CN104359861A - 一种光干涉气体检测报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体检测领域，提供一种光干涉气体检测报警装置，包括：迈克尔逊干涉模块、光电转换模块、计数模块和报警模块，其中：迈克尔逊干涉模块包括第一光路和第二光路，第一光路与第二光路能够在检测气室内的气体浓度发生变化时，在成像采集端产生明暗相间的干涉光斑；光电转换模块设置在迈克尔逊干涉模块的成像采集端，用于将迈克尔逊干涉模块产生的干涉光斑转变为电流信号；计数模块连接光电转换模块的输出端，用于根据光电转换模块得到的电流信号，获得中央干涉亮斑的产生数量；报警模块连接计数模块的输出端，用于当计数模块获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，进行报警。本发明能适用于家庭气体检测，节约成本。

Description

一种光干涉气体检测报警装置

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种光干涉气体检测报警装置。

背景技术

甲烷是多种气体燃料的主要成分，气体泄漏、爆炸一直是困扰家庭燃气安全使用的重大难题，因此实时检测甲烷气体浓度对于家庭燃气安全使用以及人身安全有着至关重要的作用。载体催化方法是目前检测甲烷气体有效且经济的方法，也是在国内外测量低浓度的甲烷的使用比较成功和普遍的方法。载体催化方法采用的仪器结构简单，受背景气体和温度变化的影响较小，容易实现自动检测，但缺点是探测元件的使用寿命较短，不能检测高浓度的甲烷气体，并且硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效，导致其抗毒性差。

热导式传感器方法的原理是利用甲烷与空气的热导率之差来实现甲烷气体浓度的测量，优点是热敏元件的工作温度比较低，工作电压也不高，与此同时热导元件和仪器设计的制作比较简单，成本低、量程大，可进行连续的检测，有利于实现自动测量，被测气体不会发生物理和化学变化，读数稳定，元件的寿命长。但是其缺点是测量低浓度甲烷时候的输出信号小，受气温以及背景气体的影响较大。

申请号为CN201220391602.0，公开号为CN202735252U的专利，公开了一种光干涉型甲烷检测仪系统，该专利由光路系统、摄像头、FIFO数据存储区、串口通信、C2000处理器、报警器和PC监控端组成；光路系统连接由摄像头和FIFO数据存储区组成的CMOS图像采集系统，CMOS图像采集系统连接由串口通信、C2000处理器和报警器组成的核心开发板，核心开发板连接PC监控端。但是，此系统由光路系统、摄像头、FIFO数据存储区、串口通信、C2000处理器、报警器和PC监控端组成，体积过于庞大，不适用于家庭使用。并且，光学信息是通过摄像头和FIFO数据存储区组成的CMOS进行采集，价格昂贵，限制了甲烷检测报警仪的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光干涉气体检测报警装置，以适用于家庭气体检测，本发明提出的光干涉气体检测报警装置体积小、精确度高、成本低、集成度高，并且不受气体浓度及背景气体的影响，且抗毒性强。

本发明提供了一种光干涉气体检测报警装置，所述光干涉气体检测报警装置包括：迈克尔逊干涉模块、光电转换模块、计数模块以及报警模块，其中：

所述迈克尔逊干涉模块包括光源、第一光路和第二光路，所述第一光路与所述第二光路能够在检测气室内的气体浓度发生变化时，在成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑；

所述光电转换模块设置在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，用于将所述迈克尔逊干涉模块产生的干涉光斑转变为电流信号；

所述计数模块连接所述光电转换模块的输出端，用于根据所述光电转换模块得到的电流信号，获得中央干涉亮斑的产生数量；

所述报警模块连接所述计数模块的输出端，用于当所述计数模块获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，进行报警。

可选的，所述光干涉气体检测报警装置，还包括：

处理模块连接所述计数模块的输出端，用于根据所述计数模块获得的中央干涉亮斑的产生数量，得到气体的浓度信息；

显示模块连接所述处理模块的输出端，用于对所述处理模块得到的气体的浓度信息进行显示。

可选的，所述光源为稳定性激光。

可选的，所述迈克尔逊干涉模块，包括：光源、检测气室、标准气室、分束器、第一光路、第二光路、第一平面镜、第二平面镜，其中：

所述检测气室通过气孔与外部检测气体相连通，所述检测气室为不透光的黑暗气室；

所述标准气室设置在所述检测气室内部，所述标准气室为内部真空或装有标准气体的密闭气室；

所述分束器与水平面的夹角为45度；

所述第一光路在检测气室中，光束从光源射出经过分束器将光束反射到分束器下方的第一平面镜，光束经第一平面镜的反射穿透分束器，到达所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端；

所述第二光路在检测气室中，光束从光源射出依次穿过分束器和所述第二气室到达第二平面镜，经第二平面镜的反射，再穿过标准气室，经分束器的反射，到达所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端；

当没有气体泄漏时，调整成像采集端的位置，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，产生明暗相间的干涉光斑，干涉光斑的中心为中央干涉亮斑；在检测气室内的气体浓度发生变化时，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑。

可选的，所述迈克尔逊干涉模块，还包括：设置在光源和分束器之间的凸透镜。

可选的，所述光电转换模块包括光敏电阻、放大器和模数转换器，其中：

所述光敏电阻设置在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，用于根据成像采集端的干涉光斑，产生电流信号；

所述放大器，用于将所述光敏电阻产生的电流信号进行放大；

所述模数转换器，用于将所述放大器放大后的电流信号转换为数字信号，并将数字信号发送到计数模块。

可选的，所述计数模块包括单片机。

可选的，所述报警模块包括：555稳态电路、扬声器和LED。

本发明提供的一种光干涉气体检测报警装置，采用迈克尔逊干涉的原理，将标准气室与检测气室进行光程差对比，形成干涉光斑，利用光电转换模块将干涉光斑转变为电流信号，利用计数模块获得中央干涉亮斑的产生数量，从而根据甲烷浓度上升造成光程差变化计数条纹的方式进行报警，因而具有光学测量所共有的准确性优点，并能够通过处理模块与显示模块利用气体浓度与中央干涉亮斑的产生数量对应的函数关系进行气体浓度测量与显示，使气体浓度检测更直观，同时报警模块采用光学与声音报警结合的方式，保证了报警装置的有效性，本申请通过检测干涉光斑的中央亮斑的产生数量或气体浓度作为报警判断的标准，能够解决现有技术的气体检测装置中判断方式复杂的问题。同时，由于本申请利用迈克尔逊干涉模块配合简单的电路即能够实现，装置体积小，适用于家庭，解决了现有的光干涉型甲烷检测仪系统体积过于庞大，不适用于家庭使用的问题，并能够节约成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置中迈克尔逊干涉模块的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置中光电转换模块的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的光干涉气体检测报警装置的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的光干涉气体检测报警装置的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置包括：迈克尔逊干涉模块1、光电转换模块2、计数模块3和报警模块4，其中：

所述迈克尔逊干涉模块1包括光源11、第一光路和第二光路，所述第一光路与所述第二光路能够在检测气室内的气体浓度发生变化时，在成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑；所述光电转换模块2设置在所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端，用于将所述迈克尔逊干涉模块产生的干涉光斑转变为电流信号；所述计数模块3连接所述光电转换模块2的输出端，用于根据所述光电转换模块2得到的电流信号，获得中央干涉亮斑的产生数量；所述报警模块4连接所述计数模块3的输出端，用于当所述计数模块3获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，进行报警。

具体的，所述光源11为稳定性激光。稳定性激光可以由激光器产生。图2为本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置中迈克尔逊干涉模块的结构示意图。如图2所示，所述迈克尔逊干涉模块1，包括：光源11、检测气室12、标准气室13、分束器14、第一光路、第二光路、第一平面镜15、第二平面镜16，其中：所述检测气室12通过气孔与外部检测气体相连通，所述检测气室12为不透光的黑暗气室；所述标准气室13设置在所述检测气室12内部，所述标准气室13为内部真空或装有标准气体的密闭气室；所述分束器14与水平面的夹角为45度；所述第一光路在检测气室12中，光束从光源11射出经过分束器14将光束反射到分束器14下方的第一平面镜15，光束经第一平面镜15的反射穿透分束器14，到达所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端17；所述第二光路在检测气室12中，光束从光源11射出依次穿过分束器14和所述标准气室13到达第二平面镜16，经第二平面镜16的反射，再穿过标准气室13，经分束器14的反射，到达所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端17；当没有气体泄漏时，调整成像采集端的位置，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端17，产生明暗相间的干涉光斑，干涉光斑的中心为中央干涉亮斑；在检测气室内的气体浓度发生变化时，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端17产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑。另外，在所述迈克尔逊干涉模块1中还在光源11和分束器14之间设置凸透镜18，凸透镜18可以起到准直的作用。

所述迈克尔逊干涉模块1的工作原理：从光源11发出的光束，被精制的厚度和折射率均匀的分束器14分成两路，即第一光路和第二光路，这两束光形成的干涉场内产生的是非定域干涉光斑，调节第二平面镜16的位置，使得两束光的光程差为0，使在成像采集端17处为中央干涉亮斑。当空气中有甲烷气体泄漏(即检测气室内的气体浓度发生变化)时，甲烷通过气孔进入检测气室12，检测气室12内折射率改变了m，使两束光的光程差增大δ，设分束器14到第一平面镜15的垂直距离为l，则：δ＝2ml，当成像采集端17为中央干涉暗斑，当成像采集端17为中央干涉亮斑。随着空气中甲烷的浓度逐渐变高，m逐渐变大，则在成像采集端17交替出现明暗相间的干涉光斑。

图3为本发明实施例一提供的光干涉气体检测报警装置中光电转换模块的结构示意图。如图3所示，所述光电转换模块2包括光敏电阻21、放大器22和模数转换器23，其中：所述光敏电阻21设置在所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端17，用于根据成像采集端17的干涉光斑，产生电流信号；所述放大器22，用于将所述光敏电阻21产生的电流信号进行放大；所述模数转换器23，用于将所述放大器22放大后的电流信号转换为数字信号，并将数字信号发送到计数模块3。所述计数模块3包括单片机，即通过单片机获得中央干涉亮斑的产生数量。通过在计数模块3中设置报警极限对应的中央干涉亮斑的产生数量(即数量阈值)，当所述计数模块获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，启动报警模块4进行报警。报警模块4所述报警模块4包括：555稳态电路、扬声器和LED。所述报警模块4的报警方式可以是指示灯与蜂鸣器同时报警。

本实施例提供的光干涉气体检测报警装置，采用迈克尔逊干涉的原理，将标准气室与检测气室进行光程差对比，形成干涉光斑，利用光电转换模块将干涉光斑转变为电流信号，利用计数模块获得中央干涉亮斑的产生数量，从而根据甲烷浓度上升造成光程差变化计数条纹的方式进行报警，因而具有光学测量所共有的准确性优点，同时报警模块采用光学与声音报警结合的方式，保证了报警装置的有效性，本申请通过检测中央干涉亮斑的产生数量作为报警判断的标准，能够解决现有技术的气体检测装置中判断方式复杂的问题。同时，由于本申请利用迈克尔逊干涉模块配合简单的电路即能够实现，装置体积小，适用于家庭，解决了现有的光干涉型甲烷检测仪系统体积过于庞大，不适用于家庭使用的问题，并能够节约成本。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的光干涉气体检测报警装置的结构示意图。如图4所示，本发明实施例二提供的光干涉气体检测报警装置包括：迈克尔逊干涉模块1、光电转换模块2、计数模块3、报警模块4、处理模块5和显示模块6，其中：

所述迈克尔逊干涉模块1包括光源11、第一光路和第二光路，所述第一光路与所述第二光路能够在检测气室内的气体浓度发生变化时，在成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑；所述光电转换模块2设置在所述迈克尔逊干涉模块1的成像采集端，用于将所述迈克尔逊干涉模块产生的干涉光斑转变为电流信号；所述计数模块3连接所述光电转换模块2的输出端，用于根据所述光电转换模块2得到的电流信号，获得中央干涉亮斑的产生数量；所述报警模块4连接所述计数模块3的输出端，用于当所述计数模块3获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，进行报警；处理模块5连接所述计数模块3的输出端，用于根据所述计数模块3获得的中央干涉亮斑的产生数量，得到气体的浓度信息；显示模块6连接所述处理模块5的输出端，用于对所述处理模块5得到的气体的浓度信息进行显示。

在上述方案中，所述光源为稳定性激光。所述迈克尔逊干涉模块，包括：光源、检测气室、标准气室、分束器、第一光路、第二光路、第一平面镜、第二平面镜，其中：所述检测气室通过气孔与外部检测气体相连通，所述检测气室为不透光的黑暗气室；所述标准气室设置在所述检测气室内部，所述标准气室为内部真空或装有标准气体的密闭气室；所述分束器与水平面的夹角为45度；所述第一光路在检测气室中，光束从光源射出经过分束器将光束反射到分束器下方的第一平面镜，光束经第一平面镜的反射穿透分束器，到达所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端；所述第二光路在检测气室中，光束从光源射出依次穿过分束器和所述第二气室到达第二平面镜，经第二平面镜的反射，再穿过标准气室，经分束器的反射，到达所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端；当没有气体泄漏时，调整成像采集端的位置，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，产生明暗相间的干涉光斑，干涉光斑的中心为中央干涉亮斑；在检测气室内的气体浓度发生变化时，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑。所述迈克尔逊干涉模块，还包括：设置在光源和分束器之间的凸透镜。所述光电转换模块包括光敏电阻、放大器和模数转换器，其中：所述光敏电阻设置在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，用于根据成像采集端的干涉光斑，产生电流信号；所述放大器，用于将所述光敏电阻产生的电流信号进行放大；所述模数转换器，用于将所述放大器放大后的电流信号转换为数字信号，并将数字信号发送到计数模块。所述计数模块包括单片机。所述报警模块包括：555稳态电路、扬声器和LED。

在本发明实施例提供的光干涉气体检测报警装置进行配置时，可以通过实验建立的检测气室内气体浓度与中央干涉亮斑的产生数量对应的函数关系，以及报警极限对应的中央干涉亮斑的产生数量(即预设的数量阈值)或气体浓度信息，在计数模块3的单片机内写入相应的程序。可以将报警极限对应的中央干涉亮斑的产生数量或气体浓度信息作为预设的报警模块4的判断阈值。

图5为本发明实施例二提供的光干涉气体检测报警装置的工作流程图。如图5所示，在本发明实施例提供的光干涉气体检测报警装置工作时，打开装置的开关，光干涉气体检测报警装置检测当前的检测气室中气体浓度是否高于预设的浓度阈值，如果是则控制报警模块进行报警，如果否则控制计数模块3清零，并开始检测空气中浓度的变化是否高于预设的浓度阈值，如果未高于最高预设的浓度阈值，则继续进行检查，如果高于最高预设的浓度阈值，则控制报警模块进行报警。具体的，当空气中有甲烷气体泄漏时，甲烷通过气孔进入检测气室，所述迈克尔逊干涉模块1在成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，通过光电转换模块2将所述迈克尔逊干涉模块产生的干涉光斑转变为电流信号，通过计数模块3获得中央干涉亮斑的产生数量，处理模块5根据所述计数模块3获得的中央干涉亮斑的产生数量，得到气体的浓度信息，并通过显示模块6对所述处理模块5得到的气体的浓度信息进行显示，另外，当所述计数模块3获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，通过所述报警模块4进行报警。由于气体浓度与中央干涉亮斑的产生数量具有对应的函数关系，也可以在当气体浓度大于预设的浓度阈值时，通过所述报警模块4进行报警。

本实施例提供的光干涉气体检测报警装置，采用迈克尔逊干涉的原理，将标准气室与检测气室进行光程差对比，形成干涉光斑，利用光电转换模块将干涉光斑转变为电流信号，利用计数模块获得中央干涉亮斑的产生数量，从而根据甲烷浓度上升造成光程差变化计数条纹的方式进行报警，因而具有光学测量所共有的准确性优点，并能够通过处理模块与显示模块利用气体浓度与中央干涉亮斑的产生数量对应的函数关系进行气体浓度测量与显示，使气体浓度检测更直观，同时报警模块采用光学与声音报警结合的方式，保证了报警装置的有效性。本申请通过检测中央干涉亮斑的产生数量或气体浓度作为报警判断的标准，能够解决现有技术的气体检测装置中判断方式复杂的问题。同时，由于本申请利用迈克尔逊干涉模块配合简单的电路即能够实现，装置体积小，适用于家庭，解决了现有的光干涉型甲烷检测仪系统体积过于庞大，不适用于家庭使用的问题，并能够节约成本。

本发明不仅仅可以用于甲烷气体的浓度检测及检测报警领域，也可以应用于其他有害气体的检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种光干涉气体检测报警装置，其特征在于，所述光干涉气体检测报警装置包括：迈克尔逊干涉模块、光电转换模块、计数模块以及报警模块，其中：

所述迈克尔逊干涉模块包括光源、第一光路和第二光路，所述第一光路与所述第二光路能够在检测气室内的气体浓度发生变化时，在成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑；

所述光电转换模块设置在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，用于将所述迈克尔逊干涉模块产生的干涉光斑转变为电流信号；

所述计数模块连接所述光电转换模块的输出端，用于根据所述光电转换模块得到的电流信号，获得中央干涉亮斑的产生数量；

所述报警模块连接所述计数模块的输出端，用于当所述计数模块获得的中央干涉亮斑的产生数量大于预设的数量阈值时，进行报警。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光干涉气体检测报警装置，还包括：

处理模块连接所述计数模块的输出端，用于根据所述计数模块获得的中央干涉亮斑的产生数量，得到气体的浓度信息；

显示模块连接所述处理模块的输出端，用于对所述处理模块得到的气体的浓度信息进行显示。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源为稳定性激光。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉模块，包括：光源、检测气室、标准气室、分束器、第一光路、第二光路、第一平面镜、第二平面镜，其中：

所述检测气室通过气孔与外部检测气体相连通，所述检测气室为不透光的黑暗气室；

所述标准气室设置在所述检测气室内部，所述标准气室为内部真空或装有标准气体的密闭气室；

所述分束器与水平面的夹角为45度；

所述第一光路在检测气室中，光束从光源射出经过分束器将光束反射到分束器下方的第一平面镜，光束经第一平面镜的反射穿透分束器，到达所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端；

所述第二光路在检测气室中，光束从光源射出依次穿过分束器和所述第二气室到达第二平面镜，经第二平面镜的反射，再穿过标准气室，经分束器的反射，到达所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端；

当没有气体泄漏时，调整成像采集端的位置，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，产生明暗相间的干涉光斑，干涉光斑的中心为中央干涉亮斑；在检测气室内的气体浓度发生变化时，所述第一光路和所述第二光路在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端产生明暗相间的干涉光斑，所述干涉光斑中心交替产生中央干涉亮斑和中央干涉暗斑。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉模块，还包括：设置在光源和分束器之间的凸透镜。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光电转换模块包括光敏电阻、放大器和模数转换器，其中：

所述光敏电阻设置在所述迈克尔逊干涉模块的成像采集端，用于根据成像采集端的干涉光斑，产生电流信号；

所述放大器，用于将所述光敏电阻产生的电流信号进行放大；

所述模数转换器，用于将所述放大器放大后的电流信号转换为数字信号，并将数字信号发送到计数模块。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述计数模块包括单片机。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述报警模块包括：555稳态电路、扬声器和LED。