便携式光学瓦斯检测装置的设计

摘 要：我国的煤炭业绝大多数采用井下开采，煤矿重大灾害事故之一就是瓦斯爆炸，为确保矿井生产的安全，国内已研制开发出多种类的瓦斯检测仪，但传统的检测仪器普遍存在着体积较大、安装复杂的缺点。因此本文采用嵌入式技术进行信号采集与处理，并采用通过检测光干涉条纹的移动数目从而达到瓦斯检测的目的。

关键字：便携式；瓦斯；光学；嵌入式

1.光干涉检测原理

光干涉检测原理是经过适当的光路设计把甲烷浓度的变化转换为光的干涉条纹的位置变化，通过测量位移量来确定甲烷浓度值。

两束满足相干条件的光成为相干光。相干条件是这两束光在相遇区域：①振动方向相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定，南无在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。干涉现象引起了光强在空间的重新分布，使得有些地方加强表现为亮条纹，有些地方减弱表现为暗条纹，明暗相间形成了由于光强分布不同而造成的干涉条纹。

两同频、同振动方向的光源发出的光，经过不同的媒质，在相遇处任一时刻的振动相位差唯一的取决于两者的差值，差值中的每一项都是光在媒质中所经历的实际路程折算为光在真空中的路程。发生干涉现象时，当两列光的光程差等于整数倍的波长时，产生两条纹；当两列光的光程差等于非整数倍的波长时，产生暗条纹。因为白色光是各色光的混合，如白光通过干涉检测装置，白光中各色光的光程差相同。犹豫各色光的频率不同，所以光在传播过程中的频率也不同，各色光明暗位置就不同，出现彩色的干涉条纹。光干涉甲烷监测装置就是根据这一原理设计的。

便携式光学甲烷监测装置采用光干涉原理来测定瓦斯浓度，具有接待方便，操作简单，安全可靠，精度高，测量范围大，使用寿命长等优点，但其结构复杂，维修不便，早起光干涉甲烷检测装置存在读数不直观等缺点。随着现代电子技术的发展，将现代检测技术与光干涉式瓦斯传感方法相结合，实现自动检测瓦斯浓度值、自动存储和自动处理检测结果并通过数码显示输出，同时增加声光报警等多种功能，使光干涉瓦斯检测装置在煤矿重新得到广泛使用。其测量范围和精度有2种：测量瓦斯浓度0～10.0%，精度0.01%；测量瓦斯浓度0～100.0%，精度0.1%。

2. 光学瓦斯检测装置的组成

便携式光学瓦斯检测装置根据光干涉原理制成，由气路系统、光路系统、电路系统和嵌入式操作系统4部分组成。整体结构如图1所示。

2.1气路系统

气路系统由进气管、二氧化碳吸收管、水分吸收管、气室（瓦斯气室和空气室）、吸气管、吸气橡皮球、毛细管等组成。二氧化碳吸收管内装有颗粒直径2～5mm的钠石灰，当测定瓦斯浓度时，用于吸收混合气体中的二氧化碳，使之不进入瓦斯室，以便能准确地测定瓦斯浓度。水分吸收管内装有氯化钠（或硅胶），吸收混合气体中的水分，使之不进入瓦斯室，以便能准确测定。气室用于分别存储新鲜空气和含有瓦斯或二氧化碳的气体，其温度和绝对压力与被测地点（或瓦斯室内）相同，又不使含瓦斯的气体进入空气室。

2.2光路系统

其基本工作过程就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，一路通过标准空气室，另一路穿过采样气室后相遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生干涉条纹。把两气室都充有标准空气时的干涉条纹作为初始参考位置，两列光波所经过的几何路程是不变的，如在一支光路中改变气体的化学成分，由此引起通过该支路光的折射率发生变化，光程及光程差也就随之变化，所看到的干涉条纹便会移动，并且这个距离将随气体浓度的不同而产生相应的变化，从目镜中可以看到干涉条纹移动的距离。由于干涉条纹的位移量与瓦斯浓度呈正比例关系，所以根据干涉条纹的移动距离就可测得瓦斯的浓度。从目镜中可以观察到干涉条纹移动后所处的瓦斯浓度刻度值，于是便可测得瓦斯浓度。

当检测瓦斯地点的气体压力和温度变化时，瓦斯室内的含瓦斯气体的压力和温度随之变化，气体折射率也要变化，会因此产生附加的干涉条纹位移。为消除环境条件变化的干扰，使测得的瓦斯浓度值不受环境温度和压力影响，仪器空气室安设了毛细管。

2.3电路系统

电路系统由电池（1节1号电池）、电源灯泡、光源盖、微读数电门和光源电门等组成，实现电路系统的电能供给和电路控制功能。

2.4嵌入式操作系统

为了视频信号处理速度和数据计算量等要求的考虑，又因为光源采用单色光，其将会产生单色条纹，也能够降低数字图像像处理的工作量，现采用ARM9嵌入式开发板能满足基本的计算量。片上系统（SOC）作为系统级别的集成电路，可以在单一的硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，为了实现这完整的功能系统将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集合组成在一块芯片上。处理器选择的是占全球嵌入式RISC处理器市场大份额的ROM处理器。操作系统则采用了成熟、稳定的网络操作系统Linux。OV511芯片是专门把数字摄像芯片转换到USB接口的芯片，内含多个接口如数字摄像芯片接口、DRAM接口、实时图像压缩引擎、USB接口、I2C接口、FIFO接口等等，因此摄像头采用使用此芯片的PC350摄像头。

3.参考文献

[1] 徐毓.国外气敏传感器发展动向[M].第二版.科学出版社，1996.

[2] 陈庆陆.便携式矿用瓦斯检测系统设计[J].山西电子技术.2011

[3] 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].国防工业出版社.1999