（测试计量技术及仪器专业论文）瓦斯气体浓度光电检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 瓦斯爆炸成为中国矿难的主要原因，其产生原因很多，诸如：使用不合指标 的检测产品、检测设备不够、检测仪的灵敏度过低、检测仪器过期或未及时校准 等。瓦斯爆炸三个必要条件为：1 ) 瓦斯浓度5 _ 1 6 ；2 ) 高温热源( 6 5 0 ) 存于瓦斯引火感应期；3 ) 氧气浓度 1 2 。矿井中的氧气浓度通常大于1 2 ，这 是矿工在井下生存及作业的必要条件。因此，防止瓦斯爆炸主要在于实时监控瓦 斯浓度并杜绝火源。在井下作业时，因设备、照明等难免会产生火花，因此主动 地对瓦斯浓度进行实时、分布式的监控和检测而具有更重要的意义。 针对上述原因，本文设计了基于四光路双干涉分布式瓦斯检测系统。该系统 是基于光干涉理论和比尔朗伯吸收定律，通过c c d 采集光干涉条纹的强度变化 来反测瓦斯气体的浓度变化来工作的。此外，本文还专门为井下作业的矿工设计 了便携式的瓦斯检测仪可实时实地的对瓦斯浓度进行检测并及时地进行报警。本 文所研制的分布式及便携式的光学瓦斯检测系统具有以下主要的特点； 1 ) 通过检测干涉条纹的强度变化，而不是通过计数干涉条纹的移动来测得 瓦斯气体浓度的变化。避免了常规的光干涉瓦斯检测仪在到新环境检测瓦斯浓度 时需要调零，同时避免人眼读干涉条纹移动量产生误差； 2 ) 提出了双干涉仪，测量干涉仪中一路光经过标准气室，另一路光暴露在 瓦斯中；参考干涉仪两路光均暴露在瓦斯气体中。通过参考干涉仪可补偿由光源 波动和外界环境变化引起的测量误差，从而提高了检测气体的精确度。 3 ) 气室设计结构简单，无鼓风泵等振动器件，系统运行稳定可靠； 4 ) 采用c c d 图像技术，并结合l a b v 匝w 实验平台开发了瓦斯浓度分布式 检测系统。该系统可多点实时采集、分析、显示瓦斯浓度曲线并具有数据的远程 通信、保存及回放之功能，为系统及科学地研究矿井瓦斯气体浓度变化提供依据： 5 ) 便携式瓦斯检测系统采用c p l d 芯片( e p m 7 0 “) ，该芯片可精确的产生 面阵c c d 所需的时序信号并可避免使用大量的电子元器件。同时，本文选用 a r m 7 t d m i s 微处理器处理c c d 输出的视频信号。由于a r m 7 处理速度快、外 围接口丰富可满足处理c c d 输出视频信号的数据量大、频率快的需求；且该系 统具有l c d 实时显示浓度值、声光报警和网口数据下载和通讯等功能。 摘要 6 ) 该检测系统具有稳定性高、防爆性好、响应速度快和使用寿命长的特点， 并符合国家煤矿安全规程规定中对矿井瓦斯检测仪器的要求； 关键词：双干涉仪；虚拟仪器；瓦斯检测 a b s t r a c t g a se x p l o s i o nh a sb e c o m eo n co ft h et o p m o s tc a u s e so fc h i n e s ec o a ln l m e s d i s a s t e r s , t h ei m p o r t a n tf a c t o r sa r ev a r i o u s ，s u c ha s 哪i l l gu n q u a l i f i e d , n o ta d e q u a t e ， l o ws e m i t i v i t y , o v e r d u ed e v i c e so re q m p m e n _ t s a sf a ra st h eg a se x p l o s i o ni t s e l fi s c o n c e r n e d , t h et h r e en e c e s s a r yc o n d i t i o n ss h o u l db em e t ：1 ) t h ec o n c e n t r a t i o no ft h e m e t h a n ei n s i d et h e c o a li sb e t w e e n5 a n dl6 ；2 ) t h eh i g ht e m p e r a t u r e s o u r c e ( 6 5 0 c ) e x i s t si nt h eg a se x p l o s i o ns e n s i t i v ep e r i o d ；3 ) t h eo x y g e n o u s c o n c e n t r a t i o ni sm o r et h a n12 a b o u tt h et h i r dc o n d i t i o n , i ti sa l w a y ss a t i s f i e d b e c a u s et h i si sap r e r e q u i s i t er e q u i r e m e n tf o rp e o p l et ow o r ka n ds t a yi nt h ec o a lm i n e t h e r e f o r e ，h o wt 0a v o i dt h eg a sg a t h e r i n gt 0r e a c ht h ec r i t i c a lc o n c e n t r a t i o na n ds t o p i g n i t i o ns o u r c ei st h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st op r e v e n tt h ee x p l o s i o n t h ef i r e r e s o u r c e si sr a t h e rd i f f i c u l tt oe r a d i c a t ed u et ot h em a c h i n e s ，e l e c t r i ca p p l i a n c e su s i n g i nt h em i n e ，t h u st h ek e yi m p o r t a n tm e t h o dt op r e v e n tt h ee x p l o s i o nf a l l so nh o wt o d e t e c tt h eg a sc o n c e n t r a t i o nt i m e l ya n dp r e c i s e l y f o rt h i s , i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t w os y s t e m sw c i ed e s i g n e d ：t h ed i s t r i b u t e dm e 吐l a n e d e t e c t i n gs y s t e ma n dt h ep o r t a b l em e t h a n ed e t e c t i n gs y s t e m t h ed i s t r i b u t e dm e t h a n e d e t e c t i n gs y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nl i g h ti n t e r f e n c et h e o r ya n db e e r - l a m b e r tl a w a n du s i n gc c dt oc o l l e c tt h ei n t e n s i t yv a r i a t i o n so ft h ei n t e r f e n c ef r i n g e st oo b t a i n b a c kt h ec o n c e n t r a t i o no ft h em e t h a n e o nt h eo t h c th a n d , t h ep o r t a b l ed e t e c t i n g s y s t e mf o rt h eo p e r a t o r sc a r tb eu s e dt od e t e c tt h eg a sc o n c e n t r a t i o no 1t h er e a l # a c e a n dr e a lt i m ea n ds e n do u tt h e a l a r m i n gs i g n a l ，b 0 也t h ev o c a la n dt h el i 如 i m m e d i a t e l y t h et w od e s i g n e ds y s t e m sa r ef e a t u r e da st h ef o l l o w i n g s ： 1 ) t h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o ni so b t a i n e db yd e t e c t i n gt h ei n t e n s i t i e so ft h e i n t e r f e r e n c ef r i n g e s ，n o tc a l c u l a t i n gt h em o v e m e n to ft h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e s t h i s d e t e c t i n gm e t h o da v o i d sw i t h e r e d i n gt h ed e t e c t o r si nan e we n v o r i m e n t , a l s or e d u c e s t h ee r r o r sb r o u g h ta b o u tp e o p l e sr e a d i n gt h em o v e m e n t so f t h ei n t e r f e r e n c ef i q n g e s 2 ) t h et w oi n t e r f e r o m e t e r sw e r ed e s i g n e di nt h e s ed e t e c t i n gs y s t e m s , o n ei sa c t e d a st h em e a s u r c t n e n ti n t e r f e r o m e t e rw h i c hi sc o m p o s e do ft w ol i g h t s ，o n e g h ti s a b s t r a c t t h r o u g ht h es t a n d a r dg a sc e l l , t h eo t h e rl i g h ti st h r o u g ht h em e t h a n e ；a n dt h eo t h e r i n t e r f e r o m e t e ri su s e da sr e f e r e n c ei n t e r f e r o m e t e r , a n dt h et w o l i g h t sb o t ha r ee x p o s e d i nt h em e t h a n e t h er e f e r e n c ei n t e r f e r o m e t e rc a nb eu s e dt o c o m p e n s a t et h e m e a s u r e m e n tt o l e r a n c e sc a u s e d d u et ot h e o p t i c a l r e s o u r c e sa n dt h eo u t e r e n v i r o n m e n t s f l u c t u a t i o n s ，t h u st h ed e t e c t i n gp r e c i s i o nc a nb ef u r t h e ri m p r o v e d 3 ) t h es i m p l es 佃l 曲l r eo ft h eg a sc e l la n dw i t h o u tu s i n gt h eb l a s tp u m p ，t h e w h o l es y s t e mc a no p e r a t es t a b l y 4 ) t h ed i s t r i b u t e dg a sc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do n c c di m a g et e c h n o l o g ya n dt h el a b v i e wp l a t f o r m , a n dt h e r ea l ef u n c t i o n so ft h e r e a l t i m ed a t a c o l l e c t i n g ，a n a l y z i n g ，d i s p l a y i n ga n da l s o t h el o n g d i s t a n c ed a t a c o m m u n i c a t i o n , s a v ea n dp l a y b a c k a n di ta l s op r o v i d e st h a td a t au s e dt oa n a l y z et h e g a sc o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o ns t a t u ss y s t e m a t i c a l l ya n ds c i e n t i f i c a l l y 5 ) c h i pc p l d ( e p m t 0 6 4f o rd e t a i l ) i sa d o p ti nt h ep o r t a b l ed e t e c t i n gs y s t e mt o g e n e r a t et h ep r e c i s et i m es e q u e n c es i g n a lf o rc c d ，t h u st h es y s t e ma v o i d st ou s el a r g e q u a n t i t i e so fe l e c t r i cc o m p o n e n t s a tt h es a m et i m e ，t h ea r m 7 t d m i s ( l p c 2 2 2 0 ) f e a t u r e df a s tp r o c e s s i n gs p e e d , r i c hc o n n e c t o r sw a su s e dt op r o c e s st h ev i d e os i g n a l o u t p u tf r o mc c d a n da l s ot h es y s t e mi s 谢t l lf u n c t i o n so fd i s p l a y i n gt h em e t h a n e c o n c e n t r a t i o no nt h el c d ，g i v i n gs o u n da n dl i g h ta l a r m sa n dd o w n l o a d i n gt h ed a t a f r o mt h en e t w o r k se t c 6 ) t h ed e t e c t i n gs y s t e m sa l ec h a r a c t e r i z e da sl l i g hs t a b i l i t y , g o o de x p l o s i o n p r e v e n t i n gc a p a b i l i t y , l o n gl i f et i m ee r e ，a n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e i s s u e db yt h en a t i o n k e yw o r d s ：d o u b l ei n t e r f e r o m e t e r s ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；m e t h a n ed e t e c t i o n i v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：蓐名福 吲年6 月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名：本久桶 日期：叼年侗日 导师签名：童元庆日期：刀7 年钼 第一章绪论 1 1 研究背景意义 第一章绪论 我国每年安全事故发生频繁，包括矿业事故、交通事故、爆炸事故、火灾、 毒物泄露和中毒及其它事故，其中矿业事故最多，而瓦斯爆炸已占到中国煤矿事 故的8 0 以上。国民经济的快速发展和基础设施建设步伐的加快，能源需求增 长加速，煤炭产量也迅速增长，全国煤炭产量从1 9 9 8 年的1 2 3 3 亿吨上升到2 0 0 4 年的1 9 5 6 亿吨。但2 0 0 5 年以来煤矿安全生产形势仍然相当严峻，主要表现在： 一是全国煤矿事故死亡人数居高不下，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家 平均水平，严重影响了煤炭工业的可持续发展和社会的稳定；二是重、特大事故 没有得到有效控制；三是中国煤矿数量过多，我国国有重点煤矿约有3 千家，而 生产型矿井2 8 万家，仅山西省就有3 4 2 0 家生产型矿井n 】，我国矿井数是世界除 了中国以外的其他各国煤矿数量之和的数倍。小煤矿办矿标准低，事故多发，死 亡人数占全国煤矿的7 0 以上；大中型煤矿厂设备超能力生产现象时有发生矧。 给国家和人民的财产带来了极大的损失。煤矿瓦斯事故仍然是当前煤矿安全的主 要灾害，瓦斯的治理和防范仍然是当前煤矿安全的重中之重。 大量的瓦斯爆炸事故表明，发生瓦斯爆炸基本条件为：1 瓦斯浓度5 - 1 6 ： 2 高温热源( 6 5 0 ) 存在瓦斯引火感应期；3 氧气浓度 1 2 9 6 。矿井中的氧气浓 度通常大于1 2 0 5 ，这是矿工在井下生存及作业的必要条件。因此，瓦斯爆炸由三 个方面的因素促成，即瓦斯积聚、引火源和某些人员的违章失职嘲。从瓦斯的爆 炸条件知道，可通过检测气体的浓度到达提醒工人撤离现场。实际应用中大多数 瓦斯检测仪以电子传感器为主要设计原理的瓦斯检测系统，而电子传感器存在着 误差大、稳定性不强、读取数字容易漂移、超浓度状态下传感器易受冲击及每周 需要校验等缺陷；光干涉瓦斯传感器读数不直观。针对以上情况，本文设计了两 套检测系统，检测原理是基于光干涉形成条纹，气体浓度不同干涉条纹强度被吸 收不同来测得气体浓度。一套分布式系统可实现远程通信，多点检测，报警，数 据回放，浓度曲线直观显示，系统可方便的实现功能的升级、拓展和系统的移植： 还设计了一套便携式的瓦斯检测仪适用于井下作业的矿工，它有具有体积小，重 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 量轻，可语音报警和灯光报警，并可实现数据下载，网络通讯，液晶显示等。 1 2 甲烷的常用检测方法 1 2 1 催化元件( 黑白元件) 这种元件内部以铂丝为核心，外部以氧化铝为载体，载体上涂有催化剂，当 铂丝通过一定的电流且元件处于含有甲烷的气体中时，表面会产生无焰燃烧，铂 丝阻值因温度增加而增加，从而实现对甲烷的检测。检测电路如图卜l 所示。 优点：输出的电信号与瓦斯浓度成正比，灵敏度高，受温度和潮湿度影响小， 价格低。 其缺点是：只能测量低浓度瓦斯，易受到高浓度瓦斯和硫化物的侵蚀，使用 一段时间后，零点产生漂移，灵敏度下降，因此每隔一段时间就要用标准气体进 行零点和灵敏度校正。 瓦斯浓度计算公式： = 稳e 一罢 设吒= 五a - r 如 此时= 等e 墨他 图卜1 热催化式甲烷检测器 其中，v c 是电源电压，r 。是热催化元件，r ：是补偿元件，r 、r ：是桥臂电阻， v 0 是输出电压。 此方法是目前市场上应用最广的，而在研究中的多是对于在二氧化物中的掺 杂，来提高分辨率和响应速度上m 硼。 2 第一章绪论 1 2 2 气敏半导体传感器 半导体气体传感器的核心是气敏材料。其原理是材料表面吸附某些气体时， 其电导率随气体浓度的不同而发生改变。目前气敏探测器用的材料大多是气敏陶 瓷，其中又以金属氧化物半导体气敏陶瓷居多。 目前所知的应用于瓦斯测量的气敏材料多是在s n o ：或a 1 2 0 。中添加p b 、p t 或 0 s 形成的睁埘。结构如下图1 2 所示1 鄹： 图1 - 2 元件结构示意图 l _ p t 丝2 _ p t i r 丝圈3 - 气敏材料 优点：瓦斯传感器体积小，灵敏度高，价格便宜，制作工艺简单。 缺点：工作温度一般远较室温为高，需要在加热的条件下才能有效的工作， 工作温度一般在2 0 0 4 0 0 度之间：受外界环境的影响也比较大，特别是湿度和温 度的变化直接影响到传感器的灵敏度：易受到其它气体的影响：不能进行远距离 监测：测量范围小，一般在5 以下。 1 2 3 光纤吸收式瓦斯传感器 光纤的问世，以它的众多优点，广泛应用于各行业。光纤传感器随着光通信 的发展而被广泛研究。光纤在传感器中有两种功能，一种是作为传输介质，一种 是作为敏感元件。 光纤吸收式传感器用于瓦斯检测主要是根据朗伯一比尔定律，光经过气室后 由于被特定波长的光吸收而光强发生变化。国外吸收式光纤瓦斯检测器起步很 早，日本t o h o k u 大学的h i n a b a 和k c h a n 等人，于1 9 8 3 年用l e d 作为宽带光 源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1 3 3 1 2 n m 附近的q 线进行检测n 们。之后根 据检测原理，改善光源的基础上进行了广泛的探讨研究，又采用了复用等技术来 降低成本n 凇1 。光纤吸收式瓦斯传感器中光纤作为传输介质。缺点：光纤传输特 3 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 性限制了光源的选用，且光纤适用于长距离信号传输，同时光纤光路调整复杂， 传输过程中不能弯曲。 1 2 4 渐逝场泄漏型光纤瓦斯传感器 渐逝场泄漏型光纤瓦斯传感器，它采用一段裸光纤，放置在待测场中，周围瓦 斯浓度的变化即折射率的变化导致光纤中的渐逝场泄漏到周围空气中，从而探测 瓦斯浓度，目前仅见国外有关的报道，为提高监测灵敏度，裸光纤采用特殊工艺制 造，其形状如下图1 3 所示，即所谓的d 型光纤。 一。一一 。一龙撇 ，r 图1 - 3d 型光纤 这种采用裸光纤和渐逝场泄漏方式的传感器在实际应用中显然要遇到光纤 表面被环境污损的威胁一1 。 1 2 5 染料光谱吸收型光纤传感器 染料光谱吸收型是采用聚合物包层光纤，聚合物中含有气敏染料，染料与气 体作用后状态发生变化，在各种不同的状态下有不同的吸收光谱。这与p h 值传感 器很相似，利用这种方法针对不同气体用不同的气敏染料，从而达到检测目的。 至今尚未见到有关与瓦斯作用的气敏染料报道，这种方法要受化学作用速度的限 制，所以要受环境温度、湿度的影响，同时要求气敏材料应具有可逆性田1 。光纤荧 光气体传感器是通过测量与气体相应的的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传 感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由与其相互作用的荧光燃料产生，荧 光物质吸收特定波长的光照射，电子受激，从低能态转移到高能态，受激电子释 放能量，产生荧光，荧光波长大于激励波长，其波长差称为s t o k e s 位移。通常 电子在受激态停留时间很短，典型寿命为1 2 0 n s 。被测气体的浓度既可以改变 荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。但也未见用于瓦斯检测，多是关于氧气的 4 第一章绪论 检测应用。 1 2 6 光干涉法瓦斯传感器 光学瓦斯传感器的光路、气路部分类似于光学瓦斯检定器，光电转换装置原 理如图1 4 所示。被检测气体通过气体分离器吸入瓦斯气室，利用甲烷与空气对 光的折射率的差异而产生光程差，光程差造成的干涉条纹偏移，其偏移的大小则 与甲烷的浓度成比例关系。 图1 - 4 光干涉法瓦斯传感器 直角棱镜 优点：体积小、携带方便、坚固耐用、校正容易、测量范围大等特点，被广 泛用来检测甲烷和二氧化碳。 缺点：浓度指示不直观，受气压、湿度、温度影响，特别是当空气中的氧气 不足和氮氧比例异常时，测量将出现误差；在二氧化碳含量较高时，因过滤不净 会出现甲烷测量值偏高的现象；对甲烷以外其它烷烃类可燃气体则检测不出来。 1 3 目前矿用瓦斯报警仪器 瓦斯检测是防止煤矿瓦斯爆炸事故的有效措施之一。1 8 1 5 年发明了利用火 焰高度的安全灯作为瓦斯检测技术，1 9 2 3 年开始应用热燃烧式催化传感器技术 来检测矿井下的瓦斯气体。目前热催化燃烧式检测技术仍然是瓦斯检测的主要 手段。美国、英国、波兰、日本使用的瓦斯检测仪器，8 0 以上是利用催化原 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 理制成的，还用少量的是利用热导原理和光干涉原理。我国第一台催化原理的 瓦斯报警仪是1 9 5 8 年研制的，采用纯铂丝作为传感器；1 9 6 4 年研制出采用载体 催化传感器的a q r - 1 型瓦斯监测仪。在这之后，重庆煤矿安全仪器厂、重庆煤 科院、上海煤科院、抚顺煤矿安全仪器厂等单位或企业陆续研制了各种型号的 瓦斯监测报警仪，到2 0 世纪9 0 年代，我国生产各种瓦斯检测仪器及设备的企业 达到3 0 余家。 目前我国各大矿井使用的有热催化式传感器、红外吸收瓦斯传感器和光学瓦 斯传感器。我国煤矿安全规程中规定“必须使用光学甲烷检测仪作为瓦斯检 测依据 。根据中煤网的统计，在2 0 0 3 年共有3 3 7 处矿井装备了矿井安全生产监测 系统，使用检测系统的矿井装备瓦斯传感器9 8 5 4 个，联网传感器1 4 11 6 个。有5 6 5 处矿井共使用便携式瓦斯检测仪6 5 5 5 1 台，1 9 1 处矿井使用瓦斯氧气两用仪2 3 1 7 台，3 0 处矿井使用瓦斯报警矿灯5 6 6 7 台，5 5 2 处矿井使用光学瓦斯检定器3 4 5 6 6 台。 1 4 课题的提出 1 4 1 测量方法的比较 表1 - 1 各种瓦斯传感器技术参数 技术参数 红外吸收光电 热催化 反应时间( s )l 1 01 - - - 51 0 2 0 选择性高高高 维护周期( 月)0 5 - - 20 5 - - , 10 2 - - 0 5 有无爆炸危险元件 没有有有 读数的稳定性高高低 使用寿命 2 1 0 2 - - 5 l 2 测量范围0 1 1 0 00 0 5 - - - 1 0 0 0 2 3 通过方案比较，结合红外吸收式瓦斯传感器和光干涉瓦斯传感器的优点，基 于光路在不同的气体中折射率不同，产生光程差，从而得到干涉条纹，采用c c d 6 第一章绪论 读出干涉条纹，又由于气体的吸收导致干涉条纹强弱变化，转换为视频信号大小 不同，从而实现数字直观显示浓度值；本文并在光干涉的基础上改为双干涉仪法， 从而达到补偿外界的因素干扰，提高检测精度。本文设计的两套检测系统都具有 直观、灵敏度高、响应速度快、不会中毒等优点，同时可实现远程检测和功能扩 展等。井下作业的矿工利用随身携带的便携式瓦斯检测仪在井下进行实时检测， 分布式瓦斯检测系统可定点检测瓦斯浓度，集中显示。 此外，系统的结构简单、紧凑，而且可应用范围广，只需要重新标定系统 值，而不必对系统的结构做其它大的变动，就可以方便地实现对其它气体的监 测。所以本文设计的系统具有重要的实用价值和非常广阔的应用前景。 1 4 2 本课题的主要研究内容和工作 本课题所研究的是关于瓦斯浓度的光电检测方法，主要研究工作和内容有： 1 ) 讨论了现有的国内外检测甲烷气体的方法，进行比较和分析，获得各种 检测技术的优缺点，最终选定方案。 2 ) 阐述了利用干涉条纹变化检测气体浓度变化的原理，并介绍了经典的干 涉仪和其应用。重点介绍了迈克耳逊干涉仪并对干涉条纹产生影响的因 素进行了讨论。 3 ) 介绍了l a b v i e w 语言的特点和应用，重点介绍了它强大的通讯功能和 接口扩展功能。因此分布式检测系统选用l a b v i e w 实验开发平台 4 ) 阐述了分布式瓦斯检测系统的硬件构成和各元器件的选择缘由。编写了 分布式系统的功能模块：系统的自检模块、用户权限设计模块、数据采 集模块、网络传输模块、语言报警模块、系统帮助模块和数据回放模块。 5 ) 结合试验的数据，得出了瓦斯气体浓度变化，会出现干涉条纹的光强变 化，并分析了误差源。 6 ) 介绍了便携式瓦斯检测仪的各组成部分，采用c p l d 芯片开发了面阵 c c d 芯片驱动信号，c c d 信号处理采用了a r m 7 t d m i s 微处理器，并设 计了a r m 7 芯片l p c 2 2 2 0 的外围电路和相关的软件编程。 7 ) 结论和展望 7 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 第二章气体传感器干涉的基本理论 2 1 两单色光干涉原理嘲 光的强度i 定义是在单位时间内、在垂直于能流方向的单位面积上通过的能 量的平均值。对于平面波( 球面波最终可过渡到平面波公式) 可知， ，= 丢丘抒弦三4 x 、压6 如 沿1 ) 又由于对同一媒质中的强度进行比较，我们可以取 作强度的量度。电矢 量e 表成如下形式： e ( r ，f ) = 锨 彳( ，沁一m = 去【么( ，) e - m + 么( ，) p m 】 ( 2 2 ) 式中a 是一复式量，它的三个笛卡儿直角分量为 4 = 口l ( 厂) p 锄，4 = 呜( ，) p 锄，4 = a 3 ( r ) e 锄钟 ( 2 3 ) 式中的哆和毋( j = 1 ，2 ，3 ) 都是实函数。对于一个均匀平面波，振幅乃是常数， 而相函数毋的形式为昌= b 一哆，其中k 是传播矢量，哆是决定偏振态的相常 数。 从( 2 - 2 ) 式，得 e 2 = 三( 彳2 e 2 m + 么2e 2 m + 2 似) ( 2 4 ) 4 、 对比周期丁：望大得多的间隔取得时间平均，因而得到 ( 2 5 ) 现在假定，两个单色波巨和岛在某一点p 叠加在一起，p 点的总电场为 e = 巨+ 岛 ( 2 6 ) 因而 e 2 = 耳2 + 岛2 + 2 置岛 ( 2 7 ) 因此，p 点的总强度为 8 第二章气体传感器干涉的基本理论 蜀一囊：岛一坞= 9 3 一吩：万：罢! 缈 ( 2 1 1 ) 式中伊是这两个波从它们的共同光源到p 点的光程差，凡是真空波长。用 耳。岛2 ；( 彳e 一懈+ 彳p m ) ( 眈一m + 丑p 胁) ( 2 一1 2 ) = 丢( 彳& 枷+ 肛曰咿m + 彳+ 胪功 、 2 - 2 互岛沁主似曰+ 彳l 回 = 主口1 2 ，厶= 三2 j 1 2 并且 以2 = q a c o s 万= 2 丽c o s 艿 ( 2 1 4 ) 9 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 因此总强度为 i - i i + 1 2 + 2 丽c o s 万 ( 2 1 5 ) 显然， k = + 1 2 + 2 两 制= 0 2 历4 加竺( 2 - 1 6 ) k 小= + 厶一2 4 1 , i , 当问= 扔3 历( 2 n + 1 ) a - 在= 厶的特殊情形下，式( 2 - 1 5 ) 化为 o ，= 2 1 1 ( 1 + c o s 8 ) = 4 i l c 4 ) s 2i 0 ( 2 1 7 ) 二 因而，强度在极大值大= 4 和极小值k 小= o 之间变化。 对于自然非偏振光同样适用。一束自然光可以表示为阵动方向相互垂直的 ( 比如说，沿x 和y ) 、两束不相干的线偏光的叠加。因此，x 分量间的干涉和y 分量间的干涉可以分开考虑，这时，把各个强度加起来就得到总强度。因为各情 况的艿相同，所以仍然得到上列公式。 2 2 光波干涉条件胁。嘲 如果两束光干涉形成稳定的干涉条纹，它们必须有相近的频率。假设有两束 白光干涉，将会出现红光和红光成分相干涉，蓝光和蓝光成分相干涉。所有的单 色光组成部分叠加起来形成白光干涉条纹，虽没有各种近单色光干涉的干涉效果 明显，但它们可产生观测到的干涉结果。 两干涉波波幅相等或相近时，干涉效果最为明显。明暗条纹中心区域对应着 干涉强度的加强和消弱，从而产生最大的对比度。 同时要求两光源位相相同或相位差恒定，就会产生固定的干涉条纹。相位差 改变时，干涉条纹也会随之改变。这样的光源就叫是相关的。 2 2 1 时间和空间相干性 1 光源的发光机制 1 0 第二章气体传感器干涉的基本理论 按照经典电磁理论模型，构成发光体的大量原子或分子可等效为一系列电偶 极子。发光过程就是这些电偶极子所产生的电磁辐射波列在时间和空间上无限延 伸，这就是所谓的单色光波。 实际情况中，由于受到各种阻尼，如原子或分子因剧烈的热运动而引起彼此 之间的碰撞、多普勒效应等，导致偶极辐射过程常常中断。因而辐射波列的平均 持续时间，即使在稀薄气体情况下也极短，约为1 0 呻s 。这样，一般光源发出的 光波，实际上是由一段段有限长的电磁波列组成。每一段波列的振幅和相位在其 持续时间内保持不变或缓慢变化，前后各段波列之间没有固定的相位关系，其光 振动方向也不一定相同。这就是所谓的准单色光波。要使参与叠加的准单色光波 之间具有恒定的相位差，唯一有效的途径是让参与叠加的所有光波分量均来自同 一波列。考虑到波列的有限长度，要满足此条件，所有参与叠加的光波分量必须 来自同一光源，并且与相位差对应得光程差不能大于波列在空间的持续长度。 2 光源的宽度 干涉图样有一定本底时，也就是极小值不等于0 时，其图样的清晰度比无本 底的要差一些。为比较不同干涉图样的清晰程度，特引入衬比度的概念，定义为 ，r 厂= 挚哗，式中k 和k 分别表示干涉图样中相邻亮条纹和暗条纹中心的 聪一晌 极值强度。 图2 1 为光源宽度变化所引起干涉衬比度的变化，正比于光源宽度。图 2 2 为衬比度不同时，对应的干涉条纹图像。 0l2345 妇 图2 - 1 衬比度随光源宽度的变化 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 | | 爹糕| _ y = 1 y = 0 6 3 y = 3 8 9 8 1 0 川 图2 - 2 干涉条纹随光源宽度的变化 相干长度由光源的单色性决定的，干涉条纹的最大光程差也可定义两列波能 发生干涉的最大光程差叫相干长度，厶= 允2 a 。 时间相干性：光通过波列长度所需时间( 或相干长度通过考察点所需时间) 叫 相干时间。光的单色性好，相干长度和相干时间就长，时间相干性也就好，则可以 观察到干涉级较大的条纹。时间相干性的好坏，就是用相干长度( 波列长度) 或相 干时间( 波列延续时间) 的长短来衡量的。光波场的时间相干性和光源的单色性 紧密相关，因为波列是沿光的传播方向通过空间固定点的，所以时间相干性是光 场的纵向相干性。相干时间= a 2 c a 2 。 空间相干性：在给定的照射波长兄、光源宽度b 以及光场中某个波前导光源 平面的距离r 的情况下，从该波前上多大范围内取出的次级光波在空间是相干 的。光场的相干面积与光源对给定波前中心所张立体角成反比。光源面积越小， 距离给定波前越远，则相干面积越大，空间相干性越好。空间相干性描述光场中 光的传播路径上横向两点在同一时刻光振动的关联程度，又称为横向相干性。相 干面积矗= s = ( r x b 1 ) 2 。 2 2 2 菲涅尔阿喇果法则 菲涅尔一阿喇果法则如下： 1 两相干偏振光束偏振方向垂直时，不会干涉，没有干涉条纹，且以：= 0 。 2 两相干偏振光偏振方向平行时，会发生干涉。平行的自然光也会发生干涉。 3 两组合自然光分解成正交两个分量的偏振光时，亦不能产生稳定的干涉条纹。 1 2 第二章气体传感器干涉的基本理论 2 3 相关光的获取 藉，波振面分割法t ：姜主兰： 光l 振幅分割法丁萎萎辜薹 波振面分割法：使一束光分割为两束相干光。如图2 3 所示。不论点( 或线) 光源的位相改变如何频繁，同一波振面的这些光源的位相差始终不变，故为相干 图2 - 3 波振面分割法示意图 振幅分割法：利用物体两个表面对入射光的反射或折射，将入射光的振幅( 其实 是能量) 分解为若干部分，这些光波也互为相干光。振幅分割法如图2 4 所示。 图2 4 振幅分割法示意图 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 2 4 迈克耳逊干涉仪汹1 迈克耳逊干涉仪是1 8 8 3 年美国物理学家迈克耳逊和莫雷合作，为研究“以 太一漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。 实验结果否定了以太的存在，解决了当时关于“以太的争论，并为爱因斯 坦发现相对论提供了实验依据。 2 4 1 迈克耳逊干涉仪的结构 图2 - 5 迈克耳逊干涉仪 图2 - 5 为迈克耳逊干涉仪结构图，其中g l 为分束镜、g 2 为补偿镜，m 、m ： 为两块相同的平面反射镜。光源s 发出单色光经g 1 分成等光强的两柬光，其中 光束i 经固定平面镜m 反射，再经g l 透射后到达透镜l 处；光束2 依次经过g 2 、 鸩、g 2 和g l 反射后到达透镜l 处。 2 4 2 干涉条纹的特点 当心上鸩时，相当于mi i 鸠，则到达l 处的两反射光束1 和光束2 方向 1 4 第二章气体传感器干涉的基本理论 平行，形成等倾干涉图样，如图2 - 6 所示。当m 与鸩不垂直时，m 与彬存 在一定的夹角，到达透镜l 处的两反射光束l 和光束2 不再平行，则形成等厚干 涉图样，如图2 - 7 所示。 图2 - 6 等倾干涉图样图2 - 7 等厚干涉图样 当满足等倾干涉条件时，若鸩移动，则会在干涉图样中心不断涌出新条纹， 一个条纹对应动镜鸩的位移大小j l = 鲁；若满足等厚干涉条件时，可观察到 一组等间距直线条纹，条纹间距缸= 丢，口为两镜之间的夹角。移动动镜鸩 以增大j i l ，条纹将会向m 与彬交线方向移动。用白光产生的零级条纹找到h = o 时的m 位置。 2 4 3 光源的非单色性对干涉图样衬比度的影响 ( 1 ) 当照明光源具有两相近波长成分时，干涉总强度为 ，：五+ = i o l 【l + c 0 莩) 】+ k 【1 + c o s ( 孚) 】 ( 2 1 8 ) 厶 又取k = k = 厶，得 ，= i o 2 + c o s ( 筹- 卅c o s c 和观础+ c o s c 署+ 啪s c 三一协 厶一 所得等强度双光束干涉图样的衬比度呈现周期性交化，如图2 - 8 所示。 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 图2 - 8 照明光源具有两个相近波长成分时的 干涉图样强度分布 ( 2 ) 照明光源有一定谱线宽度时，干涉的总强度 ，= j c o 聊【1 + c 。s ( 等) 】d 名 叫+ 蹲州和刎( 2 - 2 0 ) 所得照明光源具有一定谱线宽度时的干涉图样衬比度随光程差的变化如图 2 - 9 所示。 图2 - 9 照明光源具有两个相近波长成分时 的干涉图样衬比度随光程差的变化 2 5 常见干涉仪的种类及应用3 蝴 1 利用光的干涉测量长度或长度差的基本原理，是把要测量的长度或长度差 1 6 第二章气体传感器干涉的基本理论 和一个空气膜的厚度联系起来，观察与测定这个膜的等厚条纹或等倾条纹，便可 推知要测量的量。例如：比较块规的测量、比较滚珠的直径、测定固体的线膨胀 系数、检测表面的平面度 2 瑞利干涉仪气体或液体的折射率，干涉条纹移动即可测得拧和 。之差。 图2 - 1 0 瑞利干涉仪 3 泰曼一格林干涉仪检测平滑表面的平整度及透镜或球面镜表面的球面 度，也可以用来检测平行平板状透明介质的光学均匀性。 gm 2 图2 - 1 1 泰曼一格林干涉仪 4 傅立叶变换干涉仪通过测量在不同光程差时叠加光强度，在经傅里叶变 换处理解调出待测光信号的光谱分布函数。 1 7 譬 一 。 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 图2 1 2 傅立叶变换干涉仪 5 马赫一曾德干涉仪研究气体中的不稳定流动现象，也可以测量透明介质 薄板的厚度或折射率横向变化，或测量反射表面的不平整度。此外，马赫一曾德 干涉仪也是制作全息光栅和记录离轴全息图的基本光路。 图2 - 1 3 马赫一曾德干涉仪 p 6 塞纳克干涉仪可用作角度或角速度传感器，是现代导航用激光陀螺的 基础。 1 8 第二章气体传感器干涉的基本理论 图2 - 1 4 塞纳克干涉仪 7 法布里一帕罗干涉仪的结构： l lg ig ， h 图2 - 1 5 法布里一帕罗干涉仪 应用：光谱分析、扫描干涉仪、光学谐振腔 2 6 本章小结 本章介绍了干涉的理论，并对干涉条纹形成的条件，以及影响干涉效果的因 素等进行了介绍。重点介绍了迈克耳逊干涉仪的结构、工作原理，条纹的特点以 及光源对条纹的影响。并介绍了现在常用的一些在迈克耳逊干涉仪的基础上改造 的干涉仪和它们的应用范围，为本试验后面提出的光路奠定了理论基础和依据。 1 9 瓦斯气体浓度光电检测系统的研究 第三章虚拟仪器下的开发平台l a b v le w 3 1 虚拟仪器的概念 随着产品结构的日趋复杂，产品性能的不断提高，以及市场对成本、时效性 限制的日