突水預(yù)測(cè)問題的LIF解決方案

孫韜王球

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

1 基本原理介紹

LIF其基本原理是檢測(cè)測(cè)礦山井下水質(zhì)的變化來判斷外界是否有大量的水要進(jìn)入開采區(qū)[4-5]。檢測(cè)的基本原理是用激光射到待測(cè)水體上，誘導(dǎo)水體中的粒子受激，從而發(fā)出熒光。檢測(cè)原理如下：

激光照射水體后散射的的光通過一組可選擇不同波長的熒光濾光片，分別測(cè)量，進(jìn)而得到各種波長的熒光強(qiáng)度，也就是所謂的熒光光譜。

粒子的熒光光譜好比人類的指紋，具有絕對(duì)的唯一性[6,7]，根據(jù)朗伯-比爾定律以及相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到公式（1）和公式（2）:

式中Fλ表示波長是λ的熒光強(qiáng)度，IA為激發(fā)態(tài)的初始分布，ΦF為量子產(chǎn)率，F(xiàn)λ為各個(gè)方向熒光強(qiáng)度的總和，而儀器只測(cè)量其中的一小部分，所以Fλ=IAΦFZ，Z是儀器因子。I0為入射光強(qiáng)度,C為樣品分子的濃度，l為光程，λA為射到待測(cè)水體激發(fā)光的波長，ε（λA）為激發(fā)波長λA處消光系數(shù)。

從上兩式可以看出如果激發(fā)光強(qiáng)保持不變,且中ΦF和Z與激發(fā)波長無關(guān),則）。

再根據(jù)相關(guān)光學(xué)理論知識(shí)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)化簡可以得到廣電倍增管的輸出電壓V：

a為儀器常數(shù),I0為入射光強(qiáng),l為光徑,c為待測(cè)溶液濃度rt，sd，θ依次表示每個(gè)熒光點(diǎn)光源到PMT的距離,PMT的接收面積,熒光同PMT光接收窗的夾角。

通過（3）式和（4）式可以看出,當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)部件固定之后,影響光電倍增管輸出的主要因素是熒光點(diǎn)光源同PMT位置關(guān)系的變化,還有發(fā)光有機(jī)體的大小；在本系統(tǒng)中這些量都是固定不變的，都可以通過人員預(yù)設(shè)或者實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法將這些參數(shù)的值確定下來。如此便可得到PMT輸出電壓和溶質(zhì)濃度c的函數(shù)關(guān)系。

所以只要通過濾光鏡將不需要的波長的光去掉，只檢測(cè)某單一波長的光即可得知其對(duì)應(yīng)物種的濃度。檢測(cè)這些熒光的波長便可以知道水中含有哪些粒子，檢測(cè)某一波長熒光的強(qiáng)度便可以得出對(duì)應(yīng)的粒子濃度。光強(qiáng)和濃度成正比，波長和粒子間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以查表獲得。如果短時(shí)間內(nèi)井下的水質(zhì)發(fā)生了巨大變化，則說明有突水的危險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)LIF水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理如下：通過光電倍增管采集水體發(fā)出的熒光信號(hào)，由stm32控制光電倍增管的負(fù)高壓，改變放大倍數(shù)，同時(shí)控制電機(jī)帶動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇不同波長的熒光。熒光的強(qiáng)度通過信號(hào)調(diào)理電路，送到stm32的ADC輸入引腳轉(zhuǎn)換，將這些熒光的波長和強(qiáng)度信息通過CAN總線傳輸?shù)降孛嬷行挠?jì)算機(jī)進(jìn)行處理，本系統(tǒng)運(yùn)行在uc/osii硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，保證了可靠性和安全性。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)還應(yīng)該包括電源和時(shí)鐘部分，電源將采用本安電源來供給，且系統(tǒng)將工作在防爆箱內(nèi)。

CAN總線協(xié)議是一個(gè)十分復(fù)雜的協(xié)議[8,9]，但是使用的stm32處理器本身自帶了CAN控制塊，使得硬件連接卻很簡單。Stm32處理器內(nèi)部自帶CAN控制器，CAN收發(fā)器采用TJA1050芯片。TJA1050芯片具有很好的電磁兼容性；并且在不上電時(shí)呈現(xiàn)出無源特性；而且能夠和其他部分CAN收發(fā)器完全兼容，如需更換直接更換芯片即可，無需重做PCB板[11]。同底層一樣，PC機(jī)端也使用了一片TJA1050芯片作為CAN收發(fā)器，共同完成數(shù)據(jù)的交互[10]。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載和調(diào)研實(shí)踐，Ca2+，K+，Na+，HCO-3，Cl-，SO2-4可以作為突水預(yù)測(cè)的重點(diǎn)檢測(cè)粒子[8]，當(dāng)這些粒子的濃度發(fā)生了巨大變化，就意味著有突水的危險(xiǎn)。

由于系統(tǒng)目前尚在研制階段，沒有進(jìn)項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)合上述的重點(diǎn)檢測(cè)粒子，在實(shí)驗(yàn)室采用了不同濃度的NaCl溶液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。首先對(duì)不同濃度的NaCl溶液分別測(cè)試取0～2g/L的溶液，步進(jìn)0.5g/L，進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，將得到的濃度和實(shí)際濃度進(jìn)行比較，將二者放在同一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值之間存在著一定的誤差；同時(shí)對(duì)同一濃度的溶液多了多次的重復(fù)測(cè)量，計(jì)算后，將得到的數(shù)據(jù)處理，得到結(jié)果與不同濃度的NaCl得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論類似。

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果接近實(shí)際值，總體來說略高于實(shí)際值，可能是受背景光的干擾，也可能是實(shí)驗(yàn)室的純凈水里本身就帶有少量的Na+，但是系統(tǒng)的誤差基本控制在了5%以內(nèi)，精度比較高。

4 結(jié)論

經(jīng)過測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正常工作，并且可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量出待測(cè)溶液的濃度。

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