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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

作　者: 吕建波
导　师: 廖海洋
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 毒气检测阵列传感器吸收光谱主成分分析 BP人工神经网络
分类号: TP216
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-14
  1.1 毒气检测课题的提出及研究意义  9
  1.2 毒气检测的发展历程及国内外研究现状  9-12
    1.2.1 毒气检测的发展历程  9-10
    1.2.2 国外研究现状  10-12
    1.2.3 国内研究现状  12
  1.3 本课题研究目的和主要内容  12-14
2 仪器的测量原理和总体方案  14-21
  2.1 仪器的测量原理  14-15
    2.1.1 物质对光的选择性吸收  14-15
    2.1.2 朗伯-比尔(Lamb-Beer)定律  15
  2.2 金属卟啉阵列式传感器设计  15-18
    2.2.1 金属卟啉的分子识别效应  16
    2.2.2 基于金属卟啉的阵列传感器与气敏阵列条的设计  16-18
  2.3 仪器总体结构设计  18-20
    2.3.1 后分光光度法  18
    2.3.2 检测仪的功能结构分析与设计  18-20
  2.4 本章小结  20-21
3 毒气检测仪关键功能模块设计  21-31
  3.1 光学测量模块的设计  21-24
    3.1.1 毒气检测仪光学测量模块的基本结构  21-22
    3.1.2 光源的选择及其性能参数  22-23
    3.1.3 微型光谱仪的选型及其性能  23-24
  3.2 毒气流路进样模块的设计  24-28
    3.2.1 毒气流路进样模块的基本结构  24
    3.2.2 毒气反应室的结构设计  24-27
    3.2.3 微型真空泵的选取与特性  27-28
  3.3 测头精密机械传动定位模块的设计与定位精度  28-29
    3.3.1 精密丝杠副的设计  28
    3.3.2 步进电机与其驱动器的选取与特性  28-29
  3.4 机械系统的整合与装配  29-30
  3.5 本章小结  30-31
4 毒气检测仪嵌入式主机板设计  31-51
  4.1 嵌入式主机板硬件的设计  31-41
    4.1.1 嵌入式主机板核心处理器的选取及系统地址分配  32-34
    4.1.2 主机板供电系统的设计与器件选取  34
    4.1.3 主机板复位电路的设计与器件选取  34-35
    4.1.4 主机板FLASH 电路的设计与器件选取  35
    4.1.5 主机板SDRAM 电路的设计与器件选取  35-36
    4.1.6 主机板异步串行接口电路设计与器件选取  36-37
    4.1.7 主机板LCD 触摸屏电路设计与器件选取  37-39
    4.1.8 光谱仪到主机板的数据传输电路设计  39
    4.1.9 步进电机和光源控制电路设计  39-40
    4.1.10 主机板PCB 板制作  40-41
  4.2 嵌入式主机板软件的设计  41-50
    4.2.1 嵌入式操作系统μC/OS-II 的移植  41-45
    4.2.2 主程序流程图  45-46
    4.2.3 光谱仪控制与数据传输程序  46-48
    4.2.4 LCD 触摸屏程序  48-50
  4.3 实验装置的制作  50
  4.4 本章小结  50-51
5 光谱分析与毒气识别及测量  51-64
  5.1 光谱分析技术概述  51-53
    5.1.1 可见光谱的特点  51-52
    5.1.2 光谱分析的流程  52-53
  5.2 基于光谱分析的毒气识别子系统研究  53-60
    5.2.1 光谱信息的获取  54
    5.2.2 光谱预处理研究  54-56
    5.2.3 光谱响应模式的建立  56
    5.2.4 光谱响应模式特征提取分析  56-59
    5.2.5 分类识别研究  59-60
  5.3 基于光谱分析的痕量浓度测量子系统研究  60-62
    5.3.1 光谱信息的获取和预处理研究  60
    5.3.2 光谱的寻峰  60-61
    5.3.3 仪器标定与痕量浓度计算算法  61-62
  5.4 本章小结  62-64
6 结论与展望  64-66
  6.1 论文主要工作及结论  64
  6.2 后续研究工作的展望  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
附录  70
  作者在攻读硕士学位期间发表的论文  70

一种嵌入式毒气检测仪的结构设计与光谱分析研究

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