专业组_仪器仪表_天津大学_光干涉型甲烷检测仪

论文格式

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*********************************************************** 2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题目：光干涉型甲烷检测仪

学校：天津大学

指导教师：张瑞峰

组别：专业组

应用类别：仪器仪表组

平台：C2000

参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：

苏鑫suxin_5768@

何超hechao9988@

谭宇华yuhua_tan24@

视频文件观看地址（若未拍摄，请注明）：

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题目：光干涉型甲烷检测仪

摘要（中英文）

本文设计了一个光干涉型甲烷检测仪，使甲烷的检测变成数字化处理。该系统由三部分组成，包括光路系统获取条纹信息，COMS摄像采集干涉条纹以及

C2000 DSP核心开发板进行数据处理。核心开发板计算出的甲烷浓度值通过串口通信传输到PC端，以曲线方式显示在由Borland C++编写的窗口程序中。同时，当甲烷浓度值超过一定范围时，核心开发板会进行报警提示。

This paper design a methane detector of light interference, which is implemented by digital process. This system is made up of three parts, including light path system, CMOS image acquisition system and C2000 DSP core development board. Interference fringe is acquired by light path system and then sampled by image acquisition system. The main program computes in core development board. The methane value attained from C2000 board is sent to Personal Computer through serial communication. It is available to show methane curve in window program, which is written in Borland C++. At the same time, the core development board will alarm when methane value exceeds a certain range.

1.引言

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[1]。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，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。瓦斯的主要成分是甲烷，二氧化碳，一氧化碳等。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。我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50%以上。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，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。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，按检测原理分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。在这几种检测仪中，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。

光学甲烷检测仪是利用不同气体折射率不同的原理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），由于空气室和甲烷室中含的甲烷气体的浓度不同，引起折射率变化，光程也随之发生变化，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。可以根据干涉条纹位移量就可以测得甲烷的浓度，从目镜中可以观察到干涉条纹移动后所处的甲烷浓度刻度值，便可测得甲烷浓度。这种检测仪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。

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，它性能稳定、使用寿命长，但由于采用人工读数，自动化程度低，温度20℃和标准大气压条件下标定的刻度值的，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，防止由于温度气压变化较大而出现零点漂移现象，读书不直观，人为误差较大，不能存储数据。

为了克服传统光干涉式甲烷检测器的不足，本设计从图像分析和信息处理的角度出发，提出了采用CMOS作为光电转换元件的非接触式测量方式，CMOS是一种性能独特的半导体光电器件，其输出信号经过模数转换后成为高速的数字图像数据，实现这些高速数据的大容量存储是数据采集系统的关键。本设计以TI 的C2000系列DSP为核心实现对CMOS数字图像数据的采集、存储以及对干涉图像数据的算法分析得出结论。

2.系统方案

本系统设计包括光路系统、CMOS图像采集电路、报警模块、C2000核心开发板、PC终端显示模块，以及对图像数据处理的算法模块。

系统框图：