WO2010130229A1

WO2010130229A1 - 光干涉检测气体浓度的装置及其精度自动补偿检测方法

Info

Publication number: WO2010130229A1
Application number: PCT/CN2010/072820
Authority: WO
Inventors: 张晶; 陈均; 席贵云; 刘虹
Original assignee: 重庆同博测控仪器有限公司
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-15
Publication date: 2010-11-18
Also published as: CN101576489A; CN101576489B

Description

光干涉检测气体浓度的装置及其精度自动补偿检测方法

技术领域

本发明涉及测量仪器和气体浓度的光学测量方法，特别是一种光干涉检测气体浓度的装置及其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。例如，传统的目测型光干涉曱烷检测仪主要釆用人工读数的方法，存在自动化程度低、测量方法繁瑣、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曱烷检测仪，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气体浓度的装置，第二目的是提供一种前述装置的精度自动补偿检测方法，通过釆用改进型的光路和优化的数据处理方法实现了光干涉曱烷检测仪零点和精度的自适应，解决了智能光干涉曱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釆用的技术方案如下：

一种光干涉检测气体浓度装置，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，最终确定空气中气体含量 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、直角棱镜及设置在胶合棱镜与直角棱镜之间的气室，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：不含被测气体的空气气室及含被测气体的空气釆样气室；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一束相干光经过不含被测气体的气室干涉后在图像传感器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一束相干光经过含有被测气体的釆样气室干涉后在图像传感器的感光面获得另一组干涉条纹 B ,由釆样气室与空气气室之间的腔体隔断材料形成的两组干涉条纹 A和 B之间的隔带 C;

2 )、所述用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中被测气体含量的电信号釆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和 B对应的两个数字波形图 A '和 B ' ,通过对所述两个数字波形的图像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 , 用存储的被测气体浓度为 D。的空气标定精度时，得到的偏移值 S。，两条极暗条纹间的距离为 L。对前述 L值和偏移值 S进行精度修正，最后计算出精度的补偿后的被测气体的实际浓度值。

为实现本发明第二目的而釆用的技术方案如下：

一种釆用上述光干涉检测气体浓度装置，具有零点自动跟踪，精度自动补偿能力的测定空气中气体浓度的方法，方法包括以下步骤： 1 )、精度标定：首先调节釆样气室与空气气室内的气压到相应值模拟出空气中气体的浓度为 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：由经过不含气体的空气气室的一束相干光 Y1干涉后获得第一组干涉条纹 A, 由经过不含气体的空气气室的另一束光 Y2经过含有气体的釆样气室干涉后获得第二组干涉条纹 B ,由釆样室与空气气室之间的腔体材料形成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 rl，r2, 两个下降沿为 fl， f2, 数字波形 B' 的两个上升沿为 rl，，r2，，两个下降沿为 fl，，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 = (1)

^ f2^f÷rl^f-f2-fl

=—— -—— (2)

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 )用气体浓度为 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: = ^ (3)

^J- L

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 Si, 利用最近一次标定仪器精度时保存的气体浓度 D。与 A， B两组条纹的偏移量 S_D, 由光干涉经测气体浓度的经验公式（4)获得本次测量的气体浓度 D

本发明在同一光路中釆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。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

以测量空气中曱烷或二氧化碳气体为例，如图 1所示，整个实施过程为: 首先光路系统产生与曱烷或二氧化碳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，最终数据釆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曱烷或二氧化碳的浓度。

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中的釆样气室 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 1 1 , 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。

在实施例中，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。此外，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和釆样气室 10 , 釆样气室 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，其中釆样气室 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。

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中曱烷或二氧化碳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8。

图像釆集与识别阐述：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获得两个上升沿 rl和 r2与两个下降沿 fl和 f2。微控制器将在 B组条纹对应区域的每一行内获得两个上升沿 rl，和 r2，与两个下降沿

，，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曱烷或二氧化碳的空气气室的一束相干光 Yl, B组干涉条纹来自经过含曱烷或二氧化碳的釆样气室的另一束相干光 Y2。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=Νλ (11)

其中 λ为光波波长， Ν为条纹级数

条纹间距：

ί=λ/2ΝΘ (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 Α组条纹，下半部分代表 B组条纹，在 x-y平面坐标系上，在曱烷或二氧化碳含量为零的情况下，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一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釆集与处理电路提供一组差动信号， B , A分别为正负端。就像电路上釆用差动输入可以克服温漂一样，本发明在同一光路中釆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 ) (1 3)

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，在相同的曱烷或二氧化碳浓度下，不同楔角 θ 1与 Θ 2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：

(14)

L2 S2

假设最近一次以 D。的曱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= = (15)

L S

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 ― 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 :} L' (16) 本发明基于仪器精度的自动补偿原理，解决了传统光干涉曱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。在本发明中含有曱烷或二氧化碳的空气的光束与直接通过不含曱烷或二氧化碳的空气的光束间的光程差为 Δ Β, 而两束光都通过不含曱烷或二氧化碳的空气的光程差为△ A, , A, B两组条纹的实际位置反映了△ A与△ B的关系，利用图像传感器釆集到 A， B两组条纹的实际位置可以计算出空气中曱烷或二氧化碳的浓度。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)可以确定空气中曱烷或二氧化碳的浓度。

发明效果

本发明在同一光路中釆用两组条纹实现光学图像的差分化，进而整个系统以差分化方式处理数据，达到了零点自动跟踪的效果；通过实时监测条纹间距实现了精度的自动补偿，当精度严重失衡时仪器能够有效地识别和校准，解决了传统光干涉曱烷检测仪因光学系统畸变引起的精度严重失衡的难题，为多种应用领域的气体检测，如一氧化碳、二氧化碳、曱烷、氢气、硫化氢、氮气等气体检测，特别是煤矿瓦斯检测提供了一种准确度高，稳定性好的检测方法，。

Claims

权利要求

1、一种光干涉检测气体浓度装置，其特征为：包括一个利用同一光源产生两组光干涉条紋的光路系统；一个将两组条紋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紋物理位置，最终确定被测气体含量的电信号釆集处理部分；其中

1 )、所述利用同一光源产生两组光干涉条紋的光路系统：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 )及设置在胶合棱镜（ 5 )与直角棱镜（ 9 )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：不含被测气体的空气气室（11 )及含被测气体的空气釆样气室（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紋图像转换为电信号输出；由胶合棱镜分束得到的一束相干光（Y1 )经过不含被测气体的气室（11 )干涉后在图像传感器（6) 的感光面上获得一组干涉条紋（A); 由胶合棱镜分束得到的另一束相干光（Y2) 经过含有被测气体的釆样气室（ 10 )干涉后在图像传感器（ 6 )的感光面获得另一组干涉条紋（ B ), 由釆样气室（10) 与空气气室（11 )之间的腔体隔断材料形成的两组干涉条紋 A和 B之间的隔带（C);

2)、所述用于识别两组条紋物理位置，最终确定空气中被测气体含量的电信号釆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紋（A，B)对应的两个数字波形图 A'和 Β', 通过对所述两个数字波形的条极暗干涉条紋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 , 用存储的被测气体浓度为 D。的空气标定精度时，得到的偏移值 S。，两条极暗条紋间的距离为 L。对前述 L值和偏移值 S进行精度修正，最后计算出精度的补偿后的被测气体的实际浓度值。

2、根据权利要求书 1所述光干涉检测气体浓度的装置，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 ), 所述卜偿镜可以绕轴旋转或前后的摆动，实现光路卜偿与调节后锁定。

3、根据权利要求书 1所述光干涉检测气体浓度的装置，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 )和釆样气室（10 ), 釆样气室（ 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，其中釆样气室（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、一种釆用权利要求书 1所述光干涉检测气体浓度的装置，具有零点自动跟踪，精度自动补偿能力的测定空气中某一气体浓度的方法，方法包括以下步骤：

1 )、精度标定：调节釆样气室（10 ) 内的气压到相应值模拟出空气中某被测的浓度为 D_Q, 按照以下 2 )、 3)和 4)步骤所述得到其对应的数字波形在笛卡尔坐标下相应的 S。， L。值，由 PC机或微处理器自动记录 S。， L。在其非易失性存储器内；

2 )、双气室光干涉检测：由经过不含被测气体的空气气室（11 ) 的两束相干光 Y1和 Y2干涉后获得第一组干涉条紋 A,由经过不含被测的空气气室（ 11 ) 的一束光 XI和另一束经过含有被测气体的空气的釆样室（ 10 ) 而且与 XI相干的光 X²干涉获得第二组干涉条紋 B, 由釆样室（10)与空气气室（11 )之间的腔体材料形成的两组干涉条紋 A和 B之间的隔带（ C );

3)、对光干涉条紋的物理位置信息图像处理：通过图像传感器将步骤 2) 得到的两组干涉条紋转化为电信号，并数字化该电信号后得到笛卡尔坐标下的两条数字波形 Α'、 Β', 其中 χ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 rl， r2, 两个下降沿为 fl， f2,数字波形 B'的两个上升沿为 rl，，r2，，两个下降沿为 fl，，f2，；

4 )对光干涉条紋的物理位置信息的识别：根据步骤 3)计算出数字波形 A，离 L及数字波形 B'相对数字波形 A'的像素点的偏移量 S:

_T f2-S-r2-fl-ri

L = (l)

2

S = (2)

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 )用被测气体的浓度为 D₀的空气标定精度时，得到的偏移值 S₀,两条极暗条紋间的距离为 L₀, 利用式（3)自动修正步骤的 4 ) 的 S值到 S_i: ·= ¾ (3)

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 S_Q同等环境条件下的 Si, 利用最近一次标定仪器精度时保存的被测气体浓度 D_Q与 A， B 两组条紋的偏移量 S_Q, 由光干涉经气体浓度的经验公式（4)获得本次测量的被测气体浓度 D

O = 一 ^: (4) 。

¾ 十 il- ri)