張海濤,馮永貴,王江鵬

(1.山西省晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司,山西 晉城 048000;2.中國電子科技集團(tuán)第三十三研究所,太原 030000)

礦井瓦斯廣泛存在于煤層中,其主要成分是甲烷,因此實(shí)現(xiàn)礦井全范圍內(nèi)有效的瓦斯測量、監(jiān)控,始終是礦井開采過程中保證生產(chǎn)安全的前提和基礎(chǔ)之一。綜采工作面采煤過程中,由于瓦斯的存在和其物理化學(xué)特性,上隅角成為瓦斯積聚的主要地點(diǎn),也是瓦斯治理的重點(diǎn)區(qū)域之一,因此,基于光譜學(xué)分析原理,提出了利用先進(jìn)的光電傳感元件和集成電路實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯的安全、高效、精確測量。設(shè)計(jì)了一種基于線陣CCD光電傳感元件的測量煤礦瓦斯的光譜儀軟硬件系統(tǒng)。

根據(jù)物質(zhì)對不同波長光的吸收程度不同而產(chǎn)生特征光譜,光源通過含有甲烷氣體的混合空氣后,特定波長的光被吸收,接收器接收到剩余的光譜與通過空氣時的特征光譜分析比較,就可以定性定量測定甲烷含量[1]。

光纖光譜儀的小型化、數(shù)據(jù)處理速度、可測光譜范圍、測量精度等性能是衡量其優(yōu)越性的標(biāo)準(zhǔn),也是設(shè)計(jì)更高性能光譜儀的參考性能和最終目的。

設(shè)計(jì)第一部分實(shí)現(xiàn)光路系統(tǒng)采集到的光信號由線陣CCD轉(zhuǎn)換為模擬電信號,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出數(shù)字信號,數(shù)據(jù)直接傳輸至FPGA主控芯片,同時,FPGA控制CCD的驅(qū)動時序及AD轉(zhuǎn)換芯片時序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

第二部分完成FPGA與FT245BL之間的數(shù)據(jù)通信,FT245BL的TXE和RXF信號在查詢地址有效時,由FPGA讀取信號狀態(tài),判斷接收數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù);TXE信號標(biāo)志發(fā)送緩沖區(qū)是否數(shù)據(jù)滿,低電平代表可繼續(xù)傳輸, 高電平表示數(shù)據(jù)滿,TXE為低電平時, FIFO緩沖區(qū)可讀入由FPGA傳輸?shù)臄?shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)再次寫滿;RXF信號檢測接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù),若檢測到數(shù)據(jù),RXF置0, FPGA可通過檢測RXF信號來讀取有效數(shù)據(jù)。USB芯片的WR和RD 信號與FPGA互通,FPGA可以讀取接收數(shù)據(jù)和寫入發(fā)送數(shù)據(jù)。此外,數(shù)據(jù)通信過程中為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?由FPGA加入循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)校驗(yàn)算法,將打包后數(shù)據(jù)傳輸至FT245BL芯片[2]。

第三部分設(shè)計(jì)了基于C++builder的上位機(jī)軟件與FT245BL之間的數(shù)據(jù)通信,通過配置調(diào)用FTDI的D2XX庫函數(shù)完成數(shù)據(jù)的高效接收,并利用校驗(yàn)位解碼檢驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性,并最終顯示光譜曲線,對比選用查表法、參數(shù)擬合算法、樣條插值擬合、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法等算法中的一種或幾種完成波長標(biāo)定、濾波等功能。由此完成光譜數(shù)據(jù)處理。

第四部分對實(shí)測甲烷數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并且完成了誤差分析,實(shí)測結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了對甲烷地有效監(jiān)測。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 光路系統(tǒng)

光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞直接影響測量精度和體積大小,光纖光譜儀的性能主要由光纖分辨率、光譜范圍和靈敏度來決定,而這些性能主要依靠光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

選用反射式成像系統(tǒng)中的折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu),待測光由光纖入射光路系統(tǒng), 經(jīng)入射狹縫使光束按固定寬度入射到準(zhǔn)直反射鏡上, 光線通過準(zhǔn)直反射鏡準(zhǔn)直后照射到光柵上分光,匯聚反射鏡匯聚分光后的光束,使初射光成為平行光束,并成像在線陣CCD光敏面上。折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光路原理分析:采用折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu),光路分析如圖2所示:其中M1是準(zhǔn)直物鏡,焦點(diǎn)f;G代表光柵;M2是反射鏡,用于將光柵分光后的光譜反射為平行光束射入光譜成像單元CCD,焦點(diǎn)為f′;i為準(zhǔn)直物鏡M1光束入射光柵的入射角;θ為經(jīng)M2反射光線的反射角,A′B′代表線陣CCD。

入射狹縫置于M1反射鏡物方焦平面與光軸偏離一定角度的位置,這樣可充分利用物點(diǎn)發(fā)射光束能量。設(shè)光束入射角為i,光束由入射狹縫經(jīng)準(zhǔn)直物鏡M1反射后成平行光束投射到光柵G上,按照波長的空間位置排列,光柵將入射平行光束展開成光譜譜線,即通過色散原理將入射復(fù)色平行光變成衍射角各異的單色平行光束,通過反射鏡M2將色散后光束成像,成像物鏡接收到的是成扇形分布的單色光束,其視場隨波長呈反向變化,故準(zhǔn)直物鏡口徑小于成像物鏡的口徑,成像后的單色光束平行入射線陣CCD成像面,為保證光譜譜線能夠全部落在CCD成像面上,應(yīng)根據(jù)測量波長范圍及成像線陣CCD寬度合理選擇準(zhǔn)直物鏡M1和反射鏡M2的焦距以及相對位置[3]。

圖2 光譜儀光路結(jié)構(gòu)分析圖Fig.2 Optical path structure analysis of spectrometer

橫向焦距的選擇應(yīng)使入射狹縫處于M1物方焦平面上時不干擾光路,確定橫向焦距后,縱向焦距分析如下:

光柵色散方程:

d(sini′±sini)=kλ.

(1)

式中:i′是衍射角,i是入射角,λ為波長,d是光柵常數(shù),k示衍射級次。

根據(jù)需測量波長范圍內(nèi)的最大最小值,給定光柵時,即可確定衍射角的最大最小值。

設(shè)CCD成像面長度為L,則有:

L=f′tanθ-f′tanα.

(2)

式中：θ和α分別是最小衍射角和最大衍射角,由此確定f′:

(3)

由以上分析,折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)能夠有效減小光譜儀硬件體積,符合設(shè)計(jì)要求。

1.2 CCD模塊

TCD1304D由3 694個光敏單元構(gòu)成線型陣列,其中包括后14個與前32個用于暗電流檢測而被屏蔽的象元和中間3 648個有效光敏單元。光敏單元兩側(cè)是用作存儲光生電荷的MOS電容陣列。轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器,其輸出部分由信號輸出單元和補(bǔ)償輸出單元構(gòu)成。MOS電容陣列的兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極SH。并且片內(nèi)集成了采樣保持電路(S/H)。

CCD器件工作時提供正確的的驅(qū)動脈沖,包括輸入轉(zhuǎn)移門控脈沖SH,主時鐘脈沖φM以及積分清空脈沖ICG三路驅(qū)動脈沖。

圖3 CCD驅(qū)動時序Fig.3 CCD driving timing

圖3是CCD驅(qū)動時序的詳細(xì)介紹,給出了各個信號間的具體關(guān)系以及應(yīng)該有的建立保持時間,其中t1為ICG脈沖信號的延時,最小時間為1 000 ns,t2為ICG與SH之間的時間延時,允許范圍是100 ns與1 000 ns之間,典型值500 ns,t3為SH的脈沖寬度,最小值1 000 ns,t4為ICG與φM之間的延時,最小值0,典型值為20 ns。SH有效電平持續(xù)t3+t2的時間,下降沿到來時開始本次積分時間操作,上升沿到來結(jié)束上一次積分時間操作,SH信號的相鄰兩個脈沖之間的時間間隔則代表積分時間(integration time)的長短。ICG低電平有效,持續(xù)t1+t2+t3+t4的時間,因此,要合理設(shè)置各個控制驅(qū)動信號的建立保持時間,確保CCD正常工作并輸出數(shù)據(jù); TCD1304DG器件共包含3 694個像元的輸出信號,其中有效信號為3 648個,前后各有14個和32個啞元輸出信號(dummy output)。同時,SH低電平時間必須保證一行3 648個像元信號完整的輸出,否則下一次的輸出信號則會包含這次不完整積分設(shè)置造成的錯誤數(shù)據(jù),因此，至少需要有14 776個主時鐘脈寬時間[4]。

表1 時鐘與有效信號典型值Table 1 Typical values of clock and effective signal

表1所示是主時鐘與數(shù)據(jù)輸出速率的典型值,設(shè)計(jì)中主時鐘選擇2 MHz。

設(shè)計(jì)TCD1304DG驅(qū)動時序典型硬件電路如圖4所示:設(shè)計(jì)中將CCD電路部分獨(dú)立出來做成一塊電路板,并通過接口線與主電路板相連,目的是便于調(diào)整CCD位置,能夠使光譜線完全投射到CCD有效接收區(qū)域,當(dāng)確定CCD精確位置后,再將其固定。

根據(jù)CCD輸出電壓特性,輸出電壓幅值較小,并隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而減少,需設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路,使CCD無光照時輸出電壓為0(理想情況是0,實(shí)際只需在0～0.1V之間即可),提高輸出信號電壓,并實(shí)現(xiàn)隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增加的正向變化。

圖4 線陣CCD TCD1304DG驅(qū)動電路原理圖Fig.4 Driving circuit principle of CCD linear array TCD1304DG

設(shè)計(jì)電路如圖5所示,分析如下:設(shè)2點(diǎn)電位是U2(可通過滑動變阻器調(diào)節(jié)電位大小),輸入信號電壓設(shè)為Ui,一級輸出電壓為Uo1,6點(diǎn)電位設(shè)為U6,二級輸出電壓為Uo,根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”、“虛斷”的概念[5],得到:對于前一級減法電路,有:

(4)

整理,得到:

Uo1=2U2-Ui.

(5)

由式(5)可得,通過調(diào)整滑動變阻器連入電路的阻值,即可以設(shè)置合理的U2點(diǎn)電位,實(shí)現(xiàn)輸出電壓的反向減法電路。

后一級電路實(shí)現(xiàn)放大功能,放大倍數(shù)為2:

(6)

并且:

Uo1=U6.

(7)

整理,得:

Uo=2Uo1.

(8)

該級電路實(shí)現(xiàn)了輸入信號的放大功能,輸出信號滿足AD信號輸入要求,信號輸出后接入AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。

圖5 CCD信號輸出調(diào)理和增強(qiáng)電路Fig.5 CCD signal output conditioning and enhanced circuit

1.3 AD轉(zhuǎn)換模塊

對比各種模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的性價比,最終選擇LTC1403A芯片作為AD轉(zhuǎn)換模塊核心部分,LTC1403-1/LTC1403A-1具有4.7 mAh 3V單電源供電,睡眠關(guān)機(jī),低功耗和小封裝等功能特性,適用于高速,便攜式應(yīng)用。該器件轉(zhuǎn)換-1.25 V至1.25 V雙極性輸入差分信號。串行口轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在16個時鐘周期中輸出,隨后CONV上升沿到來,實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)串行接口的兼容性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完后如果設(shè)置兩個額外的采集時間,可以在50.4 MHz時鐘輸入下實(shí)現(xiàn)2.8 Msps的充分采樣[6]。典型硬件配置電路如圖6所示。

CCD輸出的模擬信號經(jīng)整形放大后通過AIN+輸入AD轉(zhuǎn)換芯片,此處AIN-接地,VREF與VDD分別通過10uF的極性鉭電容接地,作為旁路電容濾除混有高頻電流和低頻電流中的高頻成分,CONV,SCK,SDO三個管腳與FPGA直接相連。

圖6 LTC1403A典型硬件配置電路原理圖Fig.6 LTC1403A typical hardware configuration circuit

1.4 USB通信模塊

根據(jù)FT245BL管腳信息、功能,設(shè)計(jì)相應(yīng)FT245BL硬件電路配置原理圖如圖7所示,其中PWREN在正常工作模式下配置為低電平。

由于設(shè)計(jì)高頻電路電路板,應(yīng)將FT245BL與FPGA以及相關(guān)高速傳輸數(shù)據(jù)信號盡量靠近,避免信號間的交叉布線引起干擾;與低頻信號,電源信號要分開排板,并遵循相關(guān)高頻信號電路設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)則,使數(shù)據(jù)通信能夠達(dá)到良好效果,為信號通信過程降低誤碼率提供硬件基礎(chǔ)。

2 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)要求,對比各種設(shè)計(jì)軟件,最終選用Borland公司推出的C++Builder軟件作為開發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大的編程語言與可視化的編程環(huán)境的結(jié)合[7]。

基于C++builder的光譜軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)通信,界面設(shè)計(jì),光譜曲線繪制,數(shù)據(jù)平滑處理以及波長定標(biāo)等模塊的實(shí)現(xiàn);光譜軟件設(shè)計(jì)能直觀的顯示光譜曲線,并對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理,包括數(shù)據(jù)存儲,曲線保存,波長定標(biāo),平滑處理,峰值檢測等功能。

其中曲線繪制將接收到的光譜數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來,通過在Chart組件中添加Series增加所要顯示的曲線,并使用曲線繪制的ADD方法和ADDARRAY方法即可顯示曲線,滿足設(shè)計(jì)要求,其中ADDARRAY方法能夠一次性響應(yīng)海量數(shù)據(jù)的顯示,適用于光譜曲線繪制。另外使用TChartGrid組件能夠?qū)eeChart組件中的數(shù)據(jù)以表格形式顯示出來,大大方便了光譜曲線的分析處理。圖8所示是光譜數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示主界面[8]。

圖7 FT245BL硬件配置電路原理圖Fig.7 FT245BL hardware configuration circuit

圖8 光譜軟件主界面Fig.8 Main interface of spectrum software

圖9所示為軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)處理框圖,圖中可看出基于C++builder的上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)通信過程。

圖9 軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.9 Software design block diagram

2.1 USB數(shù)據(jù)傳輸

光譜數(shù)據(jù)采集,存儲,以及前期運(yùn)算分析等功能通過FPGA芯片現(xiàn)場實(shí)現(xiàn),完成后需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ㄉ衔粰C(jī)的配套軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)存儲和分析運(yùn)算等復(fù)雜功能,近距離的數(shù)據(jù)通信選用FTDI公司的FT245BL作為USB通信部分主模塊來實(shí)現(xiàn),遠(yuǎn)距離傳輸后續(xù)可配套建設(shè)成熟的以太環(huán)網(wǎng),選用相關(guān)數(shù)據(jù)通信總線技術(shù)和通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn),以下論述近距離USB數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)。

如圖10所示,一幀數(shù)據(jù)應(yīng)包括:起始位:AA,55作為有效數(shù)據(jù)開始標(biāo)志;數(shù)據(jù)長度:一幀數(shù)據(jù)包含的有效數(shù)據(jù)的長度,CCD采集一次含有的象元數(shù)總計(jì)為(3 694+16)3 710個每個象元的數(shù)據(jù)用兩個字節(jié)傳輸,并且每個數(shù)據(jù)都帶有該數(shù)據(jù)的位置信息(即第幾個象元),這也需要兩個字節(jié),一共四個字節(jié),則總的數(shù)據(jù)長度就是3 710×4=14 840個字節(jié);數(shù)據(jù)校驗(yàn):采用CRC校驗(yàn)來判定傳輸數(shù)據(jù)的有效性,如果傳輸錯誤就放棄當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)的傳輸,若設(shè)計(jì)采用偶校驗(yàn):當(dāng)有效數(shù)據(jù)中1的個數(shù)是奇數(shù),偶校驗(yàn)位置1,否則置0。

圖10 USB模式一幀數(shù)據(jù)Fig.10 One frame data in USB mode

算法實(shí)現(xiàn):傳送一幀的CCD光譜數(shù)據(jù)到C++builder中,并在數(shù)據(jù)中加上開始位,數(shù)據(jù)長度位,校驗(yàn)位以及結(jié)束標(biāo)志,達(dá)到數(shù)據(jù)的低誤碼率接收。

FTDI為芯片提供了兩種可供選擇的軟件接口:USB-UART和USB-FIFO。一種是虛擬COM口(VCP),完全可作為系統(tǒng)COM口使用。第二種D2XX端口通過專有的DLL(FTD2XX.DLL)設(shè)置。該D2XX接口提供了標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的COM端口API所不具備的特殊功能,可配置設(shè)備進(jìn)入不同模式或?qū)?shù)據(jù)寫入設(shè)備的EEPROM。Windows環(huán)境下,D2XX驅(qū)動程序和VCP驅(qū)動程序分配相同的驅(qū)動程序包,稱為聯(lián)合驅(qū)動程序模型(CDM)包[9]。

1)C++builder動態(tài)載入DLL。在正確安裝了FT245BL的驅(qū)動程序后,還需將驅(qū)動程序中的“ftd2xx.h”頭文件以及“ftd2xx.lib”庫文件載入工程文件中,即C++builder動態(tài)載入DLL方法。

選擇View->Project Manager打開工程列表,在工程目錄下點(diǎn)擊右鍵選擇add菜單,向工程中加入接口庫“ftd2xx.lib”“ftd2xx.h”頭文件通過在主程序的頭文件頁面中加入聲明即可。由此能夠動態(tài)調(diào)用FT245BL的API函數(shù)。

2)C++builder中編程配置FT245BL。數(shù)據(jù)通信要遵守通信協(xié)議,這樣發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)才能保證正確的收發(fā),以下程序段就是通過調(diào)用FT245BL自帶的函數(shù)配置實(shí)現(xiàn)FT245BL的打開關(guān)閉,以及數(shù)據(jù)由USB到C++builder的正確傳輸。以下是配置FT245BL用到部分基本函數(shù):

FT-Open (int iDevice, FT-HANDLE *ftHandle)//打開端口命令。

FT-Read(FT-HANDLEftHandle,LPVOIDlpBuffer,DWORDdwBytesToRead,LPDWORDlpdwBytesReturned)//讀取數(shù)據(jù)命令。

FT-Purge(FT-HANDLEftHandle,DWORDdwMask)//清除緩存數(shù)據(jù)命令

FT-Close(FT-HANDLE ftHandle)//關(guān)閉端口命令;ftStatus=FT-SetBaudRate(ftHandle, 115200)//設(shè)置波特率。

數(shù)據(jù)接收是光譜儀上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊,要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時、快速、精確以及可控收發(fā),C++builder中通過調(diào)用按鈕響應(yīng)事件觸發(fā)數(shù)據(jù)接收,并考慮到海量數(shù)據(jù)的接收、存儲等,設(shè)計(jì)中通過啟用C++builder的多線程功能提高軟件處理速度和并行性,符合軟件設(shè)計(jì)主流算法。圖11是啟用線程后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效接收的流程圖。接收到有效數(shù)據(jù)后,通過編程創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)存儲文件,將數(shù)據(jù)以及和數(shù)據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)特征(例如數(shù)據(jù)指針,數(shù)據(jù)量,幀數(shù)等)存儲到C++builder定義的文件中(適用于數(shù)據(jù)海量存儲),以便數(shù)據(jù)處理。

圖11 FT245BL讀取數(shù)據(jù)流程圖Fig.11 FT245BL reading data flow chart

2.2 光譜儀波長標(biāo)定

對測量光譜來說,需要得到能量與波長的對應(yīng)關(guān)系,而不是以CCD像元序號為橫坐標(biāo)和能量為縱坐標(biāo)的光譜曲線,因此根據(jù)CCD像元序號確定對應(yīng)的波長就是波長標(biāo)定。波長標(biāo)定功能的實(shí)現(xiàn)是光譜軟件設(shè)計(jì)的又一項(xiàng)關(guān)鍵部分。

經(jīng)方案論證,選用參數(shù)擬合方法。從波長-像元序號的實(shí)際關(guān)系出發(fā),得到波長-像元序號關(guān)系的一般函數(shù)[10]。采用多項(xiàng)式擬合算法實(shí)現(xiàn)波長標(biāo)定。光譜線要盡可能在400 nm～800 nm范圍內(nèi)均勻分布,這樣測量結(jié)果才能通過TCD1304DG,即線陣CCD正確響應(yīng)。

試驗(yàn)選用低壓汞燈標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行光譜標(biāo)定(氣體放電光源和激光器等都可以作為標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)光源)。汞燈的6條特征譜線波長分別為366.5 nm,404.66 nm,435.8 nm,546.07 nm,576.96 nm,579.1 nm,它們均勻分布于可見光區(qū)。由于TCD1304DG響應(yīng)范圍是400 nm～800 nm,只需測量其中的5條特征譜線,并進(jìn)行波長定標(biāo)即可。

標(biāo)定方法:使用設(shè)計(jì)的光譜儀器測出低壓汞燈的幅值-象元曲線,即光譜數(shù)據(jù),并根據(jù)汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線,找出測出的若干條峰值波長對應(yīng)的CCD像元序號以及幅值,然后采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合。

(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5)設(shè)為光譜數(shù)據(jù),選擇3次多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù),則有:

p(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3.

(9)

代入光譜數(shù)據(jù),得到方程組:

(10)

此方程組五個方程,4個未知參數(shù),方程未知數(shù)個數(shù)小于方程個數(shù),是個矛盾方程組,直接通過一般方法聯(lián)立解方程組是無解的。這里給出一個判定擬合好壞的計(jì)算公式:

(11)

(12)

將式(12)寫成矩陣方程:

(13)

式(13)簡化為:

(14)

式(14)存在唯一的一組解。通過解矩陣方程,求出a0,a1,a2,a3,可以確定出擬合曲線方程[11]。實(shí)測光譜曲線在特征譜線鄰域內(nèi)并不是只在某一象元出現(xiàn)理想的峰值,而是在特征譜線附近同時出現(xiàn)幅值大小相近的一段較大的值;因此,如何確定譜線的中心最大位置也是設(shè)計(jì)必須考慮的一部分。經(jīng)論證,光譜線中心光敏元標(biāo)號X0應(yīng)落在光敏象元響應(yīng)擬合函數(shù)p(x)的極大值處,即有:

(15)

C++builder軟件設(shè)計(jì)中的波長標(biāo)定部分采用半自動標(biāo)定方法,主要內(nèi)容是通過軟件編程設(shè)計(jì)了標(biāo)定系統(tǒng)圖形界面以及參數(shù)擬合功能,界面如圖12,13所示。

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證及結(jié)論

軟硬件設(shè)計(jì)完成后,需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證系統(tǒng)功能,并最終實(shí)現(xiàn)甲烷的現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸以及上位機(jī)軟件的存儲,分析,控制等一些列復(fù)雜功能,以下給出現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證以及誤差分析結(jié)果。

圖12 波長標(biāo)定界面Fig.12 Wavelength calibration interface

圖13 參數(shù)擬合界面Fig.13 Parameter fitting interface

甲烷標(biāo)準(zhǔn)濃度/%儀器測量濃度t1/%儀器測量濃度t2/%儀器測量濃度t3/%儀器測量濃度t4/% 0.010.010 20.010 10.010 00.010 3 0.030.029 90.030 20.030 40.030 3 0.050.050 40.050 10.050 70.050 2 0.080.080 10.080 20.080 30.079 9

甲烷傳感器在測量范圍內(nèi)允許的基本誤差為:0～1.00%CH4;±0.10%(絕對誤差)CH4;1.00% ～3.00% CH4;讀數(shù)的±10%;3.00% ～4.00% CH4;±0.30% (絕對誤差) CH4。“允許誤差”采用甲烷傳感器的基本誤差,即在正常試驗(yàn)條件下確定的傳感器測量誤差值。

表2中測試數(shù)據(jù)以百分比濃度表示,t1,t2,t3,t4表示在不同時刻測量的濃度值,此為部分測量數(shù)據(jù),從表中數(shù)據(jù)以及后續(xù)測量數(shù)據(jù)中得出結(jié)論,0～1.00%CH4濃度范圍內(nèi),絕對誤差在允許范圍內(nèi),測量海量數(shù)據(jù)證明,該系統(tǒng)能顯著提高測量精度。

圖14所示是設(shè)計(jì)的光譜軟件甲烷濃度曲線圖,此圖中可直觀監(jiān)測礦井瓦斯實(shí)時及歷史濃度數(shù)據(jù),并根據(jù)此數(shù)據(jù)做后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。

圖14 甲烷濃度曲線Fig.14 Methane concentration curve

測試過程需要注意以下幾點(diǎn):

1)確認(rèn)光譜儀器是否在規(guī)定的溫度和濕度范圍內(nèi)工作。工作溫度過高或者過低,都可能導(dǎo)致儀器測量值不準(zhǔn)確。濕度也對測量值有一定的影響。2)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下,利用可以確信的標(biāo)準(zhǔn)表,來對比該儀器在不同濃度值時,與標(biāo)準(zhǔn)表的顯示值的偏差。3)經(jīng)過多個濃度值的測量,觀察該光譜系統(tǒng)的顯示值相對于標(biāo)準(zhǔn)表的偏差數(shù)值,如果這個偏差數(shù)值是有規(guī)律的,那么就可以利用差分公式計(jì)算補(bǔ)償算法。如果偏差數(shù)值沒有規(guī)律,那么,就可以判定此系統(tǒng)功能有待改進(jìn),實(shí)用價值不大。

結(jié)果證明,該系統(tǒng)能有效完成甲烷數(shù)據(jù)的高精度測量,且測量速率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,功耗設(shè)計(jì)也存在后續(xù)優(yōu)化空間,將系統(tǒng)集成后,通過設(shè)計(jì)符合煤礦電氣設(shè)備防爆安全性能的硬件后,有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和礦井應(yīng)用前景,并可擴(kuò)展強(qiáng)大功能。