汪前軍

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

1 基本原理

地下水大量涌入礦井便會造成突水事故，突水前會有大量的周圍區(qū)域的地下水涌入本區(qū)域。但同一個區(qū)域地下水中的溶質(zhì)是幾乎不變的，不同區(qū)域中的地下水溶解的溶質(zhì)卻是不一樣的，這就意味著只要檢測到當(dāng)前區(qū)域的水中雜質(zhì)有明顯變化則說明可能會發(fā)生突水事故，通常把Ca2+，Cl-，Na+等離子和一些有機物的濃度作為檢測依據(jù)。根據(jù)量子力學(xué)的研究成果，原子吸收光能可以躍變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過程中會釋放能量，發(fā)出熒光[1]，其強度與該溶液吸收光能的程度及溶液中熒光物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率ΦF有關(guān)。若強度為I0的入射光照射到一個吸光截面積為A的盛有熒光物質(zhì)溶液的樣品池，根據(jù)比爾定律和相關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到[2]溶液發(fā)出的熒光強度IF為：

(1)

式中：a是常數(shù);L為溶液的厚度。

當(dāng)溶液濃度較低(acL<<0.05)時，級數(shù)的高階項可忽略，可簡化成：

IF≈ΦF·AI0acL=kI0c

(2)

式中k=φF·AaL，對于一個具體系統(tǒng)是定值，不隨外界條件變化。

由式(2)得出，熒光強度IF同激發(fā)光強度I0與溶液的濃度c的乘積成正比[3]。很顯然式(2)只在溶液中的濃度較低時成立，當(dāng)濃度比較高時需要考慮等式中的高次項，但實際測量結(jié)果顯示，井下滲水的濃度都很低，式(2)完全可以使用。實驗證明，井下突水前滲水水質(zhì)的變化主要是溶解溶質(zhì)濃度的變化。由式(2)可知：

c=kI0/IF

(3)

式中：IF是測量得到的量；k是常數(shù)，可以用實驗的方法測定;I0可以人為設(shè)定。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，將激光器的頻率三倍頻得到波長為355 nm的激發(fā)光源，頻率取10 Hz，脈寬4 ns，單次脈沖輸出能量在4～90 mJ之間。濾光片輪是由幾個不同波長的干涉濾光片安裝在圓形轉(zhuǎn)盤上組成的，控制電路控制步進(jìn)電機帶動濾光片輪的順序轉(zhuǎn)動，從而得到相應(yīng)波長的光強信號送PMT轉(zhuǎn)換。濾光片輪轉(zhuǎn)動分2次循環(huán)采集405 nm和450 nm波長處的光強[4]，進(jìn)入PMT轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)前置放大，采樣后送至ARM處理器，經(jīng)過特定的算法處理后便得到水中的雜質(zhì)信息，并在TFT屏中顯示結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制激光器的開啟、預(yù)燃、輸出光脈沖；處理器控制步進(jìn)電機驅(qū)動器，帶動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動濾光片輪，分時采集405 mm處拉曼散射信號和450 nm處的熒光特征峰值信號[2]。PMT增益調(diào)整由ARM控制電路對PMT高壓實現(xiàn)自動調(diào)整。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

鑒于煤礦井下的特殊環(huán)境，系統(tǒng)的高壓控制電路等大部分電路需要放在隔爆箱內(nèi)工作。

2．2 探測器的選擇

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以看出該系統(tǒng)最重要的單元是光電轉(zhuǎn)換器件，比如CCD，PMT，光電二極管等。因PMT具有內(nèi)部增益并且經(jīng)濟，所以該系統(tǒng)的探測器選用光電倍增管(R928型)，并選用C1053型帶門控的PMT管座。系統(tǒng)運行時，PMT處于常閉狀態(tài)，僅在需接收信號時通過門控信號將PMT打開，接收熒光信號[2]。這種設(shè)計可以將PMT的靈敏度提高1 000倍，并且避免了背景雜散光的干擾，還可減少PMT的前歷效應(yīng)[5]。

3 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計

3．1 電源，復(fù)位及時鐘電路

電源由井下的本安電源供給，將12 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V給系統(tǒng)供電，如圖2所示。低電平復(fù)位；采用兩個晶振，分別為CPU和外設(shè)提供時鐘，外部12 MHz的時鐘經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后可以達(dá)到100 MHz．復(fù)位和時鐘電路如圖3所示。

圖2 給ARM供電的電源電路

圖3 復(fù)位和時鐘電路

光電倍增管的輸出是很微弱的電流信號，然而對微弱信號的采集的和放大是很難的，文中設(shè)計了專門給光電倍增管使用的微弱信號檢測放大電路如圖4所示。

圖4 微弱信號檢測電路

該電路中的運放采用具有極低的噪聲。電路中的三極管和它的外圍電路組成恒流源為前級差分運放提供偏置電流。

3．2 采樣電路

LPC1752內(nèi)部集成了12位ADC，但在精度要求很高的場合其位數(shù)仍不夠，所以該設(shè)計外接A/D模塊。采用24位ADC-CS5532，該芯片在字輸出率30 SPS時，最高可以達(dá)到22位的無噪聲分辨率，可以滿足該系統(tǒng)所需的精度。并且CS5532內(nèi)部集成了補償電路，在實際采樣時用來消除ADC系統(tǒng)的誤差。采樣電路如圖5。

圖5 A/D采樣電路

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

軟件主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊、轉(zhuǎn)換控制模塊、數(shù)據(jù)處理程序以及脈沖發(fā)生電路控制程序，LCD顯示程序等。系統(tǒng)主程序的軟件流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

5 測試結(jié)果

仿真實驗只是對水中只有一種雜質(zhì)的情況進(jìn)行，該次實驗采用的是NaCl作為溶質(zhì)進(jìn)行測試，首先，利用NaCl配置成不同濃度的一組水樣，用該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)測得一組數(shù)據(jù)，先扣除背景光，再將實驗結(jié)果歸一化后得到歸一化熒光強度和實際NaCl濃度的線性擬和如圖7所示，最小二乘法擬合后的相關(guān)系數(shù)[6]充分說明，該系統(tǒng)的線性度很高。

圖7 不同濃度實驗結(jié)果

其次，對3 mg/L的NaCl做多次測量，檢驗傳感器的重復(fù)性，得到的結(jié)果如圖8所示。從結(jié)果可以看出，該設(shè)計的重復(fù)性還是很好的，誤差控制在5%以內(nèi)。

圖8 同一濃度多次測量結(jié)果

6 結(jié)束語

文中完成了基于ARM的LIF突水預(yù)測系統(tǒng)的研制。并在實驗室以NaCl為溶質(zhì)進(jìn)行了簡單的測試，實驗結(jié)果充分證明系統(tǒng)的可行性和可靠性。

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