光干涉检测甲烷或二氧化碳装置及精度自动补偿检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，包括一个利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统；一个将两组条纹的物理位置信息转化为电信号的图像传感器；一个用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷含量的电信号采集处理部分。本发明专利技术还包括具有零点自动跟踪，精度自动补偿能力的测定空气中甲烷、二氧化碳浓度的方法。本发明专利技术的特点是在同一光路中采用两组条纹实现了光学图像的差分化，进而整个系统以差分化方式处理数据，极大地提高了设备的抗干扰能力。本发明专利技术基于仪器精度的自动补偿原理，解决了传统光干涉甲烷检测仪因光学系统畸变引起的精度严重失衡和零点严重漂移的难题，当仪器精度严重失衡时仪器能够智能识别，可以有效地校准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空气中曱烷或二氧化碳含量检测技术，特别是一种适用于煤矿 安全监测系统中的光干涉检测曱烷或二氧化碳装置及精度自动补偿检测方 法。
技术介绍
干涉式气体传感器的基本原理是应用光的干涉现象来测气体的浓度，光 干涉系统相对于载体催化来讲，在理论上有精度高、测量范围广、稳定性好在自动化程度低、测量方法繁瑣、读数不直观、人为误差较大、不能存储数 据等自身弱点。近年来出现了使用图像传感器读数的智能光千涉曱烷检测仪， 它具有自动化程度高，测量方便，能够自动保存数据的优点，但在受到复杂 的环境应力影响时，它的精度和零点会严重漂移。
技术实现思路
本专利技术的第 一 目的是提供一种光干涉检测曱烷或二氧化碳装置，第二目 的是提供一种前述装置的精度自动补偿检测方法，通过采用改进型的光路和 优化的数据处理方法实现了光干涉曱烷检测仪零点和精度的自适应，解决了 智能光干涉曱烷检测仪在复杂环境下精度和零点严重漂移的难题。为本专利技术的第一 目的而采用的技术方案如下一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，其特征为包括一个利用同一光 源产生两组光干涉条紋的光路系统； 一个将两组条紋的物理位置信息转化为 电信号的图像传感器； 一个用于识别两组条紋物理位置，最终确定空气中曱 烷含量的电信号采集处理部分；其中1) 、所述利用同一光源产生两组光干涉条紋的光路系统包括入射光源， 在光源之前装有聚光镜、胶合透镜、光栏，以实现对入射光的准直及除去杂 光；还包括胶合棱镜、图像传感器的感光部分、直角棱镜及设置在它们之间 的气室，所述胶合棱镜由一个分光棱镜和一个反射棱镜胶合而成，来自光源 的入射光经胶合棱镜后分光为两束光，两束光经气室后经直角棱镜反射，再 经气室后由胶合棱镜输出；所述气室被分成两部分不含曱烷或二氧化碳的空 气气室及含曱烷或二氧化碳的空气釆样气室；所述胶合棱镜的光输出端设置 图像传感器的感光部分，由所述图像传感器将获得的光干涉条紋图像转换为 电信号输出；由胶合棱镜分束得到的两束相干光经过不含曱烷或二氧化碳的 空气气室干涉后在图像传感器的感光面上获得一组干涉条紋；由胶合棱镜分 束得到的另两束相干光， 一束经过不含曱烷或二氧化碳的空气气室、另一束 经过含有曱烷或二氧化碳空气的采样气室，两束光干涉后在图像传感器的感 光面获得另一组干涉条紋，由采样气室与空气气室之间的腔体隔断材料引起 的两干涉条紋之间的隔带；2) 、所述用于识别两组条紋物理位置、最终确定空气中曱烷或二氧化碳 含量的电信号采集处理部分包括模数转换电路、PC机或微处理器，及应用 軟件，模数转换电路将图像信号转变成数字脉冲信号，由PC机或微处理器处 理后转换为与两组干涉条紋对应的两个数字波形图，通过确定所述两个数字波形水平偏移量S值的大小，便可计算出被测气体的浓度值；通过分别对每 组干涉条紋中与两条极暗干涉条紋对应的两个最低电平中心点的距离L值与 标准值之间的比较，自动对浓度值计算进行精度的补偿。 为实现本专利技术第二目的而采用的技术方案如下一种采用上述光干涉检测曱烷或二氧化碳装置，具有零点自动跟踪，精 度自动补偿能力的测定空气中甲烷、二氧化碳浓度的方法，方法包括以下步 骤1 )、精度标定首先调节采样气室与空气气室内的气压到相应值模拟出空 气中曱烷或二氧化碳的浓度为D。，由PC机或微处理器自动记录其对应的数字 波形在笛卡尔坐标下相应的S。， L。值，并存储在其非易失性存储器内；2)、双气室光干涉检测由经过不含曱烷或二氧化碳的空气气室的两束 相干光Yl和Y2干涉后获得第一组干涉条紋A,由经过不含曱烷或二氧化碳的 空气气室的一束光X1和另一束经过含有曱烷或二氧化碳空气的采样室而且与 XI相干的光X2干涉获得第二组干涉条紋B,由采样室与空气气室之间的腔体 材料引起的两组干涉条紋之间的隔带；3 )、对光干涉条紋的的物理位置信息图像处理通过图像传感器将步骤2 ) 得到的两组干涉条紋转化为电信号，并数字化该电信号后得到笛卡尔坐标下 的两条数字波形A， 、 B'， 其中x轴代表像素点，y轴代表逻辑电平值；数字 波形A，的两个上升沿为rl， r2,两个下降沿为/1,/2，数字波形B，的两个 上升沿为H'，r2'，两个下降沿为/r，/2';4)对光干涉条紋的的物理位置信息的识别根据步骤3)计算出数字波形 A'或B，对应的干涉条紋中与两条极暗干涉条紋对应的两个最低电平中心点 的距离L及数字波形B，相对数字波形A，的像素点的偏移量S:<formula>formula see original document page 8</formula>5) 精度自动补偿将步骤4 )获得的L值和偏移值S与步骤1 )用曱烷或 二氧化碳的浓度为D。的空气标定精度时，得到的偏移值S。，两条极暗条紋间 的距离为L。，利用式(3)自动修正步骤的4)的S值到Si:(3)6) 对浓度值计算进行精度的补偿经过步骤5)， S值已被修正为与S。同 等环境条件下的S,,利用最近一次标定仪器精度时保存的甲烷浓度D。与A， B 两组条紋的偏移量S。，由光干涉经测曱烷浓度的经验公式(4)获得本次测量的甲烷或二氧化碳浓度DD —糾=W/2' + H'_/2_H) (4) 一 S。— S。(/2 + r2-/"l) °本专利技术结构与现有光干涉曱烷检测器结构相比，有以下特点两级透镜 的准直效果好；采用的补偿镜有较好的可调节性并有效补偿了镜片和机械的 加工误差；气室分隔，产生两组干涉条紋，方便比较，提高检测精度；结构 紧凑，^f吏仪器^(更携成为可。其他的一些特征还表现在外界振动被有效防止; 热应力集中进行控制；对温度、湿度影响产生的零点漂移和测量误差进行补 偿处理，产品生产一致性高、体积小、防护性好，提高光干涉曱烷、二氧化 碳测量的准确性和可靠性。本专利技术方法在同一光路中采用两组条紋实现了光学图像的差分化，进而 整个系统以差分化方式处理数据，极大地提高了设备的抗干扰能力。本专利技术 基于仪器精度的自动补偿原理，解决了传统光干涉曱烷检测仪因光学系统畸变引起的精度严重失衡的难题，当仪器精度严重失衡时仪器能够智能识别， 可以有效地校准。本专利技术的装置和方法除用于曱烷或二氧除化碳检测外，也可用于对其它 气体的纟企测。 附困说明附图说明图1为仪器的框图2，图3为光路系统原理图4为图像传感器耙面上的干涉条紋；图5为零点自动跟踪示意图6为精度自动修正示意图7为检测时图形传感器的波形输出图8为图7所示的图形信号的数字化图。具体实施例方式如图1所示，整个实施过程为首先光路系统产生与曱烷浓度相关的干 涉条紋，然后图像传感器将干涉条紋转换为电信号，最终数据采集处理部分 利用本专利技术涉及的自适应方法准确计算出空气中曱烷的浓度。光路系统与图像传感器描述如图2所示，白光光源l发出一束光，经过聚光镜2，光栏3,胶合透镜4， 到达胶合棱镜5分成两束光通过气室8中的采样气室10和空气气室11到直角棱 镜9后反射面上， 一束光在直角棱镜9的后反射面上反射进入气室8的气样室 10,然后到达胶合棱镜5，另一束光在直角棱镜9的后反射面上反射进入气室的另一个空气室ll，然后到达胶合棱镜5，这两束光在胶合棱镜5相遇发生干 涉，由于气室8的特殊性在图像传感器6的感光面上将出现如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，其特征为：包括一个利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统；一个将两组条纹的物理位置信息转化为电信号的图像传感器；一个用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷含量的电信号采集处理部分；其中　１）、 所述利用同一光源产生两组光干涉条纹的光路系统：包括入射光源（１），在光源（１）之前装有聚光镜（２）胶合透镜（４）、光栏（３），以实现对入射光的准直及除去杂光；还包括胶合棱镜（５）、图像传感器（６）的感光部分、直角棱镜（９）及设置在它们之间的气室（８），所述胶合棱镜由一个分光棱镜和一个反射棱镜胶合而成，来自光源的入射光经胶合棱镜后分光为两束光，两束光经气室（８）后经直角棱镜９反射，再经气室（８）后由胶合棱镜输出；所述气室（８）被分成两部分：不含甲烷或二氧化碳的空气气室（１１）及含甲烷或二氧化碳的空气采样气室（１０）；所述胶合棱镜的光输出端设置图像传感器（６）的感光部分，由所述图像传感器将获得的光干涉条纹图像转换为电信号输出；由胶合棱镜分束得到的两束相干光（Ｙ１和Ｙ２）经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室（１１）干涉后在图像传感器（６）的感光面上获得一组干涉条纹（Ａ）；由胶合棱镜分束得到的另两束相干光（Ｘ１和Ｘ２），一束经过不含甲烷或二氧化碳的空气气室（１１）、另一束经过含有甲烷或二氧化碳空气的采样气室（１０），两束光干涉后在图像传感器（６）的感光面获得另一组干涉条纹（Ｂ），由采样气室（１０）与空气气室（１１）之间的腔体隔断材料引起的两干涉条纹（Ａ，Ｂ）之间的隔带（Ｃ）；　２）、所述用于识别两组条纹物理位置，最终确定空气中甲烷或二氧化碳含量的电信号采集处理部分包括模数转换电路、ＰＣ机 或微处理器，及应用软件，模数转换电路将图像信号转变成数字信号，由ＰＣ机或微处理器处理后转换为与两组条纹（Ａ，Ｂ）对应的两个数字波形图，通过确定所述两个数字波形水平偏移量Ｓ值的大小，便可计算出被测气体的浓度值；通过分别对每组干涉条纹中与两条极暗干涉条纹对应的两个最低电平中心点的距离Ｌ值与标准值之间的比较，自动对浓度值计算进行精度的补偿。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶，席贵云，陈均，
申请(专利权)人：重庆同博测控仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]