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基于虚拟锁相放大器的中红外一氧化碳检测系统的研究

宋楠  
【摘要】:一氧化碳(CO)是一种有毒、可燃、可爆性气体,与空气混合极易发生爆炸。工业生产中,如果发生泄漏,则有可能引起火灾,造成重大伤亡。空气中CO的浓度超过0.005%就会引起中毒,若浓度达到12.5%,遇到明火就会发生爆炸[2]。近年来,我国煤矿多次发生火灾、瓦斯和煤尘爆炸等事故,伤亡惨重,经济损失巨大。国家煤矿安全监察局颁布的《煤矿安全规程》规定了矿井下一氧化碳的最高浓度是24ppm。因此,研究一种能实时、高效地检测出CO浓度的检测仪具有十分重要的意义。本工作来源于国家科技支撑计划:“煤矿用红外CO检测仪(传感器)研发”,项目编号:2013BAK06B04。 本文所设计的CO检测系统是在LabVIEW平台上实现的,PC机的数据处理能力较强,与嵌入式微处理器相比,具有很大的优势。该系统采用热光源发出红外光,经气体吸收后用双通道热释电探测器探测光信号强度,探测的光信号强度包含了气体浓度相关信息,首先,探测器输出的电信号需要用简单的信号处理电路包括跟随电路、前置放大电路和隔直电路对其进行处理。之后,利用USB数据采集卡采集处理后的信号,送入LabVIEW平台进行处理。传感信号的幅值由基于LabVIEW平台的虚拟锁相放大器来提取,虚拟锁相的核心是乘法器和幅值提取模块。本文还利用信号发生器产生幅值可调的标准正弦波作为待测信号,对虚拟锁相放大器进行了标定。对比标准正弦信号的幅度和虚拟锁相提取的幅度并拟合曲线,拟合优度为99.978%,二者具有良好的线性关系。 本文创新点:利用虚拟仪器设计锁相放大器,与传统锁相放大器相比,具有更好的线性度和更高的检测精度。使用纯气配备了20种不同浓度的CO气体,利用该虚拟检测系统开展了气体实验,测量了系统的检测下限、检测灵敏度和稳定性等指标,实验结果显示,该系统具有50ppm的检测下限,且检测误差小于4.2%。在浓度为3500ppm时,对气体样品进行了3小时的监测,CO的浓度波动范围在6%~6%之内。


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