突水預測問題的LIF解決方案

孫韜王球

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

1 基本原理介紹

LIF其基本原理是檢測測礦山井下水質的變化來判斷外界是否有大量的水要進入開采區[4-5]。檢測的基本原理是用激光射到待測水體上，誘導水體中的粒子受激，從而發出熒光。檢測原理如下：

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，分別測量，進而得到各種波長的熒光強度，也就是所謂的熒光光譜。

粒子的熒光光譜好比人類的指紋，具有絕對的唯一性[6,7]，根據朗伯-比爾定律以及相關的數學推導可以得到公式（1）和公式（2）:

式中Fλ表示波長是λ的熒光強度，IA為激發態的初始分布，ΦF為量子產率，Fλ為各個方向熒光強度的總和，而儀器只測量其中的一小部分，所以Fλ=IAΦFZ，Z是儀器因子。I0為入射光強度,C為樣品分子的濃度，l為光程，λA為射到待測水體激發光的波長，ε（λA）為激發波長λA處消光系數。

從上兩式可以看出如果激發光強保持不變,且中ΦF和Z與激發波長無關,則）。

再根據相關光學理論知識和數學推導化簡可以得到廣電倍增管的輸出電壓V：

a為儀器常數,I0為入射光強,l為光徑,c為待測溶液濃度rt，sd，θ依次表示每個熒光點光源到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,當系統各個部件固定之后,影響光電倍增管輸出的主要因素是熒光點光源同PMT位置關系的變化,還有發光有機體的大小；在本系統中這些量都是固定不變的，都可以通過人員預設或者實驗測量的方法將這些參數的值確定下來。如此便可得到PMT輸出電壓和溶質濃度c的函數關系。

所以只要通過濾光鏡將不需要的波長的光去掉，只檢測某單一波長的光即可得知其對應物種的濃度。檢測這些熒光的波長便可以知道水中含有哪些粒子，檢測某一波長熒光的強度便可以得出對應的粒子濃度。光強和濃度成正比，波長和粒子間的對應關系可以查表獲得。如果短時間內井下的水質發生了巨大變化，則說明有突水的危險。

2 系統硬件設計

整個LIF水質監測系統的原理如下：通過光電倍增管采集水體發出的熒光信號，由stm32控制光電倍增管的負高壓，改變放大倍數，同時控制電機帶動濾光片轉動，選擇不同波長的熒光。熒光的強度通過信號調理電路，送到stm32的ADC輸入引腳轉換，將這些熒光的波長和強度信息通過CAN總線傳輸到地面中心計算機進行處理，本系統運行在uc/osii硬實時操作系統上，保證了可靠性和安全性。實際應用中，系統還應該包括電源和時鐘部分，電源將采用本安電源來供給，且系統將工作在防爆箱內。

CAN總線協議是一個十分復雜的協議[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處理器內部自帶CAN控制器，CAN收發器采用TJA1050芯片。TJA1050芯片具有很好的電磁兼容性；并且在不上電時呈現出無源特性；而且能夠和其他部分CAN收發器完全兼容，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機端也使用了一片TJA1050芯片作為CAN收發器，共同完成數據的交互[10]。

3 測試數據分析

根據相關文獻記載和調研實踐，Ca2+，K+，Na+，HCO-3，Cl-，SO2-4可以作為突水預測的重點檢測粒子[8]，當這些粒子的濃度發生了巨大變化，就意味著有突水的危險。

由于系統目前尚在研制階段，沒有進項現場測試。結合上述的重點檢測粒子，在實驗室采用了不同濃度的NaCl溶液對系統進行測試。首先對不同濃度的NaCl溶液分別測試取0～2g/L的溶液，步進0.5g/L，進行5次實驗，將得到的濃度和實際濃度進行比較，將二者放在同一個坐標系中進行比較，結果發現實測數據與理論值之間存在著一定的誤差；同時對同一濃度的溶液多了多次的重復測量，計算后，將得到的數據處理，得到結果與不同濃度的NaCl得出的實驗結論類似。

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

4 結論

經過測試，測試結果表明系統能夠正常工作，并且可以比較準確的測量出待測溶液的濃度。

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