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一种嵌入式毒气检测仪的结构设计与光谱分析研究

吕建波  
【摘要】: 环境污染监测、现代高技术局部战争生化战剂使用和恐怖组织生化袭击,对神经性毒气沙林(Sarin)、梭曼(Soman)和窒息性毒气光气(Phosgene)等剧毒气体的快速检测提出了更高要求。世界各发达国家一直在进行毒气检测的新方法、新技术、新仪器的研发,力求提供现代化的检测手段,保障国家和军队避免受到生化袭击威胁,监测毒气泄漏和环境污染。本文在深入了解了毒气检测发展历程和国内外研究现状的基础上,提出了一种微小型、快速、价格低廉的基于光谱分析技术的嵌入式毒气检测仪的结构并对测量光谱进行了分析和研究。 针对单组分神经性毒气识别和痕量浓度测量的需求,本文设计了基于朗伯-比尔定律和阵列传感器的多点测量技术方案的仪器结构,论文围绕仪器的检测原理、结构设计和光谱分析方法进行研究;检测仪采用了典型的后分光光度法结构,功能模块上分为光学测量模块、毒气流路进样模块、测头精密机械传动定位模块、嵌入式硬件控制模块和光谱数据分析处理模块;文中重点论述了检测仪的工作原理和结构设计,以ARM7和μC/OS-II嵌入式系统搭建了整个仪器的硬件平台;同时提出了基于可见吸收光谱分析的主成分分析(principal component analysis,PCA)与BP人工神经网络(Back propagation Artificial Neural Networks,BPANN)的组合识别模型和痕量浓度的测量算法,并利用PCA与BP人工神经网络的组合模型和痕量浓度测量算法分别对毒气进行了种类识别测试和仪器标定及痕量浓度测量的验证性实验。 文章共分为六章,第一章介绍了毒气检测工作的紧迫性,以及毒气检测的发展历程和国内外研究现状;第二章对仪器的测量原理进行了介绍,从金属卟啉的特性和基于阵列传感器的多点测量技术出发,阐述了金属卟啉阵列传感器的气敏阵列条的制作流程,并设计了仪器的总体方案;第三章对检测仪的各关键功能模块的工作原理和性能要求进行了分析,并确定了相应的设计方案;第四章以Samsung公司的ARM7 S3C44B0X和μC/OS-II搭建了仪器的硬件平台,并制作了实验装置以获取光谱数据;第五章光谱分析与毒气识别及测量,介绍了基于光谱分析的毒气种类识别子系统和痕量浓度测量子系统;第六章对全文做了总结和展望,总结了本课题的主要工作,并展望了下一步的工作。


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