（电磁场与微波技术专业论文）基于线阵ccd和fpga干涉型甲烷测量仪的研究.pdf

摘要 近年来，瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高，给矿工的生产生活 带来了极大的灾难，必须加强对瓦斯的监测监控，避免瓦斯爆炸事故。因此对瓦 斯气体进行快速、实时检测对于煤矿安全生产及环境保护有特别重要的意义。便 携式甲烷检测报警仪是各国应用最早最普遍的一种甲烷浓度检测仪表，可随时检 测作业场所的甲烷浓度，也可使用甲烷传感器对甲烷浓度进行连续实时地监测。 大体上当前应用的便携式甲烷检测仪器，按检测原理分为光学甲烷检测仪、热导 型甲烷检测仪、热催化型甲烷检测报警仪、气敏半导体式甲烷检测仪等几种。 光干涉甲烷检测仪性能稳定、使用寿命长，测量准确，是我国煤矿主要的便 携式甲烷检测仪器。但现有的光干涉甲烷检测仪存在自动化程度低、测量方法繁 琐、读数不直观，人为误差较大、不能存储数据等缺点。为此本文在干涉型甲烷 检测仪实现的原理上提出利用线阵型电荷耦合器件( c c d ) 对干涉条纹进行非接 触式的自动测量，获得条纹信息，通过c c d 驱动、高速模数转换、数据采集等 关键技术，实现了干涉条纹位移的精确测量，由单片机对量化后的测量信号进行 智能处理，数字化显示甲烷含量的测量结果。 光干涉甲烷检测的关键是对干涉条纹中白基线以及黑色条纹位置的检测，本 设计采用线阵c c d 成像获取条纹信息判别其位置。c c d 是一种性能独特的半导 体光电器件，近年来在摄像、工业检测等科技领域里得到了广泛的应用。将c c d 技术应用于位置测量可以实现高精度和非接触测量的要求；运用f p g a 实现c c d 芯片的驱动具有速度快、稳定高等优点：模数转换之后的数据没有采用专用存储 芯片进行存储，而采用f p g a 硬件开发平台和v e r i l o gh d l 硬件描述语言编写代码 实现数据采集模块系统，同时提高数据采集精准度，既降低成本又提高了存储效 率。 本文设计的新系统使用方便、精度高、数据可储存，克服了传统光干涉甲烷 检测仪的缺点，技术指标和功能都得到较大改善。 关键词：光干涉，甲烷检测，数据采集，电荷耦合器件，可编程门阵列 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep e r c e n t a g eo fg a sa c c i d e n t si nt h et o t a ln u m b e ro fa c c i d e n t s w h i c hh a v eh a p p e n e di si n c r e a s i n g t h e yh a v ei n v o k e dt h ed i s a s t e rf o rm i n e r sl i v e s i t s h o u l db es t r e n 垂h e nt h ec o n t r o lo fg a st op r e v e n tt h ed a n g e ro fh i g h - d e n s i t yg a sa n d g a se x p l o s i o na h e a d s ot h ef a s ta n dr e a l t i m em o n i t o r i n go fg a si s o fp a r t i c u l a r l y s i g n i f i c a n c e f o rs a f e t yp r o d u c t i o no fm i n ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n p o r t a b l e m e t h a n ed e t e c t i o na l a r mi st h em o s tc o m m o nf i r s tc o u n t r i e so fac o n c e n t r a t i o no f m e t h a n ed e t e c t i o ni n s t r u m e n t s ，y o um a ya ta n yt i m et e s t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f m e t h a n ew o r k p l a c e ，y o ua l s oc a nu s et h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o n so fm e t h a n es e n s o r f o rc o n t i n u o u sr e a l t i m em o n i t o r i n g a p p l i c a t i o no ft h ec u r r e n tl a r g ep o r t a b l em e t h a n e d e t e c t i o na p p a r a t u s ，t h ep r i n c i p l eo fd e t e c t i o no fm e t h a n ei n t oo p t i c a ld e t e c t o r ，t h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fm e t h a n ed e t e c t o r ，t h e r m a l - c a t a l y t i cm e t h a n ed e t e c t i o na l a r m ， m e t h a n e - g a s s e n s i n gs e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r ，a n ds oo n o r d i n a r yo p t i ci n t e r f e r o m e t e rm e t h a n em o n i t o r i n gd e v i c eh a sg o o dp e r f o r m a n c e ， l o n gl i f es p a na n dh i g ha c c u r a c y ，s oi t i st h em o s tp o p u l a ra n dc o n v e n i e n tm e t h a n e m o n i t o r i n gd e v i c ei no u rc o u n t r y sm i n e b u t i ts t i l lh a sl o wa u t o m a t i o nl e v e l ，f u s s y m e a s u r i n gm e t h o d s ，b i ga r t i f i c i a le r r o r ，i n d i r e c tr e a d i n ga n dc a n n o ts t o r et h ed a t e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ， a na u t o m a t i cm e a s u r i n gm e t h o db a s e do nl i n e a r c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) a n dt h e i n t e r f e r e n c eo fm e t h a n ed e t e c t o ro nt h e r e a li z a t i o no ft h ep r i n c i p l ew a sp r e s e n t e d t h ed i s p l a c e m e n to fi n t e r f e r e n c ef r i n g e s w a sm e a s u r e da c c u r a t e l yb yu s i n gc c d d r i v e ，h i g h - s p e e da n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o n ， d a t aa c q u i s i t i o n ，a n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e s t h ec o n c e n t r a t i o no fm e t h a n ew a s d i s p l a y e db yp r o c e s s i n gs i g n a l sf r o ml i n e a rc c d w i t has i n g l ec h i pc o m p u t e r d e t e c t i n gt h ep o s i t i o n o ft h ew h i t eb a s e1 i n ea n db l a c kb a s el i n ei nt h e i n t e r f e r o m e t e rs t r i p ei st h ek e y w eu s eli n e a rc c di m a g i n gt oo b t a i nt h ep o s i t i o no f s t r i p e c c di sap a r t i c u l a rp h o t o e l e c t r i c i t ys e m i c o n d u c t o r ，w h i c hi sa b r o a du s e di n c a m e r a ，i n d u s t r yd e t e c t i o na n do t h e ra r e a s t h et e c h n o l o g yo fc c d c a nr e a l i z eh i g h p r e c i s ea n dn o n c o n t a c td e t e c t i o nr e q u i r e m e n t ，e s p e c i a l l yi nt h e a c c u r a t ep o s i t i o n d e t e c t i o n t h es y s t e mu s e sf p g aa sr a ma d d r e s sg e n e r a t o ra n dc c dc h i p sd r i v e r u s eo ff p g am a k e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec c dc h i p sd r i v i n gf a s t e r , a n dm o r e s t a b i l i t y t h ed a t aa f t e ra n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o ni sn o tu s e dm e m o r yc h i p s f o rs t o r a g e a n dt h e u s e o ff p g ah a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dv e r i l o gh d l h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g et ow r i t ec o d em o d u l e sf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s 。a tt h es a m e t i m et h e yi n c r e a s et h ep r e c i s i o no fi m p r o v i n gd a t ac o l l e c t i o nf u n c t i o n ，b o t h r e d u c i n 2 c o s ta n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y t h es y s t e mh a se x c e l l e n c eo f u s i n gc o n v e n i e n c e ，h i g hp r e c i s i o n ，a n dc a ns t o r et h e d a t a v i as o l v et h ed i s a d v a n t a g e so f o r d i n a r yo p t i ci n t e r f e r o m e t e rm e t h a n em o n i t o r i n 2 d e v i c e ，t h en e ws y s t e mw e d e s i g ni m p r o v e st h et e c h n i c a li n d e xa n df u n c t i o ng r e a t l v k e y w o r d s ：o p t i c a li n t e r f e r e n c e ，m e t h a n ed e t e c t i 。n ，d a 切a c q u i s i t i o n ，c c d ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：泵馋原 签字日期：沙留 年月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：裂维豫 导师签名： 签字r 期：伽孑年月牛f i 曼 少_ 签字f 1 期：砌年6 月岁同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及国内外研究的发展现状 我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能 源。近年来，重大、特大瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高。避免 瓦斯爆炸事故的一个重要措施就是要做好瓦斯的检测工作，提前掌握煤矿瓦斯的 变化情况，一旦出现异常，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。瓦斯是煤 矿开采的伴生物，矿井瓦斯是对煤矿井下各种有害气体的总称，其主要成分是甲 烷，二氧化碳，一氧化碳等。在这些有毒有害气体中，甲烷的含量占了8 0 以上， 所以人们习惯上将甲烷称为瓦斯。 瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，与空气混合在一起后，既看不到，摸 不着，也闻不出来。瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低， 而使人窒息，当空气中的瓦斯含量达到4 0 以上时，能使人立刻死亡1 2 j 。新鲜空 气中，瓦斯浓度达到5 胁1 6 时，就达到爆炸浓度，也称爆炸极限。当瓦斯浓度 在5 以下时，遇到火源能燃烧，不能爆炸，当瓦斯浓度大于1 6 时，在混合气 体中遇到火源不能燃烧，也不会爆炸，如有新鲜空气供给，在混合气与新鲜空气 的接触面上，遇火就会燃烧，其浓度在5 - - - 1 6 时，遇火源就会爆炸，在9 5 时，爆炸能力最强f 3 】。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡在所有重大 事故伤亡人数的5 0 以上，我国煤矿安全生产状况与世界主要差产煤国相比，差 距较大，重大事故多，由于煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，因此对煤矿瓦斯的检测 可以转化为对甲烷的检测，目前国内外对甲烷检测的研究非常重视，实时检测甲 烷气体浓度对于保障生产安全的意义重大。 甲烷检测主要是检测甲烷在空气中的体积浓度，以防止甲烷爆炸事故的发生 【4 1 。2 0 世纪8 0 年代，我国在研制甲烷检测仪表的工作中取得了很大进展，研究 制造了热效式和热导式甲烷检定器及甲烷报警器。随着开采强度的加大，采掘综 合机械化程度的提高，甲烷局部积聚增多，为适应煤矿安全生产的需要，不少单 位( 西山煤矿、中梁山煤矿、抚顺、重庆安全仪器厂等) 研制了甲烷遥测仪，这 为我国采煤机械化、自动化的发展，提供了有利条件。 便携式甲烷检测报警仪是各国应用最早最普遍的一种甲烷浓度检测仪表，可 随时检测作业场所的甲烷浓度。当前应用的便携式甲烷检测仪器，按检测原理分 第一章绪论 为热导型甲烷检测仪、热催化型甲烷检测报警仪、气敏半导体式甲烷检测仪、光 学甲烷检测仪等几种【5 j 。 ( 1 ) 热导原理的检测仪器是利用所测气体与空气的热导率之差来实现对气 体浓度检测的。热导式气体检测仪将待测气体送入气室，气室中有热敏元件，如 铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，热量 更容易从热敏元件上散发，使其阻值减小，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化可 得到被测气体浓度值。这种检测原理的优点是热敏元件工作温度低( 低于2 0 0 ) ， 工作电压也不高，所以极易制成矿用本质安全型，而且热敏元件为半永久性元件， 使用寿命长。其缺点是检测低浓度甲烷时输出信号小，且易受水蒸气( 湿度) 和 二氧化碳等气体的影响。 ( 2 ) 热催化原理的检测仪是利用催化物能使低浓度甲烷在低温度下持续燃 烧( 氧化) ，因不同浓度的甲烷在燃烧时产生的热量不同，用温度变化来测量甲 烷浓度的一种检测仪，又称为催化氧化式或接触燃烧式。最初测量甲烷的传感元 件是用纯铂丝线圈制作，纯铂丝线圈既是加热器，又作为电阻温度计来完成热量 到电量转换，由于甲烷在铂丝线圈燃烧时产生的温度高达9 0 0 ，铂丝因表面蒸 发直径变细，因而使阻值增加导致传感器零点严重漂移。所以目前使用较普遍的 是载体催化元件，载体的作用是提供较大的接触反应表面，这种载体元件能在较 低温度下使甲烷催化燃烧，铂丝线圈仅作为加热器和电阻温度计，不再直接暴露 在甲烷氧化区，大大降低了蒸发损失。这种检测原理的缺点是抗中毒性较差，从 而导致其使用寿命短，测量高浓度甲烷时会给出致命的错误信息，甚至威胁安检 人员的生命安全。其优点是输出信号大，线性好，信号处理和显示都比较方便， 从而使电路和仪器的结构简化7 1 。热催化型甲烷检测仪是专门用来测量甲烷的， 一般的常规气体对其不起作用，此类甲烷检测仪能满足井下一般甲烷测定的要 求，但在使用中要注意以下几点： a ) 空气中含有硫化氢时，会使热效式反应元件铂丝“中毒”失效。因此， 在含有硫化氢的空气中使用时，应附加一个内装颗粒状活性炭的吸收管，以消除 硫化氢的影响。 b ) 空气中含有二氧化碳时，由于二氧化碳的导热率仅为甲烷的二分之一， 为消除其影响，应附加一个二氧化碳吸收管。 c ) 空气中一氧化碳浓度较高时，热效式的读数比实际甲烷浓度偏高，热 导式的则偏低，为消除其影响，可附加一个一氧化碳吸收管。 d ) 空气中氧浓度很低时，仪器都将产生较大误差，此时，这类仪器不适 用。 ( 3 ) 气敏半导体式甲烷检测仪是利用气敏半导体在加热到稳定状态的情况 第一章绪论 下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散。其间一部分分子蒸发， 一部分分子就固定在吸附处。此时如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和 力，则吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附；如果材料功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。氧化型气体吸附 到n 型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸 附到n 型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。根据这一特性，就可 以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。 ( 4 ) 光学甲烷检测仪是我国煤矿井下普遍使用的一种测定甲烷浓度的便携 式仪器。光学甲烷检测仪是利用不同气体折射率不同的原理而制成的光学检定仪 器。它由光源、平面镜、空气室、气样室、折射棱镜，反射镜和望远镜组成。如 果以空气室和甲烷室都充入同密度的新鲜空气时产生的条纹为基准( 对零) ，当 其它气体( 如甲烷) 进入气样室时，因其折射率与空气不同，使光路光程发生变 化，干涉条纹发生偏移，此偏移量即可用来表示甲烷浓度。甲烷浓度越高偏移越 多。当甲烷室充入含有甲烷的空气时( 抽气测定) ，由于空气室中的新鲜空气和 甲烷室中的含甲烷气体的密度不同，引起折射率的变化，光程也就随之发生变化， 于是干涉条纹产生位移( 移动) ，从目镜可以看到干涉条纹移动的距离1 8 j 。由于 干涉条纹的位移量与甲烷浓度成正比例关系，所以根据干涉条纹的位移量就可以 测得甲烷的浓度，从目镜可以观察到干涉条纹移动后所处的甲烷浓度刻度值，于 是便可测得甲烷浓度。国内早期产品以a q g 1 型为主。为适应我国煤矿安全生 产，加强甲烷管理的需要，抚顺、重庆煤矿安全仪器厂联合研制成功a q g 2 型 甲烷检定器。该检定器采用了新型的光源结构，便于调整，增大了条纹的视见度， 舒适方便，整数和小数可以同时读出，性能良好，达到世界先进水平。 在这几种检测仪中，热催化型甲烷检测仪和光干涉甲烷检测仪是在矿山井下 应用较普遍的便携式甲烷检测仪，下面我们对这两种甲烷检测仪进行比较。常用 的光干涉和热催化型甲烷检测仪的测量范围分别为o 1 0 ，0 - - , 4 ，其允许误 差范围分别见表1 1 和表1 2 ，两个表中的甲烷浓度值单位为摩尔比。 表1 1 光干涉甲烷检测仪测量误差范围 项目量程 分段( )0 1 1 4 4 7 7 1 0 基本误差( )0 0 50 10 20 3 第一章绪论 表1 2 热催化型甲烷检测仪测量误差范围 项目量程 分段( )0 11 22 4 基本误差( )0 1 o 2o 3 通过实现原理及部分参数比较，观察到光干涉甲烷检测仪的测量范围宽，允 许误差范围小，催化燃烧式、热导式等甲烷检测仪采用电化学传感器测量原理， 存在调校周期短、易中毒、使用寿命短等无法克服的缺点；而光干涉甲烷检测仪 由于其性能稳定、使用寿命长、测量准确，成为我国煤矿应用最普遍的便携式甲 烷检测仪器。 1 2 传统光干涉甲烷测量仪 现有的光干涉型甲烷检测仪大多都是目测型光干涉甲烷检测仪，虽然它有性 能稳定、使用寿命长等优点，但由于采用人工读数的方法，故存在自动化程度低、 测量方法繁琐、读数不直观、人为误差较大、不能存储数据等自身弱点： 1 传统目测型光干涉甲烷检测仪检测时，由目镜中读出黑基线位移后靠近的 某整数刻度，再转动微调螺旋，使黑基线退到该整数刻度，从微读数盘上读出小 数位。理论精度达到o 0 1 ，但是由于关键步骤“使黑基线退到该整数刻度”为 目测，所以实际测量精度远远低于0 0 1 。 2 测量方法烦琐。目测型光干涉甲烷检测仪是根据甲烷折射率，并在温度 2 0 和标准大气压条件下标定的刻度值的，当温度、气压变化较大时，要做相应 的校正。此外，检查前，必须在和待测地点温度相近的进风巷中，捏放吸气球清 洗甲烷室。然后校零，防止由于温差过大引起测量时出现零点漂移现象。 3 人工读取数据，给组成井下自动测量系统造成了不方便自动一体化较差。 4 对各个地点和时间的数据采用纸和笔进行记录，非常不便。 为了克服传统光干涉式甲烷检测器的不足，更好地满足矿山井下安全生产， 本课题从图像分析和信息处理的角度出发，提出了采用线阵c c d 作为光电转换 元件的非接触式测量方式，应用高速a d 芯片转换相元信息，并在理论研究的 基础上，设计了光干涉甲烷检测仪。 4 第一章绪论 1 3 本论文主要工作和章节安排 本文要设计的检测仪具有以下相应功能： 1 按键校准 在调整干涉条纹的过程中，其准确度可用经验法确定，即当第一条黑条纹对 准零线时，第五条条纹对准7 点。目测式光干涉甲烷检测仪使用前需要调节校零 旋钮，调整干涉条纹宽窄便于观测，本系统的读数是由比例关系得来的，根据仪 器的原理，校零时只需要按动校零按纽，得到基准的零级黑条纹和一级黑条纹的 位置即可，不再需要通过转动粗调和微调旋钮将条纹对准刻度。这样改进了目测 式光干涉甲烷检测仪测量方法繁琐不足。 2 自动修正温度气压影响 折射率与气温、气压有关，所以当环境温度和气压变化时，将会影响测量结 果。为了降低仪器的成本，采用人工键人环境温度、气压值，由微机根据计算公 式修正测量值后显示。修正公式为 k ：! ! 丝! 坚( 1 1 ) 2 9 3 x p t 和p 分别为测定地点的绝对温度和大气压( p a ) 。 3 报警功能 目测式光干涉甲烷检测仪没有报警功能，测量时为了使得检测结果明朗，当 甲烷浓度达到设定值时，报警电路输出信号驱动高亮发光二级管闪光和高响度蜂 鸣器报警最大限度地做到信号明确和醒目。 4 数据自动储存 每次测量完数据后，自动将数据记录在存储器中，便于信息汇总，测试分析， 从整体的空间和时间上把握矿山井下的甲烷浓度变化，保证安全生产，防止甲烷 事故的发生，弥补了目测式光干涉甲烷检测仪的不足。 本文主要的工作：提出采用c c d 非接触式探测方式改进传统光干涉检测仪 方案、设计线阵c c d 芯片1 t p d 3 5 7 5 d 驱动电路与仿真、数据采集模块设计与仿 真验证、以及相关电路的软硬件设计。 本论文的章节安排： 第一章绪论主要介绍了甲烷检测仪的发展概况及现状、光干涉甲烷检测仪的 优缺点分析以及本系统的指标和功能。 第二章分析了光干涉甲烷检测仪的原理，性能分析以及系统架构。 第三章介绍了基于c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪的硬件设计等相关功 能模块。 第一章绪论 第四章详细介绍数据采集模块设计思想与工作过程及验证实现。 第五章介绍了光干涉甲烷检测仪软件部分的设计实现。 第六章对本论文的研究工作做了总结，并对系统今后的改进方向和应用前景 作了展望。 6 第二章光干涉型甲烷检测仪设计原理 第二章光干涉型甲烷检测仪设计原理 2 1 光干涉甲烷检测仪应用的光学原理 n o b 图2 1 薄膜干涉图 - - n 光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面分别反射形成两列相干光波， 叠加后产生干涉称为薄膜干涉【9 1 。如图2 1 所示，在折射率为的介质之中有一 个折射率为t ，厚度为d 的薄层，光在薄膜前表面上的反射光为光束( 1 ) ，而在 后表面上的反射光为光束( 2 ) 。当d 远小于入射光的相干长度时，( 1 ) 与( 2 ) 两束光是相干的。为了计算这两束光的光程差，做辅助线c d 垂直于出射光束， 光束( 1 ) 与( 2 ) 的光程差为 = n ( a b + b c l 一n o a d ( 2 1 ) 因为 a b = b c = d f c o s i a d = a c s i n i = 2 d s i n s i n i c o s i ( 2 2 ) ( 2 3 ) 令所以 a = 2 n d c o s ( 2 4 ) 显然，干涉条纹的亮暗由光程差决定，光程差与无关，只取决于r 、d 和 i 。为了具体讨论薄膜干涉条纹的特点，我们分别讨论以下两种情况：等倾干涉 和等厚干涉。 如果光源是扩展光源，每一点都可以发出一束近似平行的光线，以不同的入 射角入射薄膜，在反射方向上放一个透镜，每一束平行光会在透镜焦平面上会取 聚一点。当薄膜厚度一定时，在透镜焦平面上每一个干涉条纹都与某一个入射角 对应，称这种干涉为等倾干涉。等倾干涉的条纹有以下特点： ( 1 ) 扩展的面光源可使图样总的光强增加，决定了该干涉图样比双狭缝干 涉图样明亮得多。 7 第二章光干涉型甲烷检测仪设计原理 ( 2 ) 等倾干涉条纹的形状决定于具有相同入射角的光线在垂直于观察方向 的平面上交点的轨道。 ( 3 ) 等倾干涉条纹定位于无限远( 或含聚于头奖的焦面上) 。 ( 4 ) 中间干涉条纹级次高，半径增加，级次降低。 若i 不变而疗、d 改变，就是以平行光照射光学厚度不同的薄膜产生的条纹， 显然，这些条纹是等”、d ( 等光学厚度) 的轨迹，故称为等厚干涉【l 。厚度不 同的薄膜产生的等厚干涉是比等倾干涉更为常见的干涉，肥皂泡上呈现的美丽彩 色就是等厚干涉的结果。这种干涉条纹的特点如下： ( 1 ) 如图2 2 所示，设薄膜上表面与下表面有一个夹角口，则光程差计算 比较复杂，但当口不大时，仍可以近似认为a = 2 n d c o s i 。设同一光线经两表面 的反射后，相交于p 点，可以证明 p a 尸c 旦罢堡掣 ( 2 5 ) 图2 2 等厚干涉 若d 很小而口不太小，即d 口0 ；或者i 很小，即i 0 ，则p a 0 。即当膜 很薄或入射光接近正入射时，等厚干涉的两相干光在薄膜表面附近相遇而干涉， 因而这种条纹定域在薄膜表面附近，眼睛观察薄膜时，可同时看到薄膜上有干涉 条纹。 ( 2 ) 光源位置改变时，其在薄膜上同一位置产生的光程差也相应变化( 入 射角改变) ，因而干涉条纹与光源位置有关，当光源较大时，不同位置光源产生 的干涉条纹会相互重叠而变模糊。所以应采用点光源或平行光束照明。当然，如 果接收干涉条纹的装置所采用的立体角很小，则实际接收到的只是大面积光源中 的极小一部分，干涉条纹仍可以很清晰。用人眼观察肥皂泡或水面油膜时，就属 于这种情况。 ( 3 ) 用近似平行光的光束照明时，干涉条纹的形状取决于薄膜的厚度分布。 一般为线状条纹，当厚度分布为圆形后，也可得圆条纹。严格说，只有当入射光 是平行光，才是真正的等厚干涉。 第二章光干涉型甲烷检测仪设计原理 光干涉甲烷测量系统检测原理如图2 3 所示，从光源发出的白光经聚光镜汇 聚到平面镜点m 处分为两部分。一部分光( i 号光路) 直接在平面镜表面m 点 反射，穿过下参考气室，经折光棱镜后，从上参考气室穿过，汇聚到平面镜p 处， 经平面镜折射后从o 点射出，最后汇聚于反射棱镜。另一部分光( i i 号光路) 在 m 点射入，经平面镜折射，从n 点射出，射出的光通过被测气室( 装有被测气 体) ，同样经折光棱镜，再回射入被测气室，最后在平面镜点o 处经反射汇聚到反 射棱镜，两束光在反射棱镜处产生光干涉。平面镜的作用与薄膜干涉时薄膜的作 用相当，从产生条纹来看是线性条纹，这是一个典型的等厚干涉光路。 反射棱镜聚焦物镜干涉条纹 成像咖 图2 3 光干涉甲烷检测原理 棱镜 需要指出的是，当平面镜与水平面的夹角口为4 5 。时，很容易证明两光路的 几何光程相等，此时若两气室充有相同气体，那会因为两光路没有光程差，而无 法观察到干涉条纹，这将使得仪器不能初始调零。因此，设计过程中将平面镜与 水平面的夹角口调整到5 5 。左右【。当两气室充有相同的气体时，产生的光程 差为 出：些西( 2 6 ) 4 2 n 2 一l 。 式中：口为平面镜与水平面的夹角；矽为图2 3 中m r 与水平面的夹角；d 为 平面镜的厚度值；玎为平面镜的折射率。 测量气室中充入折射率为的甲烷气体后的光程差为 出：粤+ ( _ 一1 ) ， ( 2 7 ) 4 2 n 一l 式中，为气室的长度值。 光路中附加光程( n 1 1 ) ，的出现，是干涉条纹发生移动的直接原因。当样 品气室充入含有甲烷的气体时，因折射率改变，光程也随之改变，干涉条纹会发 生位移，其移动量与甲烷浓度成正比，我们要测量这个移动的量，对其进行分析 9 第二章光干涉型烷检涮仪设计原理 及处理，便可得出空气中的甲烷浓度 2 2 光干涉甲烷检测仪测量原理 已知纯空气气体折射率n o = 1 0 0 0 2 7 2 ，纯甲烷气体折射率月1 0 0 0 4 1 1 。假 设样品气室充入浓度为x 的甲烷气体，则其折射率 r ； 。而x + 。t 1 0 0 矿- x ( 2 8 ) 而标准气室为纯空气体，所以两光路的光程差占= 2 ( 吗一) ，其中，为气室 长度。 圈2 4 干涉条纹图 甲烷检测仪显示的干涉条纹如图2 _ 4 所示，它是由白光产生的，中心是零级 白色亮纹，两边是若干条彩色条纹和两条零级黑色暗纹。我们认为零级白色亮纹 为白基线，假定样品气室束充入甲烷时，白基线对应的像素点为a 。当样品气室 含有甲烷后，干涉条纹移动，设两条零级黑色暗纹对应的像素点分别为b 和c ， 那么c b 就是一个条纹问距，我们只需要识别出偏移后的白基线对应的像素点 的位置，记为d ，可以得出干涉条纹移动的间距数 n = = 二 ( 2 - 9 ) c b 根据干涉原理，干涉条纹移动一个条纹间距，对应光程差变化量为 ，即 n 2 叫_ 。孟+ n o 。可1 0 0 矿- x n o ) f ( 2 - 1 0 ) 得出甲烷浓度的算法方程： z ：1 0 0 x 一d - a ( 2 1 1 ) 2 l ( n , 一n 0 1c b 其中a 为光源波长。 对于光干涉型的甲烷检测仪我们知道只要进入甲烷室的气体成分与空气室 的气体成分不一样，干涉条纹就会移动，干涉条纹的移动量与气体成分是有关系 第二章光干涉型甲烷检测仪设计原理 的，因此，光干涉甲烷检测仪受外界气体的影响较大。为了保证光干涉甲烷检测 仪测量的准确性，仪器外部都配有用来吸收二氧化碳和水蒸气的吸收剂。另外， 如果光干涉甲烷检测仪的检定地点与使用地点的温差比较大，或被测气体缺氧， 则其测量结果是会受到影响的。 2 3 本章小结 本章介绍了光干涉甲烷检测的原理，利用等厚干涉分析了如何优化光干涉甲 烷检测仪的性能指标，提出了解决传统光干涉甲烷检测仪不足的方法，描述了光 干涉甲烷检测仪的功能和系统结构。 第三章基于线阵c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪设计 第三章基于线阵c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪设计 3 1 非目测型光干涉甲烷检测仪设计 现有大部分光干涉甲烷检测仪是目测型的，由于人工目测对干涉条纹成像板 的分辨率较低，影响了光干涉甲烷测量仪甲烷检测的精度，为此本文提出利用线 阵型c c d 对干涉条纹进行自动测量的方法，通过c c d 驱动、高速模数转换、数 据采集等关键技术，实现了干涉条纹位移的精确测量，再由单片机对线阵型c c d 输出的测量信号进行智能处理，数字化显示甲烷含量的测量结果。 工 c预采数 鱼 涉 c处样据片 条 d理量采机 纹 化集 图3 1 系统构架图 系统构架图如图3 1 所示，首先用c c d 采集光学系统产生的干涉条纹图像， 由预处理系统进行预处理后送入单片机系统，在送入单片机之前还要有一个数据 采集模块。当c c d 的数据采用高速a d 处理后，需要将数据先缓存在存储器中， 并将其进行平均运算，使其数据更加准确，之后在送入单片机，运用软件算法对 数据进行分析和处理，按照使用者的要求存储并显示结果。光学系统的合理和稳 定运行是系统正常运行的基本保证，所以在设计时力求简单可靠。光学系统应由 照明系统和成像系统两部分组成。 甲烷检测仪采用线阵c c d 光电转换方式获取光干涉甲烷检测仪的条纹信 息，c c d 的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空 间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号，反应入射光的强度。c c d 在尺度测量方面应用广泛，尤其是对小尺寸的测量具有很强的优势，因此我们用 c c d 的像素代替了传统的刻度盘，相邻两个像素的间隔代表一定的甲烷浓度。 白基线以及零级暗纹的位置由软件识别得到，达到了高精度和非接触测量的要 求，避免了目测误差。 图3 2 为干涉条纹图，左图为各色光的叠加情况，右图为c c d 输出的条纹 第三章基于线阵c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪设计 波形。从图可以看出，白基线的亮度最高，零级暗纹的亮度最低。而从零级暗纹 和次级暗纹的比较来看，零级暗纹更细，更黑。同样，白基线也比一级亮纹要更 细更亮。因此可以利用零级条纹和次级条纹之间亮度信息和宽窄信息的区别分辨 白基线以及零级暗纹。 图3 2 干涉条纹图 根据测量原理，我们已知甲烷浓度的计算方程如式( 3 1 ) 所示 工：二l d - a 1 0 0 ( 3 1 ) 工= 一一 k j lj 2 1 ( n 1 一n o ) c b 在光源波长五和气室长度，确定后的情况下，浓度的量程以及精度、误差等 都由昙写决定。- f l 百d c 一- b a 范围和误差与c c 。的像素数、软件算法以及光学系 统有关。 不考虑软件算法及光学系统，因为本次设计所用的最前部分的光学系统是现 成的一个气体环境。只考虑c c d 的实际像素。理论上说，选用越高像素的c c d 产品，可以做到越高的精确度。假设系统量程为x ，c c d 含有y 个像素点，那 么精度可达到x y 。例如选用1 0 2 4 有效像素g p d 3 5 7 5 d ，在系统量程为1o 甲 烷浓度时，理论精度可控制在o 0 0 5 内。光学系统的两大因素，平行平面镜两 镜面的夹角口和固定干涉场位置后成像系统的放大倍数m ，它们共同决定了干 涉条纹的间距。 3 2 非目测型甲烷检测仪系统构架框图 系统硬件构架图如图3 3 所示。首先c c d 采集干涉条纹图像，将c c d 输出 信号送给模数转换芯片a d 9 2 3 5 ，转换好的数据由于是高速数据流不易实时控制， 要在先送入数据采集模块，进行缓存及运算存储之后再由单片机对数据进行分析 和处理。 第三章基于线阵c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪设计 呻伍匹卜( 卧a d 转换卜 一报警 c c d f 3 4 0叫显示 c 8 0 5 1 叫波形产生h 地址发生点 划键盘 图3 - 3 硬件构架图 系统硬件器件的选择是在分析系统需求并综合软件复杂度后得出的。硬件系 统主要由c c d 驱动部分、信号预处理部分、信号采集部分、单片机和外设接口 部分等几大部分组成。 3 3c c d 概述 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，简称c c d ，是一种集光电转换、电 荷存储、电荷转移为一体的传感器件【12 | 。它是由整齐紧密排列的若干个小的光敏 元( 通常称为像素) 组成的阵列，总约有几十万甚至上千万个。它们的作用就相 当于人的视网膜上的感光细胞，能够感受照射在它们上面的光的强弱与色彩。 c c d 器件特点说明如下： ( 1 ) 具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠性高、寿命长等一系列优 点。 ( 2 ) 具有理想的“扫描”线性，可以进行像素寻址，可以变化“扫描”速 度，歧变小、尺寸重现度好，特别适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。 ( 3 ) 有很高的空间分辨率。 ( 4 ) 数字扫描能力。像元的位置可以由数字代码确定，便于和计算机结合。 ( 5 ) 光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度。 ( 6 ) 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。 c c d 器件是组成测量系统的关键部件，其性能的优劣直接影响着系统的功 能、测量精度和使用效果3 1 。目前国内外市场上销售的线阵c c d 器件，其灵敏度、 分辨率、光谱响应和工作速度等参数均能满足一般应用要求。在实际应用中通常 是根据不同用途选择不同性能的c c d 器件。c c d 应用技术已成为集光学、电子学、 精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测 试技术领域。事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可以应用c c d 。 随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，c c d 1 4 第三章基于线阵c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪设计 图像传感器的性能也在迅速提高，将c c d 技术、计算机图像处理技术与传统测量 方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著 提高测量技术水平和智能化水平，因此，c c d 技术必将以其突出的优点而在工业 测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的 应用。 根据光敏元件排列形式的不同，c c d 固态图像传感器可分为线型和面型两 种。线型c c d 图像传感器是由一列m o s 光敏单元和一列c c d 移位寄存器构成 的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅，基本结构如图3 4 ( a ) 所 示，图3 4 ( b ) 为c c d 的双行结构图。图3 5 线阵c c d 结构示意图。 线型c c d 图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。 转移栅 光敏单元 移位寄存器 移位寄存器1 ( 口) 移位寄存器2 ( 6 ) 图3 4c c d 单行、双行结构图 图3 5 线阵c c d 结构示意图 g p d 3 5 7 5 d 是日本n e c 公司生产一种高灵敏度、低暗电流、1 0 2 4 像元的内置 采样保持电路和放大电路的线阵c c d 蛩象传感器【1 4 】。该传感器可用于传真、图象 扫描和o c r 。它内部包含一列10 2 4 像元的光敏二极管和两n 5 2 5 位c c d 电荷转移 寄存器。该器件工作在5 v 驱动( 脉冲) ，1 2 v 电源条件下。主要特性如下： 第三章基于线阵c c d 和f p g a 的光干涉甲烷检测仪设计 像敏单元数目： 像敏单元大小： 光敏区域： 时钟： 内部电路： 封装形式： 10 2 4 像元 1 4 , z a n x l 4 a m x l 4 , u r n ( 相邻像元中心距为1 4 t i n ) 采用高灵敏度和低暗电流p n 结作为光敏单元 二相( 5 v ) 采样保持电路，输出放大电路 2 0 脚d i p ( 双列直插) 封装 表3 1 管脚定义 0 1 0时钟 0 t g转移脉冲 o r o 复位时钟 o s h o采样保持时钟 1 d 测试端 0 v测试端 v o u t信号输出 r d 复位漏极电压 o d输出漏极电压 g n d地 n c未连接 g p d 3 5 7 5 d 的封装形式为2 0 脚d i p 封装，其引脚排列如图3 - 6 所示，引脚 功能如表3 1 所列。 v 1 1 0 2 4 图3 - 6 管脚分布图 1 6 洲 恤 舳 吖 囟 叮 佃 舳 吣 他 尬 g 审 审 坞 审 第三章