CN203053861U - 一种光干涉甲烷浓度检测仪 - Google Patents

一种光干涉甲烷浓度检测仪 Download PDF

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CN203053861U CN 201220709686 CN201220709686U CN203053861U CN 203053861 U CN203053861 U CN 203053861U CN 201220709686 CN201220709686 CN 201220709686 CN 201220709686 U CN201220709686 U CN 201220709686U CN 203053861 U CN203053861 U CN 203053861U
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夏飞
李鹏君
陆飞
陈均
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Chongqing Tongbo Measurement & Control Instrument Co., Ltd.
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Abstract

本实用新型公开了一种光干涉甲烷浓度检测仪，包括雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ、数字式图像传感器Ⅱ、图像分析电路Ⅲ,其特征在于还包括甲烷浓度运算器Ⅳ；其中所述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彩色数字信号，将该数字信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理，并由甲烷浓度运算器Ⅳ对采集处理的结果进行运算得出甲烷浓度，甲烷浓度运算器的数据存储于图像分析电路Ⅲ；本实用新型提供了一种使甲烷浓度检测精度提高、系统误差减小的光干涉甲烷浓度检测仪。

Description

一种光干涉甲烷浓度检测仪
技术领域
本实用新型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仪器。   
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温度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，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，本实用新型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仪器，
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：一种光干涉甲烷浓度检测仪，包括雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ、数字式图像传感器Ⅱ、图像分析电路Ⅲ,其特征在于还包括甲烷浓度运算器Ⅳ；
其中所述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彩色数字信号，将该数字信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理，并由甲烷浓度运算器Ⅳ对采集处理的结果进行运算得出甲烷浓度，甲烷浓度运算器的数据存储于图像分析电路Ⅲ，其中甲烷浓度运算器Ⅳ包括：
信号转换装置：用于将图像分析电路Ⅲ采集雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的图像数字信号                                                转换为亮度数字信号
Figure 2012207096868100002DEST_PATH_IMAGE002
的信号转换模块；
位置坐标比较器：用于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
Figure 947965DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
线段拟合器：用于分别将所述空气气室和采样气室的亮度最大值和
Figure 744200DEST_PATH_IMAGE004
拟合成线段L1: y-a1x-b1=0和L2: y-a2x-b2=0；  
干涉条纹移动距离计算装置：用于计算出点
Figure 216769DEST_PATH_IMAGE005
到直线L2的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE006
 ，并采用求平均数的公式计算得到采样区干涉条纹的移动距离△L；
折射率计算装置：用于获得当前温度、大气压力下空气的折射率n1及纯甲烷状态下的折射率n2；
 甲烷浓度运算装置：用于计算出当前采样区的甲烷值；
 所述位置坐标比较器通过冒泡比较法获得空气气室和采样气室的亮度最大值的位置坐标
Figure 64639DEST_PATH_IMAGE003
和。
本实用新型的优点及有益效果如下： 
1、由于本实用新型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
Figure 902594DEST_PATH_IMAGE005
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利用甲烷检定仪对
Figure 229670DEST_PATH_IMAGE007
项进行检定，排除由于光源波长λ和气室长度
Figure DEST_PATH_IMAGE008
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是本实用新型一实施例光干涉甲烷浓度检测仪的结构图；
图2是本实用新型流程图
图3是干涉条纹倾斜图；
图4 是干涉条纹加入气室后的条纹；
图5 是干涉条纹的误差示意图；
图6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实用新型作进一步的阐述。
如图1所示，为本实用新型一实施例光干涉甲烷浓度检测仪器的结构图，一种光干涉甲烷浓度检测仪，包括雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ、数字式图像传感器Ⅱ、图像分析电路Ⅲ,其特征在于还包括甲烷浓度运算器Ⅳ；其中所述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彩色数字信号，将该数字信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理，并由甲烷浓度运算器Ⅳ对采集处理的结果进行运算得出甲烷浓度，甲烷浓度运算器的数据存储于图像分析电路Ⅲ，其中甲烷浓度运算器Ⅳ包括：
信号转换装置：用于将图像分析电路Ⅲ采集雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ的图像数字信号
Figure 451704DEST_PATH_IMAGE001
转换为亮度数字信号
Figure 864230DEST_PATH_IMAGE002
的信号转换模块；
位置坐标比较器：用于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
Figure 995183DEST_PATH_IMAGE004
；
线段拟合器：用于分别将所述空气气室和采样气室的亮度最大值
Figure 450436DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 350258DEST_PATH_IMAGE004
拟合成线段L1: y-a1x-b1=0和L2: y-a2x-b2=0；  
干涉条纹移动距离计算装置：用于计算出点
Figure 854052DEST_PATH_IMAGE005
到直线L2的距离
Figure 890141DEST_PATH_IMAGE006
 ，并采用求平均数的公式计算得到采样区干涉条纹的移动距离△L；
折射率计算装置：用于获得当前温度、大气压力下空气的折射率n1及纯甲烷状态下的折射率n2；
甲烷浓度运算装置：用于计算出当前采样区的甲烷值；
所述位置坐标比较器通过冒泡比较法获得空气气室和采样气室的亮度最大值的位置坐标
Figure 516295DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 588899DEST_PATH_IMAGE004
。
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实用新型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，即为本实用新型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，并将数字信号填入如下表的二维数组中。
  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
Figure 693122DEST_PATH_IMAGE009
       （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
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，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。
Figure 849297DEST_PATH_IMAGE011
Figure 584034DEST_PATH_IMAGE013
 ···
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure 553313DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE018
 ···
Figure 501678DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE020
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a1，b为b1；当线段为L2时，a为a2，b为b2 ； 其中                                       
Figure 565766DEST_PATH_IMAGE021
            （公式2）
Figure DEST_PATH_IMAGE022
                   （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
Figure 700206DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 830973DEST_PATH_IMAGE005
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。
Figure 490942DEST_PATH_IMAGE025
 ···
Figure DEST_PATH_IMAGE026
Figure 740657DEST_PATH_IMAGE027
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure 912882DEST_PATH_IMAGE017
Figure 222640DEST_PATH_IMAGE018
 ···
Figure 231047DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE030
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
Figure 284454DEST_PATH_IMAGE005
到直线L2的距离。
 
Figure 296239DEST_PATH_IMAGE031
                                    （公式4）
8）剔除中误差较大的值获得剩余数据
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，采用求平均数的公式5取得剩余数据
Figure 445778DEST_PATH_IMAGE032
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
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为标准大气压力
Figure 729309DEST_PATH_IMAGE035
（即1atm）下，气温为TO 时的气体折射率，可以通过查表法得到。
   
Figure DEST_PATH_IMAGE036
                                     （公式6）
式中：
Figure 961576DEST_PATH_IMAGE037
为当前环境的大气压力（通过仪器中的温压传感器获得）
     
Figure DEST_PATH_IMAGE038
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
Figure 356785DEST_PATH_IMAGE039
                          （公式7）
 式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
  为光源波长, 
Figure 843261DEST_PATH_IMAGE041
  在第11）步获得当前环境条件纯甲烷的折射率, 
Figure DEST_PATH_IMAGE042
  在第11）步获得当前环境条件纯空气的折射率,
Figure 931303DEST_PATH_IMAGE008
为气室长度,
Figure 886752DEST_PATH_IMAGE043
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
Figure 820073DEST_PATH_IMAGE007
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
Figure 488951DEST_PATH_IMAGE008
加工误差以及计算条纹宽度（C-B）带来的系统误差。
Figure DEST_PATH_IMAGE044
                   (公式 8)
式中：  为计算后得到的甲烷浓度值 ；
Figure 174328DEST_PATH_IMAGE043
 在第8）步获得采样干涉条纹的移动距离；
Figure 176919DEST_PATH_IMAGE041
在第11）步获得当前环境条件纯甲烷的折射率；
Figure 700304DEST_PATH_IMAGE042
在第11）步获得当前环境条件纯空气的折射率；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
 通过光干涉甲烷测定器检定仪检定后计算
Figure 51520DEST_PATH_IMAGE007
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点作为采样条纹B点的零位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，还原出采样条纹B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实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型的记载的内容之后，技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种光干涉甲烷浓度检测仪，包括雅明光干涉仪条纹发生装置Ⅰ、数字式图像传感器Ⅱ、图像分析电路Ⅲ,其特征在于还包括甲烷浓度运算器Ⅳ；
其中所述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彩色数字信号，将该数字信号输出给图像分析电路Ⅲ进行采集与处理，并由甲烷浓度运算器Ⅳ对采集处理的结果进行运算得出甲烷浓度，甲烷浓度运算器的数据存储于图像分析电路Ⅲ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111060479A (zh) * 2019-12-10 2020-04-24 天津大学 一种基于stm32f407zg开发板的矿井瓦斯测量系统及方法

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Patentee after: Chongqing Tongbo Measurement & Control Instrument Co., Ltd.

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Patentee before: Chongqing Yixin Instrument and Apparatus Co., Ltd.

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