光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究

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1、硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究作者姓名曾秋菊学位类别工程硕士指导教师王书涛教授2015年05月图分类号：TN21学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工程硕士学位论文（应用研究型）光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究硕士研究生：曾秋菊导师：王书涛教授副导师：焦广贺高级工程师申请学位：工程硕士工程领域：仪器仪表工程所在单位：电气工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinInstrumentandMeterEngineeringTHEDESIGNO

2、FOPTICALMETHANEDETECTIONSYSTEMANDRESEARCHONSIGNALPROCESSINGMETHODbyZengQiujuSupervisor:ProfessorWangShutaoYanshanUniversityMay,2015燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

3、本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名

4、：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要甲烷是大气的主要污染物之一，严重危害人们的生命安全，据悉，当空气中甲烷的浓度达到百分之十时，人体就会产生严重不适，甚至影响生命健康。因此，找到一种便捷，高效且实用的检测甲烷浓度的方法极为重要，由经典的郎伯-比尔定律可知，光谱吸收法对于甲烷的检测具有其独特的优势，能够实现甲烷的低浓度、高精度测量。本文以光谱吸收法为主线，展开系列研究，将光路模块设计、硬件电路模块设计、软件信号处理三者相衔接，依次进行研究设计，最终构成了一套完整的甲烷浓度检测系统。分别对以下工作进行研究：(1)对甲烷光谱吸收理论进行分析，根据甲烷分子的性质和光谱理论

5、，选择适合甲烷检测的线性和线宽，然后根据光谱吸收波段的确定，选择合适的光源，并进行差分式检测的光路设计。(2)搭建整体模式的甲烷浓度检测系统，将它主要分为三个模块：光路模块、电路模块、信号处理模块。分别对三个模块进行设计，利用光子晶体光纤和全反棱镜的有效结合，设计出可实现气体双光路浓度检测的气室，并对接收信号进行硬件电路和软件编程的处理，提高实验结果的精确性。(3)将小波去噪和经验模态分解去噪分别应用到测量的实验结果中，选取不同的评价指标对比它们的优劣性，从而确定经验模态分解的去噪效果更优。并且将去噪后的数据进行多次实验分析，验证了数据的有效性，进而验证了系统的可靠性。(

6、4)应用支持向量机神经网络实现甲烷浓度的等级预测，通过实验验证其预测的可靠性，实现了在不需要知道精确浓度，只需知道一定浓度范围下的准确预测，并设计出基于GUI的甲烷浓度等级预测的人机交互界面，便于更加直观的观测甲烷浓度等级变化，及时采取措施，降低损失。关键词：甲烷；光谱吸收法；经验模态分解；支持向量机；光子晶体光纤-I-燕山大学工程硕士学位论文AbstractMethaneisoneofthemainpollutantsintheatmosphere,whichcauseseriousdamagetopeople'slifesafety.Itisunderstoodtha

7、twhentheconcentrationofmethaneinairreaches10percent,thehumanbodycanfeelseverediscomfort,andevenaffectthelifehealth.Therefore,findaconvenient,efficientandpracticaltestingmethodtodeterminetheconcentrationofmethaneisveryimportance.BytheclassicBeer-Lambertlaw,thespectra