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实际观测资料表明,全球范围对流层中的臭氧浓度有逐渐增加的趋势,这显然会对地球的气候和环境产生直接的影响,加剧对流层中的光化过程,加重大气污染。从而影响到人类健康和生态环境。研究对流层中,尤其是近地面大气中臭氧浓度的变化趋势以所导致的生态环境效应已成为当前臭氧研究中的重要内容。
同时,我国社会经济在改革开放以来,获得了持续、高速的发展。在这一社会经济发展形势下,全社会对环境保护、环境监测工作也提出了越来越高的要求。展望全国未来的环境监测,将重点建设满足社会经济可持续发展需要的环境监测技术体系。根据环境监测工作实际和环境管理之急需,我国将在现有成果的基础上,进一步完善现有环境空气质量监测系统,有条件的地区在现有环境空气质量自动站点增加O3、CO等监测项目,本底点要配置低浓度监测及校准仪,重点开展环境空气质量与污染源响应关系及其变化规律的研究。
长久以来,我国环境监测仪器设备在自动化、连续性、可靠性、实时性与国际先进水平仍有一定差距,高、精、尖的分析与监测仪器仍依靠进口。环境监测仪器在开发上要大景引进国外的先进技术,要走引进、消化、吸收和国产化的道路。
综上,研究制造高精度、高稳定性的大气本底臭氧监测仪对环境监测,响应国家的可持续发展政策有着重要的意义。而臭氧监测仪器的技术核心在于测控系统,针对这一现状,提出对大气本底臭氧监测仪测控系统进行研究与设计的课题。
本文详细的介绍了大气本底臭氧监测仪测控系统的设计与实现过程,主要章节及其内容简述如下:
第一章,介绍了本文的课题来源、研究目的和研究内容,给出了环境臭氧监测仪器的特点,阐述了国内外臭氧监测仪器的研究现状以及发展趋势,最后列出了本文的主要研究内容。
第二章,介绍了大气本底臭氧监测仪整机的结构与工作原理。首先,阐述了测晕臭氧浓度的方法——紫外辐射吸收法,以及它的基本原理。然后,论述了臭氧监测仪器常用的两种光路结构及其优缺点的比较。最后,概要的描述了臭氧监测仪器的主体结构,尤其是测控系统部分的结构设计以及工作流程。
第三章,详尽的阐述了大气本底臭氧监测仪测控系统主要硬件部分的设计。首先,介绍了微控制器STM32F103的特点与优势,以及主控制电路板的设计。然后,从紫外光源、光强探测器件等的选型与电路设计的角度,重点论述了闭环控制恒光强紫外光源的硬件结构设计。随后,分别描述了紫外紫外吸收池恒温恒压控制部分的温湿度测量、气压气流的测量以及相关的控制硬件结构与电路设计。最后,介绍了硬件抗干扰措施。
第四章,详细的阐述了大气本底臭氧监测仪测控系统主要软件部分的设计。首先,绘制了整个测控系统的工作流程图。然后,具体的阐述了STM32F103的初始化与各应用功能的配置。最后,概要的阐述了PID闭环控制算法的原理以及结合本设计的具体应用。
第五章,对大气本底臭氧监测仪测控系统的研制过程进行了总结,指出了研制过程中存在的不足,并提出了对未来研究方向的展望。
本论文针对大气本底臭氧监测仪测控系统的研究,通过理论分析和实验研究,最终使大气本底臭氧监测仪指标达到了预期值。本文的创新点在于:第一,针对紫外吸收臭氧监测仪器对光源要求极高的特点。设计光源的全自动闭环反馈系统装置,使得无论是电源的变化还是元器件老化引起的光源的变化都能得到精确的补偿,提高了仪器测量的准确性与长期稳定性。第二,针对温度、压力及流量是影响检测精度的重要因素,设计出紫外吸收臭氧监测仪器紫外吸收池的闭环馈恒温恒压控制装置。