便攜式光學(xué)瓦斯檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

1、便攜式光學(xué)瓦斯檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì) 摘 要：我國(guó)的煤炭業(yè)絕大多數(shù)采用井下開(kāi)采，煤礦重大災(zāi)害事故之一就是瓦斯爆炸，為確保礦井生產(chǎn)的安全，國(guó)內(nèi)已研制開(kāi)發(fā)出多種類的瓦斯檢測(cè)儀，但傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器普遍存在著體積較大、安裝復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此本文采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行信號(hào)采集與處理，并采用通過(guò)檢測(cè)光干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目從而達(dá)到瓦斯檢測(cè)的目的。 關(guān)鍵字：便攜式；瓦斯；光學(xué)；嵌入式 1.光干涉檢測(cè)原理 光干涉檢測(cè)原理是經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓饴吩O(shè)計(jì)把甲烷濃度的變化轉(zhuǎn)換為光的干涉條紋的位置變化，通過(guò)測(cè)量位移量來(lái)確定甲烷濃度值。 兩束滿足相干條件的光成為相干光。相干條件是這兩束光在相遇區(qū)域：振動(dòng)方向相同；振動(dòng)頻率相同；相位相同或相位差保持恒

2、定，南無(wú)在兩束光相遇的區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象引起了光強(qiáng)在空間的重新分布，使得有些地方加強(qiáng)表現(xiàn)為亮條紋，有些地方減弱表現(xiàn)為暗條紋，明暗相間形成了由于光強(qiáng)分布不同而造成的干涉條紋。 兩同頻、同振動(dòng)方向的光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)不同的媒質(zhì)，在相遇處任一時(shí)刻的振動(dòng)相位差唯一的取決于兩者的差值，差值中的每一項(xiàng)都是光在媒質(zhì)中所經(jīng)歷的實(shí)際路程折算為光在真空中的路程。發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)兩列光的光程差等于整數(shù)倍的波長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生兩條紋；當(dāng)兩列光的光程差等于非整數(shù)倍的波長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生暗條紋。因?yàn)榘咨馐歉魃獾幕旌?，如白光通過(guò)干涉檢測(cè)裝置，白光中各色光的光程差相同。猶豫各色光的頻率不同，所以光在傳播過(guò)程中的頻率也不同

3、，各色光明暗位置就不同，出現(xiàn)彩色的干涉條紋。光干涉甲烷監(jiān)測(cè)裝置就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的。 便攜式光學(xué)甲烷監(jiān)測(cè)裝置采用光干涉原理來(lái)測(cè)定瓦斯?jié)舛龋哂薪哟奖?，操作?jiǎn)單，安全可靠，精度高，測(cè)量范圍大，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，早起光干涉甲烷檢測(cè)裝置存在讀數(shù)不直觀等缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，將現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與光干涉式瓦斯傳感方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)瓦斯?jié)舛戎?、自?dòng)存儲(chǔ)和自動(dòng)處理檢測(cè)結(jié)果并通過(guò)數(shù)碼顯示輸出，同時(shí)增加聲光報(bào)警等多種功能，使光干涉瓦斯檢測(cè)裝置在煤礦重新得到廣泛使用。其測(cè)量范圍和精度有2種：測(cè)量瓦斯?jié)舛?10.0%，精度0.01%；測(cè)量瓦斯?jié)舛?100.0%，精度0.1%。

4、2. 光學(xué)瓦斯檢測(cè)裝置的組成 便攜式光學(xué)瓦斯檢測(cè)裝置根據(jù)光干涉原理制成，由氣路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)4部分組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2.1氣路系統(tǒng) 氣路系統(tǒng)由進(jìn)氣管、二氧化碳吸收管、水分吸收管、氣室（瓦斯氣室和空氣室）、吸氣管、吸氣橡皮球、毛細(xì)管等組成。二氧化碳吸收管內(nèi)裝有顆粒直徑25mm的鈉石灰，當(dāng)測(cè)定瓦斯?jié)舛葧r(shí)，用于吸收混合氣體中的二氧化碳，使之不進(jìn)入瓦斯室，以便能準(zhǔn)確地測(cè)定瓦斯?jié)舛取Ｋ治展軆?nèi)裝有氯化鈉（或硅膠），吸收混合氣體中的水分，使之不進(jìn)入瓦斯室，以便能準(zhǔn)確測(cè)定。氣室用于分別存儲(chǔ)新鮮空氣和含有瓦斯或二氧化碳的氣體，其溫度和絕對(duì)壓力與被測(cè)地點(diǎn)（或瓦斯室內(nèi)）相同，

5、又不使含瓦斯的氣體進(jìn)入空氣室。 2.2光路系統(tǒng) 其基本工作過(guò)程就是采用一個(gè)光源，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)，使其分解為兩列光波，一路通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)空氣室，另一路穿過(guò)采樣氣室后相遇，此時(shí)由于滿足光的相干條件，從而產(chǎn)生干涉條紋。把兩氣室都充有標(biāo)準(zhǔn)空氣時(shí)的干涉條紋作為初始參考位置，兩列光波所經(jīng)過(guò)的幾何路程是不變的，如在一支光路中改變氣體的化學(xué)成分，由此引起通過(guò)該支路光的折射率發(fā)生變化，光程及光程差也就隨之變化，所看到的干涉條紋便會(huì)移動(dòng)，并且這個(gè)距離將隨氣體濃度的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從目鏡中可以看到干涉條紋移動(dòng)的距離。由于干涉條紋的位移量與瓦斯?jié)舛瘸收壤P(guān)系，所以根據(jù)干涉條紋的移動(dòng)距離就可測(cè)得瓦斯的濃度。從目鏡

6、中可以觀察到干涉條紋移動(dòng)后所處的瓦斯?jié)舛瓤潭戎?，于是便可測(cè)得瓦斯?jié)舛取?當(dāng)檢測(cè)瓦斯地點(diǎn)的氣體壓力和溫度變化時(shí)，瓦斯室內(nèi)的含瓦斯氣體的壓力和溫度隨之變化，氣體折射率也要變化，會(huì)因此產(chǎn)生附加的干涉條紋位移。為消除環(huán)境條件變化的干擾，使測(cè)得的瓦斯?jié)舛戎挡皇墉h(huán)境溫度和壓力影響，儀器空氣室安設(shè)了毛細(xì)管。 2.3電路系統(tǒng) 電路系統(tǒng)由電池（1節(jié)1號(hào)電池）、電源燈泡、光源蓋、微讀數(shù)電門和光源電門等組成，實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的電能供給和電路控制功能。 2.4嵌入式操作系統(tǒng) 為了視頻信號(hào)處理速度和數(shù)據(jù)計(jì)算量等要求的考慮，又因?yàn)楣庠床捎脝紊?，其將?huì)產(chǎn)生單色條紋，也能夠降低數(shù)字圖像像處理的工作量，現(xiàn)采用arm9嵌入式開(kāi)發(fā)板能滿足基本的計(jì)算量。片上系統(tǒng)（soc）作為系統(tǒng)級(jí)別的集成電路，可以在單一的硅芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和i/o等功能，為了實(shí)現(xiàn)這完整的功能系統(tǒng)將數(shù)字電路、存儲(chǔ)器、mpu、mcu、dsp等集合組成在一塊芯片上。處理器選擇的是占全球嵌入式risc處理器市場(chǎng)大份額的rom處理器。操作系統(tǒng)則采用了成熟、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)linux。ov511芯片是專門把數(shù)字?jǐn)z像芯片轉(zhuǎn)換到usb接口的芯片，內(nèi)含多個(gè)接口如數(shù)字?jǐn)z像芯片接口、dram接口、實(shí)時(shí)圖像壓縮引擎、usb接口、i2c接口、fifo接口等等，因此攝像頭采用使用此芯片的pc350攝像頭。 3.參考文獻(xiàn) 1 徐毓