（电磁场与微波技术专业论文）基于arm和线阵ccd的甲烷浓度测量仪的研究.pdf

摘要 当前我国煤炭安全事件屡有发生，其中由瓦斯( 主要成分是甲烷) 爆炸引起 的占到5 0 以上。实现煤矿甲烷气体浓度准确、快捷的检测，对于避免生产安全 事故发生意义重大。 目前市场上的光干涉式甲烷测量仪精度较高，使用也较为普遍。但尚存在一 些不足：采用目测测量，操作复杂，人为误差较大【l 】；测量数据不能自动保存； 不能满足当前远程监控的发展需求。本课题在原设备基础上进行了改进，使系统 能够实现非目测测量，并且能够自动校准、存储数据以及危险情况报警。对光干 涉测量系统改进主要包括：设计研制了实像成像放大系统，能够为数据采集系统 提供合适的干涉图样；采用n e c 公司的胛d 3 5 7 5 d 线阵c c d 传感器替代人眼实 现干涉条纹信息采集；采用高速a ，d 转换器t l c 5 51o 芯片对采集到的图像信号 进行数字化处理；由l p c 2 1 3 1 完成数据的存储，干涉条纹偏移量的算法实现， 人机交互以及危险报警等任务。l p c 2 1 3 l 处理器具有功耗低、速度快、可靠性高、 外设资源丰富、成本低廉等特点，能满足井下特殊环境的需求。在电路系统开发 过程中，首先完成了p c b 电路板的设计制作，然后利用a d s l 2i d e 开发环境和 e 嬲y j t a g 仿真器实现系统的在线调试，最终完成了相应软件的开发及其调试工 作，实现了测量系统信号采集和处理的功能。 经验证，该设计方案具有较强的可行性，系统设计新颖，检测方法方便快 捷，总体成本低廉，便于大范围普及，具有良好的市场前景。 关键词：甲烷浓度测定光干涉法线阵c c da l 洲 a b s t r a c t a tp r e s e n ti nc h i n a ，c o a lm i n ea c c i d e n th a p p e n e s 疗e q u e n t l y ，w h i c hi sc a u s e db y t h eg a se x p l o s i o n s ，a c c o u n t i n gf o rm o r et h 粕5 0 i fw ew 卸tt oa v o i dt h ep r o d u c t i o n 鼢f e t ya c c i d e n t s ，a c c u r a t e 柚df a s td e t e c t i o no fm e t h 锄eg a sc o n c e n 仃a t i o na r et i l ek e y c u r r e n t i yo nt h em a r k e t ，l i g h ti n t e r | 爸r e n c em e t h 卸em e a s 嘶n gi n s t m m e n t si st h e m a i l l 蛐r e 锄i th a sh i g hp r e c i s i o n 锄di su s e dm o r ec o m m o n ，s oi ti s 觚i d e a lt e s t i n s t m m e n t b u tt h e r ea r em a n yi n a d e q u a c i e s ，s u c ha sl o wl e v e l o fa u t o m a t i o n ，i a 唱e h u m 柚e n o r 柚ds oo n i nt h i si s s u e ，w ei m p r o v e dt h es y s t e m ，锄dm a k ei ta c h i e v et h e f h n c t i o n so fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ，d a t as t o r a g e ，c a l i b r a t i o na n d d a n g e rw a m i n g t h em a i ni m p r o v e m e n t so fo p t i c a li n t e r f b r o m e t e rs y s t e m i n c l u d e s ：d e s i g n i n g 卸d d e v e l o p i n gar e a li m a g em a g n i f i c a t i o ni m a g i n gs y s t e mw h i c hi sc a p a b l eo fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m sf o rt h ep r o v i s i o no fa p p r o p r i a t ei n t e r f b r e n c ep a t t e m w eu s e s l i i l e a ra 盯a yc c dt or e p l a c et h ee y e st og e tt h ei n f o m a t i o no ft h ei n t e r l 奄r e n c ei m a g e s t l c 5 510c h i pp r o c e s s e st h ed a t aw h i c ht h ec c d g e t ，t h e n 仃a s f e r st h e mt on l ed a t a p r o c e s s e rl p c 2 l31 t 1 1 ep r o c e s s e rf i n i s h e st h em i s s i o no fp r o c e s s i n gt h ei i i l a g ed a t a d i s p l a yd a t aa n dw a n l i n gd 锄g e r s l p c 2l3 lp r o c e s s o rw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， h i g hs p e e d ，h i g hr e l i a b i l i 吼p e r i p h e m l r i c h ，l o wc o s t ，c a nm e e t st i l en e e d so ft h e s p e c i a lc i r c u m s t 锄c e su n d e 唱r o u n d 1 1 1s o m v a r e p r o g r a m m i n g ，t h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fa d s1 2 粕de 邪y j t a ge m u l a t o r 梳i l i t a t eu sa1 0 t n e yh e l pu s r e a l 泣et h eo n - l i n ep r o g r a m m i n ga n do n l i n ed e b u g g i n g ih a v em a d ed e t a i l e dd e s i g n ， f i n i s h e dp c bc i r c u i tb o a r d 锄dp r o g r a 】m m i n g 锄dd e b u g g i i l g m e a s u r e m e n ts y s t e m a c h i e v e d 廿1 em n c t i o n so fs i g n a la c q u i s i t i o n 锄dp r o c e s s i n g ，a n ds y s t e mr e a c h e dt h e e x p e c t e dr e q u i r e m e n t s i tp r 0 v e st h a tt h ed e s i 印i sf e a s i b l e ，锄di ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o 瓯 m o d e md e s i g n ，c o n v e n i e n td e t e c t i o nm e t h o d 柚ds 0o n i t sm a r k e tp r o s p c c ti sg o o d k e yw o l m s ：d e t e n n i n a t i o no fm e t h 锄e c o n c e n t r a t i o n ，o p t i c a li n t e m r o m e 竹， l i n e a r 枷c c d ，删 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和国内外相关研究的状况 1 1 1 甲烷浓度测定技术研究的重要性 目前我国能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3 位，能源消费占世界 总消费量的1 0 4 ，居世界第2 位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。 在中国的能源消费结构中，一次能源中6 9 是煤，发电8 0 以上来自于火电。 由此可见煤炭在我国民经济中所占分量很重。然而近些年来，我国煤矿安全事故 频发。煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成伤亡占煤矿所有重大事故伤亡人数5 0 以上。煤矿瓦斯气体实时监测十分重要l l j 。 1 1 2 甲烷浓度测定技术研究现状 煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，是一种无色、无味、无臭的气体，井下人员无 法靠自身查觉它，只能借助相关设备。国内外对甲烷气体浓度检测的研究都非常 重视，已经开发出了多种甲烷浓度检测设备。其中便携式甲烷测量仪携带方便， 操作简单，是应用最广泛的一种甲烷浓度检测仪表。根据检测原理不同，便携式 甲烷检测仪可分为热催化式、光干涉式、热导式、气敏半导体式和红外型等多种 【2 】 o 1 ) 热催化型 热催化型检测原理为：甲烷和氧气在载体催化元件表面发生化学反应产生热 量，元件温度增量引起元件电阻值增加，通过测量电阻变化引起电压的变化就可 以测定甲烷浓度。热催化方法测量方法有效、可靠，且其信号输出易于处理、灵 敏度高、响应时间短、受湿度和温度影响小，该设备现被工矿企业广泛使用。 催化型瓦斯检测装置的缺点：存在催化剂易硫化物中毒、零点漂移、灵敏度 漂移以及测量范围小等弊端，这些不足大大限制了其使用的范围【3 】。 2 1 光干涉型 利用光干涉检测原理，可以测定多种气体浓度。待测气体中瓦斯浓度不同， 干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的位置就可以测定瓦斯的浓度。光干涉型 仪器不存在高浓度瓦斯冲击或“激活”影响中毒问题，使用寿命长。其缺点为：测 量受氧气和二氧化碳含量的影响，选择性较差；受温度与气压影响而产生误差等； 第一章绪论 并且无法实现远程监控，不适应潮流发剧卅。 3 ) 热导型 热导型的检测原理是：甲烷与空气的热导率差异与混合气体热导率与浓度变 为相应电信号，就可以确定甲烷浓度。但是用热导方法得到的电信号微弱，不便 于信号采集，仪器存在零点漂移的问题。同时它对低浓度瓦斯测量误差大，测量 结果易受水蒸气和氧气浓度的影响【6 | 。 4 ) 气敏半导体型 气敏半导体型利用某些金属氧化物吸附某些气体后电阻率将发生大幅度变 化原理，根据电阻的变化带来的电压变化幅度来确定气体浓度。它具有功耗低、 灵敏度高、使用寿命长和测量设备简单等优点。 其是缺点：易受测量环境中水蒸气影响，选择性差；精确测量的测量范围窄， 由于受测量环境和测量范围的限制，现在工矿企业已较少使用。 5 ) 红外型 红外型是根据气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关实现气体浓度 测量的。它灵敏度高、选择性好，可以远距离测量，使用十分方便。但是相关检 测装置结构复杂、价格昂贵，相关电路设计使用环境挑剔，且设备笨重不适合随 身携带【1 1 。 1 2 相关知识介绍 1 2 1 图像传感器 图像传感器可以将光学图像转换成一维时序信号。它包括像增强管与变相 管，电子束摄像管等真空管图像传感器，c m o s ，c c d ( c h a 曜ec o u p l e dd e v i c e ) 等半导体集成图像传感器以及扫描型图像传感器等等。其中c c d 在工程尺寸测 量方面有自己的独到之处。十分适合本课题干涉条纹尺寸测量的需要。所以本文 重点介绍c c d 图像传感器。 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【l l 】。c c d 上 感光组件表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列的光敏元( 通常称为像 素) 。当其表面受到光线照射时，会产生电荷。c c d 上的所有感光组件所产生 的电信号中就包含着整幅图像的信息1 5 】。c c d 器件具有以下特点： 1 ) 具有低功耗、高可靠性、长寿命等优点。 2 ) 理想的“扫描”线性，可进行像素寻址，可以变化“扫描”速度，歧变小、尺 寸重现度好。 2 第一章绪论 3 ) 有较高的空间分辨率。 4 ) 光敏元间距的几何尺寸较为精确，可以进行高精度的定位和测量。 5 ) 具有较高的光电灵敏度和大的动态范围【6 】。 根据光敏元件排列形式的不同，c c d 图像传感器可分为两种：线型c c d 和面型c c d 。线型c c d 的像素线型排列，内部由一列m o s 光敏单元，一个转 移控制栅和一列c c d 移位寄存器构成的。它可以直接接收一维光信息。线阵c c d 又可以根据按读出方式不同分为单沟道和双沟道两种。其基本结构图分别如图 3 - 4 ( a ) 和图1 1 所示，图( a ) 为单沟道类型；图( b ) 为双沟道类型。 光敏单元 移位寄存暑 移位寄存器1 ( 口) 移位寄存嚣2 ( 6 ) 图1 1 单沟道和双沟道基本结构 线阵c c d 上主要用于物体位置、大小尺寸的非接触精确测量中。面型c c d 即按一定的方式将一维线阵c c d 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列。面 阵c c d 常用于多维系统中的图像记录、信息存储等方面。 1 2 2a r m 现在较新型的a i m i 能够支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。 a r m 指令长度为3 2 b i t ，t l l u m b 为1 6 b i t 。从功能上来说，t h u m b 指令集是a r m 指令集的子集。由于指令较短，与等价的a l 蝴代码相比，1 1 1 u m b 代码大约可节 省3 0 q 0 的存储空间，性能上的损失却很微小【2 。 目前基于a r m 核处理器主要有以下几类： 1 ) 删7 t h u m b 家族； a r m 9 t h u m b 家族； 3 ) a r m 9 e 家族； 4 ) s e c u 圮o r e 家族； 第一章绪论 5 ) m p c o r cm u l i p r o c e s s o r s 家族； 6 ) s t r o n g a r m l x s c a l e 【1 4 】 1 )目前主流的a r m 7 和a e m 9 系列基本构造和基本原理是一致，但在性能 上却存在较大的差异。a r m 7 系列主要包括：a r m 7 2 0 t 、a r m 7 t d m i 和 a r m 7 t d m i s 等，其中我们最常用的是a l t m 7 t d m i 。 1 2 3a d 转换 在现代通信、控制以及检测等领域，我们所接触的系统对象往往都是一些模 拟量( 例如压力、温度和尺寸等等) ，要采用现代计算机技术来处理这些信息， 就必须先将这些模拟信息转换成计算机可以识别的数字信号。这样我们就需要一 种能实现模拟信号向数字信号转换的电路。这样模数转换电路就应运而生了。 模数转换器，简称d 转换器或a d c ( a n a l o gt 0d i g i t a lc o n v e r t e r ) ，即将 模拟信号转换成数字信号的电路。为了确保系统处理结果的精度，a d 转换器必 须要具有一定的转换精度；如果系统具有快速性或者实时性要求的话，a ，d 转换 器还要有具备较高的转换速度。转换精度和转换速度是衡量a d 转换器性能的 两项最重要的技术指标1 2 。 a d 转换器根据转换的工作原理和采用的工艺技术的不同可以分为很多类 型。按转换的分辨率它可以分为4 b i t 、6b i t 、8b i t 、1 0b i t 、1 4b i t 、1 6b i t 等类型。 根据转换速度的大小，可分为低速，高速，次超高速和超高速等。按转换原理不 同可分为直接转换和间接转换。新一代的a d 转换器中往往集成了时钟电路、 多路开关、转换电路、基准电压源和译码器等资源，使用起来更加方便高效【9 】。 1 3 本文的主要任务 本论主要任务是综合分析国内外关于甲烷浓度测量技术的发展情况。研究光 干涉式甲烷浓度测试仪改进的空间和市场前景。理论层面上定量分析传统甲烷浓 度测试仪的测量原理。指出存在的不足之处，有针对性的对其进行改造。在原有 装置基础上，提出采用c c d 技术和a r m 技术改进详细方案，并在方案基础上， 完成硬件电路设计，软件开发，并进行调试，实现高精度，高可靠性，方便快捷 的甲烷浓度的测量。 4 第二章光干涉法测最甲烷浓度的理论分析 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 2 1 基本光学原理 2 1 1 光的反射和折射 入射光线s o 斜射到两种媒质的界面a a 上( 如图2 1 ) ，一部分光线改变传 播方向在介质1 里传播，形成了反射光线o s ；另一部分光线进入媒质2 ，在入 射点处改变传播方向，形成折射光线o s ”。光在穿过两种媒质的界面时，同时会 发生折射和反射【1 1 口 s 介质1 a 介质2 s s a 反射定律：反射光线o s 。、入射光线s o 与法线n n 在同一平面里，反射线 和入射角分居于法线的两侧。发射角口等于入射角口【3 2 】。 折射定律：折射光线o s ”、入射光线o s 与法线n n l 在同一平面里，折射线 和入射线分居在法线的两侧；入射角口与折射角口“正弦之比，等于媒质折射率疗， 和力，之比【1 1 。 光的折射率：密度不同的介质具有不同的光折射率，密度越大，其折射率也 就越大。设某种介质的折射率n ，光在真空中的传播速度为c ，在该介质中的传 播速度为，其折射率可以表示为【2 4 】： c 刀= ( 2 1 ) 2 1 2 全反射和全反射棱镜 全反射：光线从光疏介质进到光密介质时，入射角大于折射角，折射线靠近 法线。入射角口增大时，折射角口”也相应增大。当入射角增大到口。时，折射角口” 为9 0 。，这时折射光线强度几乎为零。当入射角大于时，光线完全反射回光密 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 媒质中，这就是全反射现象。我们称入射角为全射角【1 】 全反射棱镜：按照折射定律： ，z ， 8 1 n = j ( 2 2 ) ”l 第一种情况：全反射棱镜的截面为一个等腰直角三角形( 如图2 2 ( a ) ) ，入 射光线s o 从反射棱镜的a b 面垂直进入棱镜。在a c 面，入射角么s o b = 4 5 。大 于光线从玻璃进入空气的临界角，发生全反射。光线o s 与b c 面垂直，经b c 面 射出，最终光线s o 折转9 0 ：全部反射出棱镜。 s s 图2 2 全反射棱镜 第二种情况如图2 2 ( b ) ：光线s o 垂直从a b 面进入棱镜，当射到达a c 面时， 入射角么s o b = 4 5 。，大于光线从玻璃进入空气时的临界角，发生全反射。反射光 线o s 就沿着垂直于b c 面的方向，经b c 面射出。过程中光线s o 传播方向折转 9 0 。，并全部反射出棱镜阱】。 2 1 3 光的干涉 光干涉的概念：几列相干光波空间相遇时，相互叠加。在某些区域光波始终 是加强，而另外一些区域则始终削弱，形成稳定的光波强弱分布的现象，这就叫 作光干涉【4 】。 光程差的概念：光所通过的路程为s ，传播介质的折射率为n ，则光程为： l = s n 。两列光波光程长短的差别，就叫作光程差。两列光波的光程差 = k 五，酝为整数) ，光强度加强，干涉图像呈亮条纹。若= l 七+ 妻i 五，g 为整数) ， z 产生干涉抵消，干涉图像呈暗条纹【1 5 】。 6 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 2 2 光干涉测定甲烷浓度的原理 平面镜。 图2 3 光干涉甲烷检定仪结构图 以上是光干涉甲烷检定仪的结构图。 2 2 1 相干光的产生方法 系统主要由线性光源a ，光栏b ，聚光镜c ，光屏b ，平面镜e ，气体室f 和 反射棱镜g 组成。线性光源a 发出白光，光线经过光栏b 射到聚光镜c 上。光经 过汇聚后通过光屏d 上的窄缝投射到平面镜e 的a 点( 平面镜c 与纸面不垂直， 向后倾斜5 5 ) 。在a 点，光线i 从平镜的下表面反射，得到光束i i ；另一部分光 线在下表面折射后又在其上表面发生反射，得到光束i 。两列平行的光线i 、i i 从平面镜上射出来。因为他们是同束光分离出来的，波长和幅度是相等，我们可 以认为它们是相干光。 光束i 穿过瓦斯气体室，射到全反射棱镜g 的h 点上；光线i i 穿过空气室， 射到折光棱镜g 的g 点上。根据全反射棱镜中的第二种情况，光线i 和i i 经该 棱镜后产生18 0 度的折转。光线l 又经过瓦斯气体室射到平面镜上并折射入平面 镜上表面，全反射和进一步折射后在d 点穿出平面镜；同样光线i i 经过另一个 空气室，射到平面镜下表面d 点。由于光学原理以及平面镜的角度关系，光线i 和i i 恰好在d 点汇合，并产生干涉【如j 。 7 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 2 2 2 干涉条纹的成像 光束i 和i i 在d 点汇合，产生干涉。汇合后的光束在全反射棱镜h 发生全 发射，传播方向改变9 0 度。物镜i 是一个焦距为口的一个凸透镜。光束经过物 镜i ，在其焦平面上会出现彩色条纹。这就是们所想得到的干涉条纹。测微玻璃 j 是一个刻有刻度的玻璃，并依据刻读标有浓度读数。测微玻璃正好处在物镜的 焦平面上，因此，光路产生的干涉条纹，会在测微玻璃上成像。目镜系统其实就 是一个望远镜，它可以帮助我们观察微小的东西。我们通过目镜来观察测微玻璃 上微小干涉条纹，以及它们所处的刻读位置，从而读出甲烷浓度值。 2 3 系统光学理论分析 2 3 1 系统光学理论推导 线性热光源发出的白光具有随机性和瞬时性，我们很难找到两个以上的真 正相干光源来产生干涉。物理上我们常采用分波阵面法和分振幅法来产生干涉 【1 1 。这里的光干涉式甲烷浓度测量仪是利用的分振幅法。 i i i i b 面( 全镀银) 图2 - 4 分振幅法产生相干光 l - 2 d 厨可而毫 ( 2 3 ) 。= 肌五沏= l ，2 ，) 干涉光强度最大； 。= ( 聊+ 匀力( 阴= l ，2 ，) 干涉光强度最弱。 因为同一束入射光被平面镜e 分成i ，i i 两束光( 如图2 4 ) ，反射棱镜j 不会产 生光程差，所以这两束光在平面镜e 的两次反射产生的光程差为： 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 “划扩磊百+ 害 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 是光束在a 点的入射角。口，是光束在d 点的入射角。所以总的光程差 为： ，一一、 2 l = 1 2 一2 l = 2 d 【刀2 一s i n 2 口l 一刀2 一s i n 2 口2j ( 2 - 6 ) 已知，平面镜e 和纸面不垂直，向后有一个较小的倾角口，所以光束的入射 角和均不等于4 5 。，两角不相等。图中光路是实际光路在水平面上的投影， 和的投影角为4 5 。为了计算和口：角，我们建立如下的坐标：m ，n 面 分别与水平面p 垂直，法线刀位于m 面内，与平面夹角为口，入射光线a b 位于 n 面内，它与p 面的夹角为伊。入射光线和法线刀夹角记为，在水平面p 上的投影为角矽4 5 。以a 点为坐标原点；m 面与p 面的交线为x 轴；过a 点， 与m 面垂直方向作y 轴( 如图所示) 【7 j o 则法线刀的方向余弦为( c o s 口 o s i n 口) ， 图2 5 干涉条纹产生原理 入射光线a b 的方向余弦为( c o s 9 c o s c o s 矽s i n 矽s i n 矿) ，二者点乘得 c o s = c o s 缈c o s c o s 口+ s i n 伊s i n 口( 计算口2 方法与相同) 。得到法线以的方 向余弦为( c o s 口 o s i n 口) ，入射光线的方向余弦为( c o s 缈c o s c o s 伊s i n 矽 一s i n 伊) ，所以c o s 口2 = c o s 矽c o s c o s 口一s i n 伊s i n 口。 因为已知：口5 5 ，所以s i n 口口 c o s 口l 所以： c o s 口l = c o s 伊c o s c o s 口+ s i n 伊s i n 口= c o s c o s 缈+ 口s i n 伊 ( 2 - 7 ) c o s 口2 = c o s 矽c o s 矽c o s 口一s i n 伊s i n 口= c o s c o s 缈一口s i n 矽 ( 2 8 ) 9 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 口。值很小，司以忽略，所以： c o s 2 口l = c o s 2 缈c o s 2 + 2 口c o s 伊c o s s i n 伊 c o s 2 口2 = c o s 2 妒c o s 2 一2 口c o s 缈c o s 矽s i n 伊 将它们带入( 2 ) 式得【6 】： 2 l = 2 d 护可；万i 万磊面碉一扩可；万吾万瓦面碉j ( 2 - 9 ) 略去相关高次项后，可化简为： ：。：名丝型粤 q 。1 0 ) 、玎2 一l + c o s 2 缈c o s 。矽 由于这里的伊角很小，矽我们看以近似看作是4 5 。，所以c o s 半，c o s 伊1 ， s i n 缈伊。所以上式又可以化简为： 2 l ：善伊 ( 2 - 1 1 )2 l = _ 7 千伊( 2 。1 1 ) 如果：。= 聊旯，( m = 0 ，l ，2 ，)则干涉条纹呈现亮纹。如果 2 。= ( m + 去) a ，( m = 0 ，l ，2 。) 则干涉条纹呈现为暗纹。如果口= o 。，则光 线i 和i i 的光程差恒为0 ，满足a 2 ，= m 旯，( m = o ，l ，2 。) ，干涉条纹是均 匀照亮，我们看不到干涉现象。当平面镜与纸面成口角时，可以得到明暗相间的 干涉条纹。当空气室中充了甲烷气体，设其折射率为以，此时整个系统的光程差 变为【6 】： 如= 黄畔g ，一l 皿 ( 2 - 1 2 ) 2 l = 产= = = = 9 + 2 i 刀，一l 比( 2 - 1 2 ) 2 刀2 一l 。 式中，l 为气体室的长度。由于甲烷气体的存在，其光程差增加了2 b ，一1 皿。 所以其干涉条纹整体发生了偏移。由于瓦斯气体的光折射率疗：与气体的浓度成正 比，所以气体浓度正比于条纹偏移量。借助这个特性我们可以测量出甲烷气体的 浓度。 给定的一台仪器，其平面镜e 的厚度d ，其后倾角口，空气折射率n 均为确 定值，所以1 警为定值。由公式可以算出干涉条纹之间的角宽度为 、2 刀2 一l 尹：掣。干涉条纹经过物镜i ( 凸透镜) ，焦距为厂。干涉图像在其焦平面 | a 研 ( 即测微玻璃) 上成放大的像。此时条纹间距为： 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 世呼警 ( 2 - 1 3 ) 当望远镜的垂轴放大倍数为时，则在望远镜里我们看到的干涉条纹间距为： f - 等 ( 2 - 1 4 ) 通过以上的理论推导，我们可以看出干涉条纹是等间距的，条纹间距大小与 平面镜的后倾角口成反比。又因为气体室内甲烷浓度，与甲烷气体室内气体折射 率刀，成正比，我们不妨设其比例系数为，则可以得n 。= 彬。所以当气体室内 充装的时空气室i 和i i 光束的光程差为【5 】： ：2 ，：菩妒+ 2 g ，一1 皿 ( 2 - 1 5 ) 即 ：，：芒伊+ 2 g ，一l 皿：菩伊+ 2 ( 一l 皿。所以体现在测微玻璃 2 刀一l2 疗一l 上的偏移量： 出“蛆警谚譬产丢肌紫 ， 4 c 耐 4 倒 8 口2 d 2 矽 2 以2 一l ( 2 - 1 6 ) 所以当测量量程为m 时，测微玻璃有效尺寸为n 时，则气体浓度读数为： p = 等丝嬲 ( 2 - 1 7 ) 由此我们可以知道光干涉设备确定时，即m 、n 、肛工l 、口、斫口缈值为确 定值，尽刀值为常数，所以我们可以知道p 由值唯一决定，我们令 c = 等黜，故p = c 一c 。有这个公式我们也可以看到，采用光干涉 法测量气体浓度存在一个方法误差e m ： e m = p 一= ( c y 一1 咖一c ( 2 - 1 8 ) 该方法误差在传统光干涉式甲烷测量仪使用中无法避免，也无法得到有效地 修正。 2 3 2 测微玻璃测量甲烷气体浓度 测量者通过望远镜装置观察测微玻璃上的条纹偏移情况以及相对应的刻读， 就可以读出甲烷气体浓度。 第二章光干涉法测量甲烷浓度的理论分析 图2 6 目测测量方法 读数应为0 4 + 0 18 = 0 5 8 。 2 3 3 环境温度和气压对测量结果影响的修正 根据已知的物理特性，当环境温度或者气压发生变化时，气体的浓度发生变 化。由上节结论可知，这会导致干涉条纹位置的变化。若仍有原来的方法测量， 则会导致测量误差。在实际应用中，如果要想得到精确地测量值，就必须对环境 气压和温度造成的影响就行修正。修正公式【2 1 j 是： p ：p 堡! ：丝业尘刿翌! ( 2 - 1 9 ) p = p = 二_ = _ l ： 二一 l z l y ) p2 9 38 口d 口p2 9 3 式中p 为实际甲烷浓度 p 为仪器实测甲烷浓度 p 为测定地点的大气压( 毫米汞柱) t 地点的温度，单位绝对温度( k ) 2 3 4 光干涉式甲烷浓度测量仪的优缺点 光干涉式甲烷浓度检定仪，依据的是光干涉原理。仪器结构相对简单，成本 较低，测量范围大，精度高，设备耐用性好，而且可以测量多种气体浓度，很适 合煤矿生产中使用。 但是，传统光干涉式甲烷浓度检定仪需要人工目测条纹偏移量来读取气体浓 度值，操作过程复杂，测量数据无法自动保存，人为误差较大，并且存在的方法 误差不便于修正。传统仪器对于气压和温度造成测量偏差的补偿办法较为原始， 补偿方法繁琐。传统仪器还有一个缺点就是无法实现危险自动报警，无法实现远 程监测。因此我们需对该仪器进行数字化改造，改进其不足之处。 1 2 第三章系统架构及图像信息采集模块 第三章系统架构及图像信息采集模块 3 1 系统架构设计 图3 1 系统架构图 在论文的第二章中，我们已经详细介绍了传统光干涉式甲烷浓度检定仪的检 测原理。以及其存在的不足之处。现在我们对其进行改造，实现其数字化，自动 化测量。为此，提出了以下改进方案。方案整体思想是采用线阵c c d 代替人眼 睛对干涉图像信息进行采集然后，a r m 处理器将采集到的信息进行分析处理， 实现干涉条纹偏移距离的尺寸测量，最后实现测量数据直观显示和自动存储，危 险情况的声像报警等。整体架构如上图所示。该设计方案包括9 个模块，分别是： 光学干涉成现像模块，图像信息采集模块，信息预处理模块，信息处理和系统控 制模块，按键控制模块，数据显示模块，温度传感器模块，气压传感器模块，上 位机通信模块。 光学干涉成像模块是在在传统光干涉式甲烷检定仪基础上改进的来的。为了 实现数字化，它需要能够给图像信息采集系统提供，尺寸合适，图像清晰的干涉 条纹的实像。在该系统中图像信息采集模块主要是采用c c d ，将干涉条纹实时 地采集下来。从常识上我们就可以知道，选用c c d 像素越高，可以做到的测量 精度就越高。假设原光学系统测量量程为m ，选用的线阵c c d 有n 个像素点， 第三章系统架构及图像信息采集模块 那么测量的精度就可达到m n 。例如本论文中选用的线阵妒d 3 5 7 5 d ，它有1 0 2 4 个有效像素，在光学系统量程为0 1 0 时，理论可达到的最大精度 1 0 1 0 2 4 0 0 2 ，已经达到实用要求。 3 2 光学系统改进 在图2 - 4 中，我们已经对传统光干涉式甲烷浓度测量仪的光学原理进行了详 细分析。我们知道干涉条纹经过物镜在测微玻璃上呈干涉条纹实像，为了目测方 便，又在之后加装了望远镜。通过望远镜我们可以看到干涉条纹放大了的虚像。 但是我们在改进系统中采用线阵c c d 来代替人的眼睛，实现非目测测量。c c d 能够感应实像，不能对虚像的感应。故我们要将望远镜系统和测微玻璃去掉在凸 透镜i 的焦平面位置加装线阵c c d 。具体结构如图3 2 ： 焦平面i 头。 反射棱镜凸透镜i c c d 图3 2 光学系统改进 在项目开发过程中，为了实验方便，我们采用凸透镜i 的是焦距f 可调的镜 3 3 图像信息采集模块设计 3 3 1 胪d 3 5 7 5 d 线阵c c d 妒d 3 5 7 5 d 是日本n e c 公司生产一款高灵敏度、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 图象传感器。它内部包含一列1 0 2 4 像元 的光敏二极管和两列5 2 5 位c c d 电荷转移寄存器。该器件工作在5 v 驱动，1 2 v 电源条件下，主要特性如下【1 刀： 第三章系统架构及图像信息采集模块 1 ) 像敏单元数目： 2 ) 像敏单元大小： 3 ) 光敏区域： 4 ) 时钟： 5 ) 内部电路： 管脚封装形式如下： 1 0 2 4 像元 1 4 朋1 4 朋x 1 4 朋 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 封装形式。 表3 1 管脚定义 1 2 l s h o o l o 0 t g r d i z l r o o v v o u t n c o d g n d i d 采样保持时钟 时钟 转移脉冲 复位漏极电压 复位时钟 测试端 信号输出 未连接 输出漏极电压 地 测试端 妒d 3 5 7 5 d 引脚排列如图3 6 ，引脚功能如表3 1 所列。 图3 3 管脚分布图 洲 慨 舳 眦 叫 郾 d型习卫卫习习刃习习砷 l臣臣巨臣臣臣巨臣而 啪 蛳 咖 帆 劬 慨 第三章系统架构及图像信息采集模块 图3 - 4 妒d 3 5 7 5 d 内部电路原理图 胪d 3 5 7 5 d 的内部结构图如图3 - 7 ，中间是一排由多个光敏二极管构成的光 敏阵列，它具有1 0 2 4 位有效单元，它的两侧为转移栅和模拟寄存器。这些光敏 单元的作用是将照射到c c d 硅片上的光转化为电荷信号。在传输门时钟t g 作用下，各个像元产生的光电信号分别转移到两侧的c c d 转移栅。然后c c d 的 m o s 电容中的电荷信号在驱动时钟的作用下从输出。上述驱动脉冲由专门的驱 动电路产生。 c c d 驱动需要相应的驱动时钟，该时钟可以通过多种方法实现。这里我们用 离式胪d 3 5 7 5 d 线阵c c d 驱动器来提供驱动时钟。 3 3 2 驱动电路设计 在本设计中我们采用的驱动器是由天津市耀华光电技术有限公司研发生产 的。它具有以下特点【17 】： 1 ) 通过电路板上的“短路端子”可以对驱动频率进行设置，共有4 个档级的驱 动频率。 2 ) 1 6 个档级的积分可调。 3 ) 模拟信号饱和输出电平可达到5 v 。 4 ) 驱动电路板上安装有可调电位器w 1 和w 2 ，w 1 可以调整输出放大器电 压放大倍数，w 2 可以调整输出放大器阈。 其封装为d i p l 0 ，具体结构如下图： 1 6 第三章系统架构及图像信息采集模块 图3 - 5 驱动板外接口 输入、输出端口具体说明： 1 ) 电源：v c c ( p m l 0 ) 、+ 1 2 v ( p 2 ) ，g n d ( p i n4 ) 。 2 ) 行同步脉冲f c ( p 矾1 ) ，它的周期即为c c d 的积分时间；常用来作为 行同步控制脉冲； 3 ) 像元同步脉冲s p ( p m3 ) ，它与c c d 的驱动脉冲同频；是该驱动器的 采样脉冲。 4 ) 视频输出信号u o ( p i n9 ) ，它是经信号放大后输出的c c d 模拟信号【1 2 】。 3 4l p c 2 1 31 删处理器 l p c 2 1 3 l 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位 删7 t i ) m i s t mc p u 的微控制器，其内部自带有8 k b 的r a m ，并且还嵌有 3 2 i ( b 的高速f l a s h 存储器。它拥有1 2 8 b i t 宽度的存储器接口和独特的加速结构。 所以能够实现在最大时钟速率下运行3 2 位代码。l p c 2 1 3 l 还可以采用1 6 b i t 的 n u m b 模式【2 1 1 。其主要特性： 1 ) 小型l q f p 6 4 封装的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微控制器。 2 ) 8 1 6 3 2 l ( b 片内静态r a m 。 3 ) 片内b 0 0 t 装载软件实现i s m a p 。 4 ) e m b e d d e d i c e i h 和嵌入式跟踪接口可实时调试和高速跟踪执行代码。 5 ) 1 个8 路1 0 位a d 转换器共包含1 6 个模拟输入。 6 ) 2 个3 2 位定时器计数器、p w m 单元和看门狗。 7 ) 实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 8 ) 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u 越盯、2 个高速1 2 c 接口、 s p i t m 和s s p 。 9 ) 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 1 0 ) 多达4 7 个5 v 的通用i o 口。 l1 ) 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。 1 2 ) 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 1 7 第三章系统架构及图像信息采集模块 1 3 ) 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 1 4 ) 可通过个别使能禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。 1 5 ) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 3 5 删处理器内部资源配置设计 3 5 1l p c 2 1 31 锁相环配置 l p c 2 1 3 l 内置锁相环电路，可以实现倍频和分频。芯片内部的p l l 接收输 入时钟的频率范围为1 0 m h z 2 5 m h z ，通过自身的一个控制振荡器( c c o 电路) 后，频率可增加到1 0 m h z 6 0 m h z 。p l l 相关的配置寄存器1 1 4 】有以下： 表3 2 锁存器配置寄存器 1 6 ) p l l 控制寄存器( p l l c o n ) ：该控制寄存器是一个8 b i t 的寄存器，它的 主要作用是p l l 使能和连接。当我们设定好倍频或者分频的系数后，只有对其 进行使能和连接后，p l l 的功能才能真正实现。b i t 0 使能控制位，默认值为0 ， 表示禁止；置一后，p l l 使能。b i t l 为连接控制位，能够使p l l 时钟连接到 l p c 2 1 3 l 上去。默认值为o ，表示l p c 2 1 3 l 直接使用输入时钟；置l 后，表示 二者连接。b i 砣b i t 7 为保留位【2 4 j 。 第三章系统架构及图像信息采集模块 1 7 ) p l l 配置寄存器( p l l c f g ) ：该寄存器主要作用是为p l l 设定倍频和分 频值的。其中b i t o b i t 4 为倍频值m ；b i t 5 b i t 6 为分频值p 。 18 ) p l l 馈送寄存器( p l l f e e d ) ：我们在对p l l c o n 或者p l l c f g 寄存器 进行设置或者修改时，必须要对p l l f e e d 进行设置，才能使其它相关寄存器的 修改值真正的生效。具体步骤如下：首先，我们先要将0 x a a 写入到p l l f e e d 中；然后，再向其中写0 】【5 5 这两个操作的顺序必须正确，而且是在连续的v p b 总线周期内完成。第二个数值还要求在执行馈送操作时必须禁止中断i l 引。 p l l 频率计算：p l l 输出频率为：c c 腩= m 幸，k ，或者涨= r ( 2 p ) c o o 的频率为：疋= c 搬事2 宰p ，或者，凶= ，k m 宰2 木p 。这里的参数 说明如下： f a 跖 晶振频率 r c c o p l l 电流控制振荡器的频率 c c l k p l l 的输出频率 mp l l c f g 寄存器中m s e l 位的倍增器值 pp l l c f g 寄存器中p s e l 位的分频器值【2 3 】 3 5 2l p c 2 1 3 1 外部中断 l p c 2 1 3 1 包含有4 个外部中断，我们可以采用外部中断将处理器从掉电模式 中唤醒，也可以通过中断进行下一步操作( 比如某些资源的触发，或者某些函数 的调用等等) 。与外部中断有关的寄存器一共有四个，分别如下表： 表3 3 外部中断寄存器 地址名称描述访闻 外豁l | l 斯轫：，占奇红器t 生禽e n 肿e l n 下i 和e l n r 2 的r l - 蹶弥 o x o l f c l 4 0x t i n t删 ! i 虻表8 。 外蹄l ，断峨孵奄打器也禽3 个f l jj 二柠捌外酃i i 断越螽将处 o x e o l f c l 4 4e x t w a ( e删 理器从挣电榄式唤联的佳能他蛇良9 。 o x e o l f c l 4 8 e x t m