基于ARM和LIF的矿井突水检测系统

汪前军

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232001)

1 基本原理

地下水大量涌入矿井便会造成突水事故，突水前会有大量的周围区域的地下水涌入本区域。但同一个区域地下水中的溶质是几乎不变的，不同区域中的地下水溶解的溶质却是不一样的，这就意味着只要检测到当前区域的水中杂质有明显变化则说明可能会发生突水事故，通常把Ca2+，Cl-，Na+等离子和一些有机物的浓度作为检测依据。根据量子力学的研究成果，原子吸收光能可以跃变为激发态，从激发态回到基态的过程中会释放能量，发出荧光[1]，其强度与该溶液吸收光能的程度及溶液中荧光物质的荧光量子产率ΦF有关。若强度为I0的入射光照射到一个吸光截面积为A的盛有荧光物质溶液的样品池，根据比尔定律和相关数学推导，可以得到[2]溶液发出的荧光强度IF为：

(1)

式中：a是常数;L为溶液的厚度。

当溶液浓度较低(acL<<0.05)时，级数的高阶项可忽略，可简化成：

IF≈ΦF·AI0acL=kI0c

(2)

式中k=φF·AaL，对于一个具体系统是定值，不随外界条件变化。

由式(2)得出，荧光强度IF同激发光强度I0与溶液的浓度c的乘积成正比[3]。很显然式(2)只在溶液中的浓度较低时成立，当浓度比较高时需要考虑等式中的高次项，但实际测量结果显示，井下渗水的浓度都很低，式(2)完全可以使用。实验证明，井下突水前渗水水质的变化主要是溶解溶质浓度的变化。由式(2)可知：

c=kI0/IF

(3)

式中：IF是测量得到的量；k是常数，可以用实验的方法测定;I0可以人为设定。

2 系统设计

2．1 系统组成

如图1所示，将激光器的频率三倍频得到波长为355 nm的激发光源，频率取10 Hz，脉宽4 ns，单次脉冲输出能量在4～90 mJ之间。滤光片轮是由几个不同波长的干涉滤光片安装在圆形转盘上组成的，控制电路控制步进电机带动滤光片轮的顺序转动，从而得到相应波长的光强信号送PMT转换。滤光片轮转动分2次循环采集405 nm和450 nm波长处的光强[4]，进入PMT转换为电信号，再经前置放大，采样后送至ARM处理器，经过特定的算法处理后便得到水中的杂质信息，并在TFT屏中显示结果。

图1 系统结构

数据采集系统控制激光器的开启、预燃、输出光脉冲；处理器控制步进电机驱动器，带动步进电机转动滤光片轮，分时采集405 mm处拉曼散射信号和450 nm处的荧光特征峰值信号[2]。PMT增益调整由ARM控制电路对PMT高压实现自动调整。整个系统的结构框如图1所示。

鉴于煤矿井下的特殊环境，系统的高压控制电路等大部分电路需要放在隔爆箱内工作。

2．2 探测器的选择

根据系统的结构，可以看出该系统最重要的单元是光电转换器件，比如CCD，PMT，光电二极管等。因PMT具有内部增益并且经济，所以该系统的探测器选用光电倍增管(R928型)，并选用C1053型带门控的PMT管座。系统运行时，PMT处于常闭状态，仅在需接收信号时通过门控信号将PMT打开，接收荧光信号[2]。这种设计可以将PMT的灵敏度提高1 000倍，并且避免了背景杂散光的干扰，还可减少PMT的前历效应[5]。

3 系统部分硬件设计

3．1 电源，复位及时钟电路

电源由井下的本安电源供给，将12 V电压转换成3.3 V给系统供电，如图2所示。低电平复位；采用两个晶振，分别为CPU和外设提供时钟，外部12 MHz的时钟经内部锁相环倍频后可以达到100 MHz．复位和时钟电路如图3所示。

图2 给ARM供电的电源电路

图3 复位和时钟电路

光电倍增管的输出是很微弱的电流信号，然而对微弱信号的采集的和放大是很难的，文中设计了专门给光电倍增管使用的微弱信号检测放大电路如图4所示。

图4 微弱信号检测电路

该电路中的运放采用具有极低的噪声。电路中的三极管和它的外围电路组成恒流源为前级差分运放提供偏置电流。

3．2 采样电路

LPC1752内部集成了12位ADC，但在精度要求很高的场合其位数仍不够，所以该设计外接A/D模块。采用24位ADC-CS5532，该芯片在字输出率30 SPS时，最高可以达到22位的无噪声分辨率，可以满足该系统所需的精度。并且CS5532内部集成了补偿电路，在实际采样时用来消除ADC系统的误差。采样电路如图5。

图5 A/D采样电路

4 系统软件部分设计

软件主要包括系统复位初始化模块、转换控制模块、数据处理程序以及脉冲发生电路控制程序，LCD显示程序等。系统主程序的软件流程见图6。

图6 系统软件流程

5 测试结果

仿真实验只是对水中只有一种杂质的情况进行，该次实验采用的是NaCl作为溶质进行测试，首先，利用NaCl配置成不同浓度的一组水样，用该水质监测系统测得一组数据，先扣除背景光，再将实验结果归一化后得到归一化荧光强度和实际NaCl浓度的线性拟和如图7所示，最小二乘法拟合后的相关系数[6]充分说明，该系统的线性度很高。

图7 不同浓度实验结果

其次，对3 mg/L的NaCl做多次测量，检验传感器的重复性，得到的结果如图8所示。从结果可以看出，该设计的重复性还是很好的，误差控制在5%以内。

图8 同一浓度多次测量结果

6 结束语

文中完成了基于ARM的LIF突水预测系统的研制。并在实验室以NaCl为溶质进行了简单的测试，实验结果充分证明系统的可行性和可靠性。

参考文献：

[1] NICCOLAIF，BAZZANIM，CECCHIG．A study for theremote monitoriflg of organic in the ocean ．SPIE，1999，3868：567-575．

[2] 丁志群，张玉钧，李宏斌，等． 激光诱导荧光水质监测系统的研制．光学仪器，2009(4)：79-83．

[3] 丁志群，刘文清，张玉钧，等．污染水体中DOM的浓度与激光诱导荧光强度的相关性．光子学报，2006，35(2)：217-219．

[4] 李宏斌，刘文清，张玉钧，等．基于径向基函数网络的激光诱导荧光特征光谱分离算法 ．物理学报，2005，54(9)：4451-4456．

[5] 阎吉祥，周诗未，李家泽，等．背景光对荧光探测的影响及其扣除．高技术通讯，2000，10(4)：38-40．

[6] 赵南京，刘建国，周孟然，等．不同水体中溶解有机物的荧光光谱特性研究．光谱学与光谱分析，2005．25(7)：1077-1079