CN102253000A - 一种激光光纤ccd光干涉瓦斯浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，主要包括带尾纤的半导体激光器、多模石英光纤、光干涉瓦斯浓度传感器、CCD图像传感器，图像采集卡及计算机。激光器发出的光经多模石英光纤耦合进光干涉瓦斯浓度传感器的光纤准直器后变为一束准直光束，该准直光束经过气室和光路后变成两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，该条纹随着气室中的瓦斯浓度发生变化，并被CCD图像传感器转化为电信号条纹图像，该条纹图像被图像采集卡采集并经过计算机处理、存储和显示瓦斯浓度值。本发明操作简单、检测速度快、测量精度高，有利于构建基于一个光源的可测量多点瓦斯浓度的光纤网络传感系统。

Description

一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统

技术领域

本发明属于瓦斯浓度检测技术领域，具体说是涉及到计算机、激光、光纤和双光束干涉技术的测量瓦斯浓度的检测系统。

背景技术

在煤矿井下工作的安全隐患主要来自于过高浓度含量的瓦斯，瓦斯的主要成分是甲烷，是一种没有颜色、没有气味的气体，人们很难从自身的生理功能来感觉它的存在，因此，对瓦斯的检测主要靠仪器。在现有的光干涉式瓦斯检测技术中，有传统的机械式光干涉瓦斯测定器和便携式智能光干涉瓦斯测定器两种。

机械式光干涉瓦斯测定器，采用白炽灯泡作为光源，是通过目镜用人眼观察光干涉条纹的移动量，来测定气样中甲烷的浓度值，优点是测量范围宽，有一定精确度、无易损传感元件，维修工作量小；缺点是人为操作误差和视觉误差较大、读数不直观、测量数据无法自动存储，需要手工记录，操作较麻烦也不利于煤矿对测量数据的管理。

便携式智能光干涉瓦斯测定器，采用白色发光二极管作为光源，通过光电转换元件把干涉条纹的移动量转换为电信号，通过转换的测量电信号获得测量瓦斯浓度值。这种瓦斯测定器具有检测速度快，读数直观、避免了人为操作误差和视觉误差，操作方便。

以上两种光干涉瓦斯测定器有一个共同特点，即都采用白光作为光源，从而使得相干光束强度低，不利于信号的采集和放大，检测精度低，更重要的是不利于组建井下光纤网络瓦斯测量系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有光干涉式瓦斯浓度检测方法的不足和所要解决的技术问题，提供一种操作简单、检测速度快、测量精度高，有利于组建煤矿井下光纤网络瓦斯测量系统的光干涉瓦斯浓度检测系统。

为实现上述目的的本发明的技术方案为：

一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，包括光源、光干涉传感器，其特征是：所述的光源是带尾纤的半导体激光器，并且还包括CCD图像传感器、计算机及图像采集卡；所述的带尾纤的半导体激光器的尾纤是多模石英光纤，多模石英光纤另一端为FC/PC接头，半导体激光器由多模石英光纤通过FC/PC接头连接光干涉传感器；所述的光干涉传感器的平行光由光纤准直器产生；所述的半导体激光器发出的光经过光纤准直器后变为平行光束，该平行光束通过光干涉传感器的光路后变成两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，干涉条纹被与光干涉传感器连接的CCD图像传感器转化为电信号条纹图像，该条纹图像经过连接的计算机、图像采集卡采集、计算机的数据处理和显示软件来存储和显示瓦斯浓度值。所述的计算机为外接计算机，计算机中安装了图像采集卡、数据处理和显示软件。

所述的光干涉传感器是光干涉瓦斯传感器，光干涉瓦斯传感器包括壳体1、壳体内固定气室、进气管4、出气管5、过滤室6、气囊7、盘形进气管8、水蒸气过滤室9、放气阀10、两个平光透镜11和12、折光棱镜13、平面镜14、光纤准直器15、光纤接头16、反射棱镜17、物镜18、负透镜19和大反射棱镜20；

所述的气室由两个空气室2-1、2-2和一个气样室3组成，三个气室相互平行面放置，气样室置于两个空气室的中间；气样室连接进气管和出气管，其中进气管与过滤室连接，气囊通过盘形进气管与过滤室连通，出气管通过水蒸气过滤室与放气阀连接；所述的空气室与气样室的两端分别设置两个平光透镜；

所述的平面镜14背面镀有反射膜，折光棱镜13和平面镜14分别布置在气室的两个外端；所述的光纤准直器15布置在光纤接头16和平面镜14之间，反射棱镜17放置在平面镜14的光出射线上，物镜18放置在反射棱镜17和平面镜14之间，负透镜19放置在反射棱镜17的出射线上，在负透镜19的出射线上放置有大反射棱镜20，在反射棱镜20下方的壳体1的底部开有干涉条纹的通光孔21。

本发明与现有技术相比较，具有突出的实质性特点是：

本发明利用带尾纤的半导体激光器作光源，利用自聚焦透镜准直光束，利用CCD图像传感器转换光干涉条纹，使得干涉条纹更清晰，明暗对比度更强烈，减少了处理误差；使得操作过程简单、测量速度快、提高了测量精度；特别是光源和光纤准直器之间可通过多路(1×N)光开关连接，有利于构建可测量多点瓦斯浓度的光纤网络传感系统。显著的有益效果是：

1、利用计算机强大的软硬件资源，可以进行比较好的数据预处理，同时也可提高测量的精度和准确性；

2、不仅可以对数据进行实时采集，也可以对数据进行保存、回放、处理、显示和绘制相关曲线，有利于比较不同采样点瓦斯浓度的变化规律；

3、可以利用一个光源，组建基于双光束干涉原理的煤矿井下瓦斯浓度光纤网络测量系统，实现煤矿井下瓦斯浓度的自动检测和遥测。

附图说明

图1为本发明激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统的原理框图；

图2为本发明激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统光干涉瓦斯传感器的结构示意图；

图3为图2的A-A剖视结构示意图；

图4为本发明激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统采集干涉条纹流程图；

图5为本发明激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统条纹图像采集和数据处理软件功能示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明具体实施方法。

图1所示，本发明激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统。它包括带尾纤的半导体激光器、光干涉瓦斯传感器、CCD图像传感器、计算机及图像采集卡；所述的带尾纤的半导体激光器的光的峰值波长为0.65微米，其尾纤是多模石英光纤，多模石英光纤另一端为FC/PC接头，半导体激光器由多模石英光纤的FC/PC接头连接光干涉瓦斯传感器，所述的半导体激光器发出的光经过光干涉瓦斯传感器的光路后变成两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，干涉条纹被与光干涉瓦斯传感器连接的CCD图像传感器转化为电信号条纹图像，该条纹图像经过外接计算机、图像采集卡采集、计算机的数据处理和显示软件来存储和显示瓦斯浓度值。所述的计算机可以为外接计算机，计算机中安装了图像采集卡、数据处理和显示软件。

1、光干涉瓦斯传感器

图2和图3所示，光干涉瓦斯传感器结构。光干涉瓦斯传感器包括壳体1、壳体内固定气室、进气管4、出气管5、过滤室6、气囊7、盘形进气管8、水蒸气过滤室9、放气阀10、两个平光透镜11和12、折光棱镜13、平面镜14、光纤准直器15、光纤接头16、反射棱镜17、物镜18、负透镜19和大反射棱镜20。

气室由两个空气室2和一个气样室3组成，三个气室相互平行面放置，气样室3置于两个空气室2的中间；气样室3连接进气管4和出气管5，其中进气管4与过滤室6连接，气囊7通过盘形进气管8与过滤室6连通，出气管5与水蒸气过滤室9连接，通过水蒸气过滤室9再与放气阀10连接，水蒸气过滤室9主要用于过滤水蒸气，以免放气时环境气体中的水蒸气进入气室。

两个空气室2-1和2-2通过管路相互连通，并通过手动封密件与外界空气形成相对密封。气样室3和空气室2-1和2-2的两端分别设置两个平光透镜11和12。

图2和图3所示，折光棱镜13和背面镀反射膜的平面镜14分别布置在气室的两个外端，背面镀反射膜的平面镜14与气室两端的平光透镜11和12呈45度角相对放置。光纤准直器15布置在光纤接头16和平面镜14之间，反射棱镜17放置在平面镜14的光出射线上，物镜18放置在反射棱镜17和平面镜14之间，负透镜19放置在反射棱镜17的出射线上，在负透镜19的出射线上放置有大反射棱镜20，在反射棱镜20下方的壳体1的底部开有通光孔21。

2、CCD图像传感器

在壳体1的通光孔21处连接CCD图像传感器的光敏面，CCD图像传感器采用的是JVC相机。

激光发出的光束经过多模石英光纤送给光纤准直器15，该光束经光纤准直器15准直后，以45度角入射背面镀反射膜的平面镜14，从平面镜14反射的光线穿过空气室2-1，经折光棱镜13的折射后进入空气室2-2，穿过空气室2-2的该光线在平面镜14折射后进入平面镜14背面的反射膜，经反射膜反射后到达平面镜14的O点；同时，经平面镜14折射后进入平面镜背面的反射膜，经反射膜的反射，再经平面镜14折射后通过气样室3到达折光棱镜13，经折光棱镜13折光后再次回到气样室3内的光线，也到达平面镜14的O点；同时到达平面镜14的O点的这两束光满足双光束干涉条件并产生干涉条纹，该干涉条纹的移动与瓦斯浓度的变化有关。

这些包含有瓦斯浓度信息的干涉条纹图像再经过由物镜18、反射棱镜17、负透镜19和大反射棱镜20组合而成的投影成像系统通过壳体1底部的通光孔21到达CCD图像传感器的光敏面，在此处光干涉条纹图像被转换为相应的电信号条纹图像。

3、干涉条纹图像的采集

干涉条纹图像的采集是利用图像采集卡，对于来自JVC相机的图像，需要调用imfilter函数进行图像滤波，在此基础上使用阈值操作把图像转换为二值图像，以便将对象从背景中分离出来。对于瓦斯浓度的测量基于处理后的条纹图像，因此，需要采用边缘检测来提取图像的特征。这些工作可通过图像采集卡来实现，在图像采集卡中有专门的边缘检测函数edge，通过调用Sobel算子进行检测，采集程序流程图如图4所示。

4、干涉条纹图像的处理

假设空气的折射率为n₀，纯甲烷气体的折射率为n₁，光源的波长为λ，气室的长度为L。根据光的干涉原理，可知甲烷的浓度为

$x=100\×\frac{\mathrm{\λ}}{2L(n_1-n_0)}\·N$

式中，N为气样室充入甲烷时条纹移动的个数。因此，只要我们知道了条纹移动的个数，就可以计算出瓦斯的浓度。为了得到条纹的移动个数，需要做下列工作。

(1)根据边缘检测后条纹的图像质量，提取图像质量较好的一行元素的像素值，对其进行扫描，得到相素值为1的位置(也即条纹边缘的位置)；

(2)由于边缘提取得到的条纹是原来条纹的轮廓，所以两个边缘构成一个亮条纹或暗条纹。这就需要将提取出来的边缘位置与原来图像进行对比，从而对条纹进行精确定位；

(3)判定离标定位置最近的亮条纹的分布情况，找到条纹移动规律；

(4)计算条纹移动周期，借鉴光学测量中的相位展开原理，将图像变换为近似线性的曲线，从而得到条纹移动过总的像素值，除以周期，就得到了条纹移动的个数。

5、图像采集卡

图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口，用来采集DV或其他视频信号到电脑里进行编辑、刻录的板卡硬件。本系统图像采集卡采用高品质专业图像采集卡MVPCI-V3A。具有下列性能特点：

1、支持6路标准复合视频输入，可接PAL、NTSC、SECOM制标准信号，可以真彩、伪彩、黑白方式采集图像，可选择多种采集方式，实现视频图像通过计算机PCI总线实时传递至计算机内存；

2、采集图像实时在VGA卡上显示；提供控制接口，多种附加功能，便于图像编辑，硬件完成图像水平和垂直方向任意缩小及开窗，硬件完成图像实时镜像，硬件完成图像实时顶底倒置；

3、亮度、对比度、色度与饱和度，画面大小比例均软件调节，图像采集显示分辨率最大为768×576；采样位数对黑白方式为8Bit，对彩色方式为RGB各8Bit；即插即用。

6、软件平台

本发明激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，其条纹图像采集和数据处理软件功能示意图如图5所示。该系统操作简单、测量精度高；利用计算机操作平台提高了实时处理和修正数据能力，为井下瓦斯的自动检测和遥测开辟了新的途径，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，包括光源、光干涉传感器，其特征是：所述的光源是带尾纤的半导体激光器，并且还包括CCD图像传感器、计算机及图像采集卡；所述的带尾纤的半导体激光器的尾纤是多模石英光纤，多模石英光纤另一端为FC/PC接头，半导体激光器由多模石英光纤通过FC/PC接头连接光干涉传感器；所述的光干涉传感器的平行光由光纤准直器产生；所述的半导体激光器发出的光经过光纤准直器后变为平行光束，该平行光束通过光干涉传感器的光路后变成两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，干涉条纹被与光干涉传感器连接的CCD图像传感器转化为电信号条纹图像，该条纹图像经过连接的计算机、图像采集卡采集、计算机的数据处理和显示软件来存储和显示瓦斯浓度值；所述的计算机中安装了图像采集卡、数据处理和显示软件。

2.根据权利要求1所述的一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，其特征是：所述的带尾纤的半导体激光器发出的光的峰值波长为0.65微米。

3.根据权利要求1所述的一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，其特征是：所述的光干涉传感器是光干涉瓦斯传感器，光干涉瓦斯传感器包括壳体(1)、壳体内固定气室、进气管(4)、出气管(5)、过滤室(6)、气囊(7)、盘形进气管(8)、水蒸气过滤室(9)、放气阀(10)、两个平光透镜(11、12)、折光棱镜(13)、平面镜(14)、光纤准直器(15)、光纤接头(16)、反射棱镜(17)、物镜(18)、负透镜(19)与大反射棱镜(20)；所述的气室由两个空气室(2-1)、(2-2)和一个气样室(3)组成，三个气室相互平行面放置，气样室置于两个空气室的中间；气样室连接进气管和出气管，其中进气管与过滤室连接，气囊通过盘形进气管与过滤室连通，出气管通过水蒸气过滤室与放气阀连接；所述的空气室与气样室的两端分别设置两个平光透镜；所述的平面镜背面镀有反射膜，折光棱镜与平面镜分别布臂在气室的两个外端，平面镜与气室两端的平光透镜相对放置；所述的光纤准直器布置在光纤接头与平面镜之间，反射棱镜放置在平面镜的光出射线上，物镜放置在反射棱镜和平面镜之间，负透镜放置在反射棱镜的出射线上，在负透镜的出射线上放置有大反射棱镜，在反射棱镜下方的壳体的底部开有干涉条纹的通光孔(21)。

4.根据权利要求2所述的一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，其特征是：所述的两个空气室(2-1)、(2-2)通过管路相互连通，并通过手动封密件与外界形成相对密封。

5.根据权利要求2所述的一种激光光纤CCD光干涉瓦斯浓度检测系统，其特征是：所述的平面镜(14)与气室两端的平光透镜11相对放置的相对夹角为45度。

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