CN102998286A - 一种光干涉甲烷浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光干涉甲烷浓度检测方法，包括步骤：光干涉仪条纹发生装置Ⅰ提供干涉条纹；图像信号进行转化形成彩色数字信号；图像彩色数字信号

转换为亮度数字信号

；获得空气气室和采样气室的亮度最大值的位置坐标

和；亮度最大值

和

拟合成线段L1:y-a₁x-b₁=0和L2:y-a₂x-b₂=0；计算得到采样区干涉条纹的移动距离△L；计算折射率n₁及纯甲烷状态下的折射率n₂；计算出当前采样区的甲烷值；本发明提供了一种使甲烷浓度检测精确提高、系统误差减小的光干涉甲烷浓度检测方法。

Description

一种光干涉甲烷浓度检测方法

技术领域

本发明涉及光干涉仪技术领域，具体涉及一种用光干涉仪对甲烷浓度进行检测的方法。   

背景技术

雅明干涉仪是凭借肉眼观测读数，获取的甲烷浓度值，这种方式读数误差较大，仪器的自动化程度低。由于肉眼对光干涉条纹的形态分辨能力低，不能够明确的观测出由于环境温度压力上升或下降造成的机械应力形变所带来的仪器系统误差。在梁铨廷所著物理光学上讲述过瑞利干涉仪形成两组相互参考而获得气体折射率的方法，后来在文献叙述中公开过一种采用差分法来进行甲烷浓度检测的方式，但其无法准确的消除由于环境因素所造成光路机械形变而带来的干涉仪的系统误差。在光路结构中存在着一定的调节机构，由于环境的变化或者是调节结构机械应力的作用可能会造成调节机构微小的形变，这种形变是无法避免的，它会使光路中镜面不同程度的倾斜，从而导致最终成像条纹不同程度的倾斜，如果此时再采用差分检测则不能消除系统误差。如图2所示，由于调节结构的机械变动条纹出现了倾斜的状况，再加上只有空气的气室后如图3所示。对上图的零级条纹进行计算机图像特征提取得到（如图4所示），我们可以很明显的看出如果将A点作为B点的参考则系统其实也已经产生了误差△E，且△E会随着条纹的倾斜变化，无法获得固定的△E。只有对系统误差采取抑制的办法，还原采样条纹零点，才能获得准确的测量值。 

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种使甲烷浓度检测精确提高、系统误差减小的光干涉甲烷浓度检测方法，

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种光干涉甲烷浓度检测方法，其包括以下步骤：

A、雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ提供测量所需的干涉条纹；

B、数字式图像传感器Ⅱ对所述干涉条纹的图像信号进行转化形成彩色数字信号，将该彩色数字信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理；

C、通过图像分析电路Ⅲ采集雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的二维彩色数字信号                                                

，采用亮度转换公式将彩色数字信号

转换为二维亮度数字信号

，并将亮度数字信号以二维数组存入图像分析电路Ⅲ,其中n为二维数组的序号；

D、建立x-y 直角坐标系，并分别获得雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的空气气室和采样气室的亮度最大值的位置坐标

和

；

E、分别将上述空气气室和采样气室的亮度最大值

和

拟合成线段L1: y-a₁x-b₁=0和L2: y-a₂x-b₂=0，其中a₁、b₁为线段L1的系数， a₂、b₂为线段L2的系数；  

F、采用点到直线的距离公式

计算出点到直线L2的距离

 ，并采用求平均数的公式计算得到△L，其中点

在线段L1的延长线上，

为选取的L1上点的序号，△L为采样区干涉条纹的移动距离；

G、采用公式

获得当前温度、大气压力下空气的折射率n₁及纯甲烷状态下的折射率n₂，其中

为标准大气压力

下，气温为T_O 时的气体折射率，通过查表法得到，式中：

为当前环境的大气压力，

为当前环境的大气压力；

   H、采用甲烷的算法公式计算出当前采样区的甲烷值,

 式中：

 为光源波长, 

 为在第G步获得当前环境条件纯甲烷的折射率，

在第G步获得当前环境条件纯空气的折射率；为气室长度，

在第F步获得C-B为条纹宽度;

所述亮度转换公式为

,其中

、

、

为二维数组；

所述空气气室和采样气室的亮度最大值

和

的拟合公式中，    ，       

，k为采样序号；

  所述雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的空气气室和采样气室通过冒泡比较法获得的亮度最大值的位置坐标和

。

本发明的优点及有益效果如下： 

1、由于本发明采用数字图像传感器，且用将采集到的数字信号通过亮度转换公式转换成亮度信号，用冒泡比较法能够准确的找到亮度最大值的位置坐标；

2、采用在采样侧选取采样条纹的零点位置，比以往的在空气气室选取零点位置更加准确，求得的干涉条纹的移动距离更加准确；

3利用甲烷测定器检定仪对

项进行检定，排除由于光源波长λ和气室长度

加工误差以及计算条纹宽度（C-B）带来的系统误差。该方法提高了甲烷检测仪的检测精度。

附图说明    

图1是本发明一实施例光干涉甲烷浓度检测方法的流程图；

图2是干涉条纹倾斜图；

图3 是干涉条纹加入气室后的条纹；

图4 是干涉条纹的误差示意图；

图5是干涉条纹的移动距离Lm示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，为本发明一实施例光干涉甲烷浓度检测方法的流程图，雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ提供测量所需的干涉条纹，数字式图像传感器Ⅱ对所述干涉条纹的图像信号进行转化形成电信号，将该电信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理；与本文同一申请人于2011年11月27日提交的申请号为201120415270.0的名称为智能光干涉气体测定装置即为本发明中所指雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ，申请人于2011年10月27日提交的申请号为201120415279.1的一种光干涉图像采集与处理电路，即为本发明中所指图像分析电路Ⅲ

1）采集彩色数字图像传感器产生的RGB565数字信号，并将数字信号填入表1的二维数组中；

	x[0]	x[1]	x[2]	···	x[n-1]
						y[0]	rgb[0][0]	rgb[0][1]	rgb[0][2]	···	rgb[0][ n-1]
y[1]	rgb[1][0]	rgb[1][1]	rgb[1][2]	···	rgb[1][ n-1]
						y[2]	rgb[2][0]	rgb[2][1]	rgb[2][2]	···	rgb[2][ n-1]
···	···	···	···	···	···
						y[n-1]	rgb[n-1][0]	rgb[n-1][1]	rgb[n-1][2]	···	rgb[n-1][ n-1]

表1

2） 将1）所采集的数字信号通过亮度转换公式（1）转换成亮度信号，并将装换后的数字信号填入表2的二维数组中；

	x[0]	x[1]	x[2]	···	x[n-1]
						y[0]	p[0][0]	p[0][1]	p[0][2]	···	p[0][ n -1]
y[1]	p[1][0]	p[1][1]	p[1][2]	···	p[1][ n-1]
						y[2]	p[2][0]	p[2][1]	p[2][2]	···	p[2][ n -1]
···	···	···	···	···	···
						y[n-1]	p[n-1][0]	p[n-1][1]	p[n-1][2]	···	p[n-1][n-1]

表2

       （公式1）。

3) 建立x-y 直角坐标系，并将p[n][0]作为坐标原点；

4）分别获得采样气室或空气气室的每一行的亮度最大值的位置坐标

，并将它们的位置信息按照二维数组的格式进行存储，如表3所示：

			···
									···

表3

5)采用公式（2）和公式（3）分别将4)获得的空气气室和采样气室的亮度最大值的位置

分别拟合成线段L1（y-a₁x-b₁=0）和L2（y-a₂x-b₂=0）。当线段 为L1时，a为a_1，b为b₁；当线段为L2时，a为a_2，b为b₂ ； 其中                                       

            （公式2）

                   （公式3）

6）利用5)得到的线段L1计算出L1延长线上采样区的虚拟值的位置

,

的求法，首先在坐标系中可以确定ym的值，将ym代入公式则可求出xm的值，反之亦可。按照表4的一维数组的格式进行存储：

			···
									···

表4

7) 采用点到直线的距离公式4计算6）中获得的每一个值

到直线L2的距离

：

 

                                    （公式4）。

8）剔除

中误差较大的值获得剩余数据，采用求平均数的公式5取得剩余数据的平均值△L即为采样区干涉条纹的移动距离：

                                               （公式5）

11）采用公式（6）获得当前温度、大气压力下空气的折射率n₁及纯甲烷状态下的折射率n₂，其中为标准大气压力

（即1atm）下，气温为T_O 时的气体折射率，可以通过查表法得到；

   

                                     （公式6）

式中：为当前环境的大气压力（通过仪器中的温压传感器获得），

     

为当前环境的大气压力（通过仪器中的温压传感器获得）。

12) 采用甲烷的算法公式（7）计算出当前采样区的甲烷值

                          （公式7）

 式中：

  为光源波长,   在第11）步获得当前环境条件纯甲烷的折射率, 

  在第11）步获得当前环境条件纯空气的折射率,

为气室长度,

在第8）步获得,C-B 为条纹的垂直宽度。

在具体测量之前，应使用光干涉甲烷测定器检定仪对公式（7）中的项进行检定后计算得到的值为△m，得到甲烷的算法方程公式8，排除由于光源波长λ和气室长度

加工误差以及计算条纹宽度（C-B）带来的系统误差；

                   (公式 8)

式中： 

 为计算后得到的甲烷浓度值 ；

 在第8）步获得采样干涉条纹的移动距离；

在第11）步获得当前环境条件纯甲烷的折射率；

在第11）步获得当前环境条件纯空气的折射率；

 通过光干涉甲烷测定器检定仪检定后计算

获得。

图2是干涉条纹倾斜图；图3 是干涉条纹加入气室后的条纹；图4 是干涉条纹的误差示意图；图5是干涉条纹的移动距离Lm示意图；在光路结构中存在着一定的调节机构，由于环境的变化或者是调节结构机械应力的作用可能会造成调节机构微小的形变，这种形变是无法避免的，它会使光路中镜面不同程度的倾斜，从而导致最终成像条纹的倾斜，如果此时再采用差分检测则不能消除系统误差。如图2所示，由于调节结构的机械变动条纹出现了倾斜的状况，再加上只有空气的气室后如图3所示。对上图的零级条纹进行计算机图像特征提取得到（如图4所示），我们可以很明显的看出如果将A点作为B点的参考则系统其实也已经产生了误差△E，且△E会随着条纹的倾斜变化，无法获得固定的△E。只有对系统误差采取抑制的办法，还原采样条纹的零点，才能获得准确的测量值。 

这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1. 一种光干涉甲烷浓度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ提供测量所需的干涉条纹；

B、数字式图像传感器Ⅱ对所述干涉条纹的图像信号进行转化形成彩色数字信号，将该彩色数字信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理；

C、通过图像分析电路Ⅲ采集雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的二维彩色数字信号                                               

，采用亮度转换公式将彩色数字信号转换为二维亮度数字信号，并将亮度数字信号以二维数组存入图像分析电路Ⅲ,其中n为二维数组的序号； 

D、建立x-y 直角坐标系，并分别获得雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的空气气室和采样气室的亮度最大值的位置坐标

和；

E、分别将上述空气气室和采样气室的亮度最大值

和

拟合成线段L1: y-a₁x-b₁=0和L2: y-a₂x-b₂=0，其中a₁、b₁为线段L1的系数， a₂、b₂为线段L2的系数；  

F、采用点到直线的距离公式

计算出点到直线L2的距离 ，并采用求平均数的公式

计算得到△L，其中点

在线段L1的延长线上，为选取的L1上点的序号，△L为采样区干涉条纹的移动距离；

G、采用公式

获得当前温度、大气压力下空气的折射率n₁及纯甲烷状态下的折射率n₂，其中

为标准大气压力

下，气温为T_O 时的气体折射率，通过查表法得到，式中：

为当前环境的大气压力，为当前环境的大气压力；

H、采用甲烷的算法公式计算出当前采样区的甲烷值

 式中：

 为光源波长, 

 为在第G步获得当前环境条件纯甲烷的折射率，

在第G步获得当前环境条件纯空气的折射率；

为气室长度，

为在第F步获得，C-B为条纹垂直宽度。

2.根据权利要求1所述的光干涉甲烷浓度检测方法，其特征在于：所述亮度转换公式为

,其中

、

、

为二维数组。

3.根据权利要求1所述的光干涉甲烷浓度检测方法，其特征在于：所述                             

空气气室和采样气室的亮度最大值

和

的拟合公式中，

    ，        

，其中k为采样序号。

4.根据权利要求1所述的光干涉甲烷浓度检测方法，其特征在于：所述雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的空气气室和采样气室通过冒泡比较法获得的亮度最大值的位置坐标

和

。

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