提高了检测气体的精确度。3)气室设计结构简单,系统运行稳定可靠;4)采用CMOS摄像头采集视频信号,由于输出为数字信号,所以避免了采用视频采集卡进行模数转换所带来的系统复杂度和成本的提高。5)采用LCD进行实时显示浓度值,浓度达到一定限进行声光报警。6)该仪器稳定性高、防爆性好、响应速度快和使用寿命长,符合国家《煤矿安全规程》规定中对矿井瓦斯检测仪器的要求:

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 常见甲烷检测的方法
• 1.2.1 热催化式测定法
• 1.2.2 半导体气敏传感器测量法
• 1.2.3 光纤吸收法
• 1.2.4 渐逝场泄漏型光纤检测法
• 1.2.5 光声光谱法
• 1.2.6 光干涉法
• 1.3 甲烷检测的其它方法
• 1.4 本文的主要内容及结构安排
• 第二章 测量原理及总体方案
• 2.1 测量原理
• 2.2 浓度公式推导
• 2.3 设计要求和设计指标
• 2.4 本章小结
• 第三章 光学系统及机械系统具体设计
• 3.1 光学系统结构的选择
• 3.2 光源的选择
• 3.3 干涉条纹的形态及宽度公式推导
• 3.4 光学零件具体设计
• 3.5 气室结构
• 3.6 调零机构
• 3.7 机械结构装配图
• 3.8 本章小结
• 第四章 信号采集及处理系统设计
• 4.1 数据采集
• 4.2 信号采集及处理系统具体设计
• 4.2.1 嵌入式操作系统及相关产品选择
• 4.2.2 信号采集与处理系统开发环境的建立
• 4.2.3 摄像头视频采集应用程序
• 4.2.4 LCD触摸屏应用程序
• 4.2.5 miniGUI的移植
• 4.2.6 系统及应用程序烧写
• 4.3 本章小结
• 第五章 数字图像处理
• 5.1 前言
• 5.2 数字图像处理
• 5.2.1 获取灰度图
• 5.2.2 噪声清除
• 5.2.3 灰度直方图
• 5.2.4 图像分割
• 5.3 获取干涉条纹移动量
• 5.3.1 干涉条纹宽度
• 5.3.2 条纹移动的距离
• 5.4 数字图像处理流程图
• 5.5 补偿信号的采集、输入与处理
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验设计和误差分析
• 6.1 实验设计
• 6.2 误差分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表论文