CN101576489A - 光干涉检测甲烷或二氧化碳装置及精度自动补偿检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，包括一个利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统；一个将两组条纹的物理位置信息转化为电信号的图像传感器；一个用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷含量的电信号采集处理部分。本发明还包括具有零点自动跟踪，精度自动补偿能力的测定空气中甲烷、二氧化碳浓度的方法。本发明的特点是在同一光路中采用两组条纹实现了光学图像的差分化，进而整个系统以差分化方式处理数据，极大地提高了设备的抗干扰能力。本发明基于仪器精度的自动补偿原理，解决了传统光干涉甲烷检测仪因光学系统畸变引起的精度严重失衡和零点严重漂移的难题，当仪器精度严重失衡时仪器能够智能识别，可以有效地校准。

Description

光干涉检测甲烷或二氧化碳装置及精度自动补偿检测方法

技术领域

本发明涉及空气中甲烷或二氧化碳含量检测技术，特别是一种适用于煤矿安全监测系统中的光干涉检测甲烷或二氧化碳装置及精度自动补偿检测方法。

背景技术

干涉式气体传感器的基本原理是应用光的干涉现象来测气体的浓度，光干涉系统相对于载体催化来讲，在理论上有精度高、测量范围广、稳定性好等诸多优点。传统的目测型光干涉甲烷检测仪主要采用人工读数的方法，存在自动化程度低、测量方法繁琐、读数不直观、人为误差较大、不能存储数据等自身弱点。近年来出现了使用图像传感器读数的智能光干涉甲烷检测仪，它具有自动化程度高，测量方便，能够自动保存数据的优点，但在受到复杂的环境应力影响时，它的精度和零点会严重漂移。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，第二目的是提供一种前述装置的精度自动补偿检测方法，通过采用改进型的光路和优化的数据处理方法实现了光干涉甲烷检测仪零点和精度的自适应，解决了智能光干涉甲烷检测仪在复杂环境下精度和零点严重漂移的难题。

为本发明的第一目的而采用的技术方案如下：

一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，其特征为：包括一个利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统；一个将两组条纹的物理位置信息转化为电信号的图像传感器；一个用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷含量的电信号采集处理部分；其中

1)、所述利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统：包括入射光源，在光源之前装有聚光镜、胶合透镜、光栏，以实现对入射光的准直及除去杂光；还包括胶合棱镜、图像传感器的感光部分、直角棱镜及设置在它们之间的气室，所述胶合棱镜由一个分光棱镜和一个反射棱镜胶合而成，来自光源的入射光经胶合棱镜后分光为两束光，两束光经气室后经直角棱镜反射，再经气室后由胶合棱镜输出；所述气室被分成两部分：不含甲烷或二氧化碳的空气气室及含甲烷或二氧化碳的空气采样气室；所述胶合棱镜的光输出端设置图像传感器的感光部分，由所述图像传感器将获得的光干涉条纹图像转换为电信号输出；由胶合棱镜分束得到的两束相干光经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室干涉后在图像传感器的感光面上获得一组干涉条纹；由胶合棱镜分束得到的另两束相干光，一束经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室、另一束经过含有甲烷或二氧化碳空气的采样气室，两束光干涉后在图像传感器的感光面获得另一组干涉条纹，由采样气室与空气气室之间的腔体隔断材料引起的两干涉条纹之间的隔带；

2)、所述用于识别两组条纹物理位置、最终确定空气中甲烷或二氧化碳含量的电信号采集处理部分：包括模数转换电路、PC机或微处理器，及应用软件，模数转换电路将图像信号转变成数字脉冲信号，由PC机或微处理器处理后转换为与两组干涉条纹对应的两个数字波形图，通过确定所述两个数字波形水平偏移量S值的大小，便可计算出被测气体的浓度值；通过分别对每组干涉条纹中与两条极暗干涉条纹对应的两个最低电平中心点的距离L值与标准值之间的比较，自动对浓度值计算进行精度的补偿。

为实现本发明第二目的而采用的技术方案如下：

一种采用上述光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，具有零点自动跟踪，精度自动补偿能力的测定空气中甲烷、二氧化碳浓度的方法，方法包括以下步骤：

1)、精度标定：首先调节采样气室与空气气室内的气压到相应值模拟出空气中甲烷或二氧化碳的浓度为D₀，由PC机或微处理器自动记录其对应的数字波形在笛卡尔坐标下相应的S₀，L₀值，并存储在其非易失性存储器内；

2)、双气室光干涉检测：由经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室的两束相干光Y1和Y2干涉后获得第一组干涉条纹A，由经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室的一束光X1和另一束经过含有甲烷或二氧化碳空气的采样室而且与X1相干的光X2干涉获得第二组干涉条纹B，由采样室与空气气室之间的腔体材料引起的两组干涉条纹之间的隔带；

3)、对光干涉条纹的的物理位置信息图像处理：通过图像传感器将步骤2)得到的两组干涉条纹转化为电信号，并数字化该电信号后得到笛卡尔坐标下的两条数字波形A’、B’，其--中x轴代表像素点，y轴代表逻辑电平值；数字波形A’的两个上升沿为r1，r2，两个下降沿为f1，f2，数字波形B’的两个上升沿为r1′，r2′，两个下降沿为f1′，f2′；

4)对光干涉条纹的的物理位置信息的识别：根据步骤3)计算出数字波形A’或B’对应的干涉条纹中与两条极暗干涉条纹对应的两个最低电平中心点的距离L及数字波形B’相对数字波形A’的像素点的偏移量S：

$L=\frac{f2+r2-f1-r1}{2}---\left(1\right)$

$S=\frac{{f2}^{\′}+{r1}^{\′}-f2-r1}{2}---\left(2\right)$

5)精度自动补偿：将步骤4)获得的L值和偏移值S与步骤1)用甲烷或二氧化碳的浓度为D₀的空气标定精度时，得到的偏移值S₀，两条极暗条纹间的距离为L₀，利用式(3)自动修正步骤的4)的S值到S_i：

$S_i=\frac{{\mathrm{SL}}_0}{L}---\left(3\right)$

6)对浓度值计算进行精度的补偿：经过步骤5)，S值已被修正为与S₀同等环境条件下的S_i，利用最近一次标定仪器精度时保存的甲烷浓度D₀与A，B两组条纹的偏移量S₀，由光干涉经测甲烷浓度的经验公式(4)获得本次测量的甲烷或二氧化碳浓度D

$D=\frac{S_i{D}_0}{S_0}=\frac{L_0{D}_0({f2}^{\′}+{r1}^{\′}-f2-r1)}{S_0(f2+r2-f1-r1)}---\left(4\right).$

本发明结构与现有光干涉甲烷检测器结构相比，有以下特点：两级透镜的准直效果好；采用的补偿镜有较好的可调节性并有效补偿了镜片和机械的加工误差；气室分隔，产生两组干涉条纹，方便比较，提高检测精度；结构紧凑，使仪器便携成为可。其他的一些特征还表现在：外界振动被有效防止；热应力集中进行控制；对温度、湿度影响产生的零点漂移和测量误差进行补偿处理，产品生产一致性高、体积小、防护性好，提高光干涉甲烷、二氧化碳测量的准确性和可靠性。

本发明方法在同一光路中采用两组条纹实现了光学图像的差分化，进而整个系统以差分化方式处理数据，极大地提高了设备的抗干扰能力。本发明基于仪器精度的自动补偿原理，解决了传统光干涉甲烷检测仪因光学系统畸变引起的精度严重失衡的难题，当仪器精度严重失衡时仪器能够智能识别，可以有效地校准。

本发明的装置和方法除用于甲烷或二氧除化碳检测外，也可用于对其它气体的检测。

附图说明

图1为仪器的框图；

图2，图3为光路系统原理图；

图4为图像传感器耙面上的干涉条纹；

图5为零点自动跟踪示意图；

图6为精度自动修正示意图；

图7为检测时图形传感器的波形输出图；

图8为图7所示的图形信号的数字化图。

具体实施方式

如图1所示，整个实施过程为：首先光路系统产生与甲烷浓度相关的干涉条纹，然后图像传感器将干涉条纹转换为电信号，最终数据采集处理部分利用本发明涉及的自适应方法准确计算出空气中甲烷的浓度。

光路系统与图像传感器描述：

如图2所示，白光光源1发出一束光，经过聚光镜2，光栏3，胶合透镜4，到达胶合棱镜5分成两束光通过气室8中的采样气室10和空气气室11到直角棱镜9后反射面上，一束光在直角棱镜9的后反射面上反射进入气室8的气样室10，然后到达胶合棱镜5，另一束光在直角棱镜9的后反射面上反射进入气室8的另一个空气室11，然后到达胶合棱镜5，这两束光在胶合棱镜5相遇发生干涉，由于气室8的特殊性在图像传感器6的感光面上将出现如图3所示两组条纹A，B，以及中间隔离带C，图像传感器6将两组条纹转化为电信号，便于电子系统识别处理。

由于使用白光光源，所以最终的干涉条纹存在极亮条纹a，以及分布于两侧的极暗条纹b，c。两组光干涉条纹通过图像传感器输出后波形图见图7。气样室10中甲烷浓度变化时必然引起其腔室内光的折射率变化，导致B组中的极亮条纹a′的位置在x-y平面坐标系上沿x轴方向移动，与A组中的极亮条纹a的位置产生的像素点的偏移值S。

图像采集与识别阐述：

图像传感器图像信号输出的频率较高，为了方便微控制器识别处理图像，需要先对图像信号数字化，可以使用A/D转换器，比较器，专用图像处理芯片等多种方法。本发明将图像信号数字化后，得到如图8所示的波形。微控制器将在A组条纹对应区域的每一行内捕获到两个上升沿r1和r2与两个下降沿f1和f2。微控制器将在B组条纹对应区域的每一行内捕获到两个上升沿r1′和r2′与两个下降沿f1′和f2′，由式(1)(2)可以计算出B组条纹相对A组条纹在x轴方向的偏移量S，两条极暗条纹间的距离L。

零点自动跟踪原理阐述：

如图2，图3所示的光路系统，A组干涉条纹来自经过不含甲烷的空气的两束相干光Y1，Y2，B组干涉条纹来自经过含甲烷的空气的一束光X1和一束经过不含甲烷的空气并与X1相干的光X2。由迈克尔逊干涉仪原理及等厚干涉原理可知，相干光的光程差：

Δ＝Nλ    (11)

其中λ为光波波长，N为条纹级数

条纹间距：

L＝λ/2Nθ  (12)

其中θ为整个光路系统等效的空气劈尖的楔角

两组条纹通过图像传感器输出后波形见图7，图中上半部分代表A组条纹，下半部分代表B组条纹，在x-y平面坐标系上，在甲烷含量为零的情况下，图像传感器输出波形见图5，理论上说B组条纹就是A组条纹沿y轴方向的平移，取A组中的极亮条纹a为参照点，由此可以实现设备的零点自动跟踪--A组条纹就是B组条纹的零点。进一步可以理解为图像传感器将为电信号采集与处理电路提供一组差动信号，B，A分别为正负端。就像电路上采用差动输入可以克服温漂一样，本发明在同一光路中采用两组条纹实现了光学图像的差分化，进而整个系统以差分化方式处理数据，极大地提高了设备的抗干扰能力。

精度自动补偿阐述：

利用光干涉仪原理测量气体折射率已有应用，但是在工业实际应用中环境应力经常使仪器光学系统发生畸变导致精度严重失衡。由式(12)可知，在整个光学系统稳定且条纹级数N确定的情况下，极亮条纹两侧的极暗条纹的距离L与波长λ和楔角θ存在函数关系

L＝L(λ，θ)    (13)

θ值由光路系统决定，显然L值会随着光路系统的参数改变而变化，为了保证精度稳定，必须保证波长λ的稳定度满足系统设计指标。在工业现场复杂的环境下，光路受环境应力影响导致楔角θ变化是不可避免的。从式(12)中得到补偿楔角θ的启示，本发明解决了因系统应变引起的楔角θ变化继而引起精度严重偏离的难题，图6很好地演示了此类情况，在相同的甲烷浓度下，不同楔角θ1与θ2所对应的L1与L2必然不相等，对应的S1与S2也不相等，但是他们存在如下关系：

$\frac{L1}{L2}=\frac{S1}{S2}---\left(14\right)$

假设最近一次以D₀的甲烷浓度准确地标定设备，得到S₀，L₀，在每次测量中总可以得到S，L，存在如下关系：

$k=\frac{L_0}{L}=\frac{S_0}{S}---\left(15\right)$

由式(12)可知相对同一稳定的光学系统A，B两组条纹的L值相等，结合式(11)当光学系统参数变化时，对同一级干涉条纹(级数N的值相同)S，L以将以同一比例k变化，将S值修正到最近一次标定精度时对应的光学系统下，得到S_i：

$S_i=\frac{S{L}_0}{L}=\mathrm{kS}---\left(16\right)$

本发明基于仪器精度的自动补偿原理，解决了传统光干涉甲烷检测仪因光学系统畸变引起的精度严重失衡的难题，当仪器精度严重失衡时仪器能够智能识别，可以有效地校准。

气体测量原理阐述：

在同等环境下，光在不同气体中的折射率不一样，引起相干光间的光程差也不一样。在本发明中通过含有甲烷的空气的光束与直接通过不含甲烷的空气的光束间的光程差为ΔB，而两束光都通过不含甲烷的空气的光程差为ΔA，A，B两组条纹的实际位置反映了ΔA与ΔB的关系，利用图像传感器采集到A，B两组条纹的实际位置可以计算出空气中甲烷的浓度。由式(2)可以得出B组条纹相对A组条纹在x轴上的偏移值S，由式(1)可以得出极亮条纹两侧两条极暗条纹间的距离L，结合上述的零点自动跟踪，精度自适自动补偿，由式(4)可以确定空气中甲烷的浓度。

Claims (4)

1，一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，其特征为：包括一个利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统；一个将两组条纹的物理位置信息转化为电信号的图像传感器；一个用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷含量的电信号采集处理部分；其中

1)、所述利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统：包括入射光源(1)，在光源(1)之前装有聚光镜(2)胶合透镜(4)、光栏(3)，以实现对入射光的准直及除去杂光；还包括胶合棱镜(5)、图像传感器(6)的感光部分、直角棱镜(9)及设置在它们之间的气室(8)，所述胶合棱镜由一个分光棱镜和一个反射棱镜胶合而成，来自光源的入射光经胶合棱镜后分光为两束光，两束光经气室(8)后经直角棱镜9反射，再经气室(8)后由胶合棱镜输出；所述气室(8)被分成两部分：不含甲烷或二氧化碳的空气气室(11)及含甲烷或二氧化碳的空气采样气室(10)；所述胶合棱镜的光输出端设置图像传感器(6)的感光部分，由所述图像传感器将获得的光干涉条纹图像转换为电信号输出；由胶合棱镜分束得到的两束相干光(Y1和Y2)经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室(11)干涉后在图像传感器(6)的感光面上获得一组干涉条纹(A)；由胶合棱镜分束得到的另两束相干光(X1和X2)，一束经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室(11)、另一束经过含有甲烷或二氧化碳空气的采样气室(10)，两束光干涉后在图像传感器(6)的感光面获得另一组干涉条纹(B)，由采样气室(10)与空气气室(11)之间的腔体隔断材料引起的两干涉条纹(A，B)之间的隔带(C)；

2)、所述用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷或二氧化碳含量的电信号采集处理部分包括模数转换电路、PC机或微处理器，及应用软件，模数转换电路将图像信号转变成数字信号，由PC机或微处理器处理后转换为与两组条纹(A，B)对应的两个数字波形图，通过确定所述两个数字波形水平偏移量S值的大小，便可计算出被测气体的浓度值；通过分别对每组干涉条纹中与两条极暗干涉条纹对应的两个最低电平中心点的距离L值与标准值之间的比较，自动对浓度值计算进行精度的补偿。

2、根据权利要求书1所述光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，其特征是：在胶合棱镜与气室(8)之间的光路中，设置有通过转轴安装的补偿镜(7)，所述补偿镜可以绕轴旋转或前后的摆动，实现光路补偿与调节后锁定。

3、根据权利要求书1所述光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，其特征是：

所述气室(8)由轴向中心凹槽分隔形成的两个腔体分别构成空气气室(11)和采样气室(10)，采样气室(10)位于所述轴向中心凹槽中，两个腔体分别由上下端盖封堵，其中采样气室(10)具有气样引入通道；所述气室(8)位于光路中的两端由高透光率的透明材料封堵。

4、一种采用权利要求书1所述光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，具有零点自动跟踪，精度自动补偿能力的测定空气中甲烷、二氧化碳浓度的方法，方法包括以下步骤：

1)、精度标定：首先调节采样气室(10)与空气气室(11)内的气压到相应值模拟出空气中甲烷或二氧化碳的浓度为D₀，按照以下步骤2)、3)、4)所述得到其对应的数字波形在笛卡尔坐标下相应的S₀，L₀值，由PC机或微处理器自动记录S₀，L₀在其非易失性存储器内；

2)、双气室光干涉检测：由经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室(11)的两束相干光Y1和Y2干涉后获得第一组干涉条纹A，由经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室(11)的一束光X1和另一束经过含有甲烷或二氧化碳空气的采样室(10)而且与X1相干的光X2干涉获得第二组干涉条纹B，由采样室(10)与空气气室(11)之间的腔体材料引起的两组干涉条纹(A，B)之间的隔带(C)；

3)、对光干涉条纹的的物理位置信息图像处理：通过图像传感器将步骤2)得到的两组干涉条纹转化为电信号，并数字化该电信号后得到笛卡尔坐标下的两条数字波形(A’、B’)，其中x轴代表像素点，y轴代表逻辑电平值；数字波形(A’)的两个上升沿为r1，r2，两个下降沿为f1，f2，数字波形B’的两个上升沿为r1′，r2′，两个下降沿为f1′，f2′；

4)对光干涉条纹的的物理位置信息的识别：根据步骤3)计算出数字波形(A’或B’)对应的干涉条纹中与两条极暗干涉条纹对应的两个最低电平中心点的距离(L)及数字波形(B’)相对数字波形(A’)的像素点的偏移量S：

$L=\frac{f2+r2-f1-r1}{2}---\left(1\right)$

$S=\frac{{f2}^{\′}+{r1}^{\′}-f2-r1}{2}---\left(2\right)$

5)精度自动补偿：将步骤4)获得的L值和偏移值S与步骤1)用甲烷或二氧化碳的浓度为D₀的空气标定精度时，得到的偏移值S₀，两条极暗条纹间的距离为L₀，利用式(3)自动修正步骤的4)的S值到S_i：

$S_i=\frac{{\mathrm{SL}}_0}{L}---\left(3\right)$

6)对浓度值计算进行精度的补偿：经过步骤5)，S值已被修正为与S₀同等环境条件下的S_i，利用最近一次标定仪器精度时保存的甲烷浓度D₀与A，B两组条纹的偏移量S₀，由光干涉经测甲烷浓度的经验公式(4)获得本次测量的甲烷或二氧化碳浓度D

$D=\frac{S_i{D}_0}{S_0}=\frac{L_0{D}_0({f2}^{\′}+{r1}^{\′}-f2-r1)}{S_0(f2+r2-f1-r_1)}---\left(4\right).$

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