CN104360018B - 一种可以指示气味源方向的便携式气体探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以指示气味源方向的便携式气体探测装置，其核心传感器部件分为上层部分和下层部分，在上层部分对称分布有用于放置气体传感器的至少3个空心桶，相邻的两个空心桶之间设置有立板(25)，立板(25)向下伸展，在每个立板(25)的向下伸展部分的两侧分别固定有气体挡板(11，12)，由各个立板(25)以及位于底部的底板(26)围成的空间被称为中空气室(16)，在每个空心桶内放置一个相同的头部向下的气体传感器，空心桶的上部是密封的。本发明同时提供一种利用上述的气体探测装置实现的气味源方向指示方法。本发明不仅能够提供被检测点气体浓度信息，而且能够提供气体来源方向的信息。

Description

一种可以指示气味源方向的便携式气体探测装置及方法

所属技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别是能进行气味源方向的判定和指示。

背景技术

有毒有害气体泄漏会带来巨大的危害，历史上在国内外出现过多次大型有毒有害气体泄漏事故，造成了严重的影响，因此气味源检测，特别是有毒、可燃气体的泄漏源检测在环境监测、大型工厂仓库保安、有毒有害气体泄漏检测、火源检测等方面有着重要意义。

目前市面上的手持可燃/有毒气体探测仪均是基于简单的浓度检测，在显示屏上用数字的方式显示当前位置的浓度信息{专利CN200810059559.6}，使用者可能需要经过多次试探才能找到气味源的大致方向。总体而言寻找气味源的效率比较低。

气味源检测的另一个主要的研究方向是利用机器人进行主动嗅觉查找{孟庆浩,and李飞."主动嗅觉研究现状."机器人28.1(2006):89-96.}。但是一般的移动机器人的体积硕大，移动速度较慢，而且对所处环境的要求较高，在面对复杂的环境和地形时，为了避障，其行进的效率会大大降低。基于上述诸多限制，使得目前的移动机器人主动嗅觉在实际生产生活中的应用范围大大受限。

Ishida提出了一种气味罗盘来指示气味源方向{Ishida,Hiroshi,TakamichiNakamoto,andToyosakaMoriizumi."Studyofodorcompass."MultisensorFusionandIntegrationforIntelligentSystems,1996.IEEE/SICE/RSJInternationalConferenceon.IEEE,1996.}，该气味罗盘使用风扇和旋转的挡板来判断气味源的方向，该气味罗盘使用了旋转部件和较多的机械部件，难以做到小型化，同时也存在易老化易损坏的问题。

主动嗅觉算法中往往需要风向信息，传统做法是使用风向仪。目前市面上使用较多的风向仪有超声波风速风向仪和机械式风向标等。超声波风速风向仪的精度较高，而且无移动部件，但是价格较昂贵，而且体积和重量都比较大，不适宜用在手持设备上。机械式风向标的成本相对较低廉，但是由于其存在旋转机械部件，长期使用时会存在老化、灵敏度降低的问题。

发明内容

本发明提供了一种便携式气味源方向指示装置。本发明设计了一种将多个气体传感器连通的气室，通过综合多个气体传感器测得的浓度信息估计出气味源方向，避免了传统气味罗盘中的机械旋转操作。本发明必须在有风环境中使用。本发明的技术方案如下：

一种可以指示气味源方向的便携式气体探测装置，包括核心传感部件和处理器，所述的核心传感器部件分为上层部分和下层部分，在上层部分对称分布有用于放置气体传感器的至少3个空心桶(1，2，3)，相邻的两个空心桶之间设置有立板(25)，立板(25)向下伸展，在每个立板(25)的向下伸展部分的两侧分别固定有气体挡板(11，12)，由各个立板(25)以及位于底部的底板(26)围成的空间被称为中空气室(16)，在每个空心桶内放置一个相同的头部向下的气体传感器，空心桶(1，2，3)的上部是密封的；由相对的两个气体挡板(7，12)和中空气室(16)形成一个导气道；各个气体传感器采集的气体浓度信息被送入处理器。

所述探测装置最好还包括惯性测量单元IMU和电子罗盘；惯性测量单元IMU和电子罗盘采集的信息被送入处理器。

本发明同时提供一种利用上述的气体探测装置实现的气味源方向指示方法：将所述的该核心传感部件水平放置放置，利用各个气体传感器采集气体，若判断某个气体传感器气体浓度首先升高，设该气体传感器为第一气体传感器，再根据同一时刻其他气体传感器采集的气体浓度的高低，判断气味源的方向：若之后的同一时刻，其他气体传感器中仅有一个气体传感器采集到气体，设此气体传感器为第二气体传感器，判定气味源的方向为从第二气体传感器的方位到第一气体传感器的方位；若之后的同一时刻，其他气体传感器中有多个气体传感器采集到气体，根据所采集的气体浓度排序这些气体传感器，并设中间浓度的气体传感器方位为第二气体传感器方位，并判定气味源的方向为从第二气体传感器的方位到第一气体传感器的方位。

相对于传统的可燃/有毒气体探测仪来说，本发明具有以下有益效果及优点：本发明不仅能够提供被检测点气体浓度信息，而且能够提供气体来源方向的信息，使人可以更快地找到气味源；本发明相对传统的基于机器人的主动嗅觉装置，大大减小了重量和体积，其便携性使得它更加适用于进行现场测试。

附图说明

图1为本发明的核心传感部件的空间结构示意图。

图2为本发明的核心传感部件的导气道示意图。

图3为本发明的核心传感部件的横切面示意图。

图4为本发明的一种实施方案的整体结构示意图。

图5为本发明的测量和处理电路的系统框图。

图6为使用本发明在某个地点进行单次检测的算法流程图。

具体实施方式

本发明的核心传感部件由多个气体传感器和拥有特殊结构的导气通道组成。气体传感器需要为相同型号，实际中根据待检测气体进行选型。该导气通道由一个正多边形的中空气室和挡板组成，在气室的每个顶点处有开口，在开口内放置一个气体传感器，气体传感器的顶部与气室内壁处于同一平面内，以此保证气体的流通不受阻挡。挡板位于气室开口的外侧，以限制气体进入时的流向。当一个气味包穿过该核心传感部件时，该部件可以检测到气体的流向和气味包的浓度大小、持续时间等信息。

本发明基于气味包的思想来探测气体，即认为流动的气体是由一组相对独立的气味包组成。且核心传感部件的体积和气体传感器的距离很小，认为气味包在气室中的流动方向几乎不变。核心传感部件不断地检测气体浓度，通过浓度的变化来判断是否有气味包从中流过，每当气体浓度的上升幅度达到一定阈值即判定为一个气味包。每流过一个气味包，核心传感部件都可以记录下该气味包的浓度、持续时间、方向等信息。若判断某个气体传感器气体浓度首先升高，设该气体传感器为第一气体传感器，再根据同一时刻其他气体传感器采集的气体浓度的高低，判断气味源的方向：若同一时刻其他气体传感器中仅有一个气体传感器采集到气体，设此气体传感器为第二气体传感器，则判定气味源的方向为从第二气体传感器的方位到第一气体传感器的方位；若同一时刻其他气体传感器中有多个气体传感器采集到气体，根据气体浓度排序这些传感器，并设中间浓度的气体传感器方位为第二气体传感器方位(若为偶数个气体传感器，则取中间两气体传感器位置的中点)，则判定气味源的方向为从第二气体传感器的方位到第一气体传感器的方位。进行一次有效检测的步骤是：

[1]气味包与核心传感部件上的某一个传感器发生接触，并开始进入气室。记录下该传感器接触到气味包的时间和气体浓度；

[2]气味包流经气室；

[3]气味包与另外的传感器中的某些传感器发生接触。记录下这些气体传感器接触到气味包的时间和气体浓度；

[4]首个接触到气味包的传感器可以大致代表气味的来源方向，因此首先可以将气味来源方向大致确定在该传感器对应的方向；

[5]将每个传感器对应的方向等分成若干个子方向，通过比较其他传感器检测到气味包的相对大小，进一步将气味方向确定在某个子方向上。方向估计的精度与传感器个数有关，个数越多精度越高。

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

本发明涉及的核心传感部件由三个气体传感器和导气通道组成(一般视图参见图1，俯视图参见图2)。

该核心传感部件由上下两层组成，上层主要包括三个空心桶状结构，用于放置气体传感器。下层主要包括中空气室和三对挡板。图中部件1、2、3为气体传感器放置处，部件16为中空气室，部件13、14、15为气室的三个开口，传感器放置的方向是头部朝下，以便与导气道中流过的气味包进行充分接触。同时传感器放置处1、2、3部分的高度经过计算，使得传感器头部与气室16的顶部齐平，使气体流动不受传感器的扰动。部件4、5、6为螺丝孔固定架，用螺丝将该部件整体固定在PCB电路板上。部件7～12为气体挡板，其中部件7和部件12限制了从开口13流入导气道的气体的流向，部件8和部件9限制了开口14的气流流入方向，部件10和部件11限制了开口15的气流流入方向。以上3组挡板将气体的流入方向各自限制在了120度范围内。为了使气体传感器与来自不同方向的气体均能充分接触，传感器的头部被放置在13、14、15三个开口的中部。三个传感器呈等边三角形布局，任意两个传感器中心点之间的距离是15mm。由于传感器距离很小，近似认为气体经过这些传感器时的方向恒定。

正常使用时，该核心传感部件呈水平放置，气体水平地从导气道流过。假设气体从开口13流入(参见图2)，那么气体将首先与传感器1接触，然后流经中空气室16，最后从开口14和开口15流出并与传感器2或传感器3接触。当气流方向不同时，气体从开口14和开口15流出的量会有所不同，继而导致两个传感器检测到气体浓度不同。本发明正是基于此来估计气味源的方向。

具体来说，进行一次气味源方向估计的方法是：

首先，根据首个接触到气味包的传感器将气味来源方向确定在120度的范围内。

其次，将120度的范围划分为4个30度的区域，以其中一个方向为例，如图3中标号21～24所示。

当气体沿21或24方向进入气室时，只有沿着该方向上的传感器能检测到气体。当气体从22或23方向进入时，另外两个传感器都能检测到气体流出，可以根据二者测得的气味包浓度相对大小判断气味包来源方向，即若图3中上侧气味包浓度大于右侧时，则判定气体是从23方向进入的，反之是从22方向进入的。方向估计的精度为30度。

本发明的整体结构和布局如图4所示(俯视图)。

其中部件17为上述核心传感部件，部件18为LCD显示屏，部件19为核心控制板。本发明整体尺寸不超过140mm×80mm×40mm，以便进行手持检测。使用时手持本发明的后部(图4标号20所示处)，尽量保持装置水平并保持核心传感部件的气道开口处不被手或其他物体遮挡。

系统框图参见图5。

处理器接收三个气体传感器的数据和IMU模块以及电子罗盘的数据，综合处理后在LCD屏上以图形化方式显示出来。本发明使用的气体传感器是mics-5521(实际使用时可更换为其他对待检测气体敏感的传感器)，该传感器的阻值与其敏感气体的浓度成负相关，经过一些外围电路后，得到一个电压值作为输出量。该电压值也与其敏感气体的浓度成负相关，即空气中敏感气体的浓度越高，输出电压越低。本发明中三个气体传感器的输出电压直接连接到处理器的三个ADC接口上。

接下来将详细阐述气味检测和估计气味源方向的过程。本发明在进行检测时需保持静止，在一个位置检测完毕后移动到下一个位置，然后保持静止继续检测。即完整的检测过程包括静止和行进两种模式，且这两种模式不断交替循环进行。

1、气味包的判定

由于本发明是基于气味包进行气味源判断的，因此先介绍气味包的识别和判定步骤：

[1]对气体传感器的电压值进行预处理。包括两步，首先进行低通滤波，将大的波动变成较小的波动，然后进行模糊化处理，将数据的分辨率降低，进一步剔除噪声干扰。模糊化的具体代码是

voltage＝voltage/FUZZY*FUZZY+(FUZZY/2)；

其中voltage是保存传感器电压值的整型变量，对12位ADC来说voltage的取值范围为0到4095。FUZZY是宏定义常数80。

[2]找出气味包。一旦上述处理后的电压值下降，即作为一个气味包的开始。而一旦电压值上升，或持续50个周期电压仍保持不变，则作为一个气味包的结束。

[3]计算气味包浓度大小。气味包浓度大小定义为该气味包的起点电压(即最大电压)与终点电压(即最小电压)之差。

2、静止模式

在一个地点进行静止检测时，若设备处于气味烟羽中，核心传感部件将会检测到气味包信息，当有两个或三个传感器检测到气味包，并且满足以下“同包条件”：

[1]这些传感器检测到气味包的起始时间的间隔小于50ms；

[2]有至少两个传感器检测到的气味包大小都大于80；

则判定这些传感器是对同一个气味包做出了响应，继而可以根据前述方法给出一个气味源方向的估计。

若超过10秒之后仍没有检测到气味包，认为设备没有处在气味烟羽中，此时会根据历史信息给出一个前进方向，前进方向的计算方法是将最近若干个测量地点的方向估计值取加权平均，考虑到数据存在误差累积，实际上越近的测量点数据的权值越高。若进行的是首次检测，或尚没有足够的历史信息可供参考，则在LCD屏上提示用户根据经验自主选择另一个检测地点。

通过一次气味包估计气味源方向具有较大的偶然性，因此在一次静止模式中应当在检测出一定数量阈值N的气味包，并将这些信息进行融合后方可给出较为可靠的气味源方向估计。但若实际检测时间超出了一次静止模式的时间，即10秒，那么即便此时已检测到的气味包数量不足，也应当终止本次静止检测。另一方面，为了提高检测效率，若实际在一次静止模式中的前n次(2<n<N)检测并估计的气味源方向都相同，表明气味源方向估计已经比较可靠，故可提前结束本次静止检测。

以上论述可总结为静止检测的“结束条件”：

[1]本次静止检测的时间达到了10秒；

[2]本次静止检测到的气味包数量达到了数量阈值N；

[3]本次静止检测前n次(2<n<N)方向估计相同。

上述n和N需经过实验确定，测试方法是在不同风速环境中读取核心传感器件的数据，取其在多数情况下10秒之内能检测到气味包的个数作为N，n可根据经验取N-3。

当完成一次静止检测时，若得到了多个方向估计值，则将这些方向估计值取平均作为本次静止检测的最终方向估计。将最终方向估计显示在LCD屏上，同时也保存下来以备后用。另外为辅助使用者进行自主判断，LCD屏上同时会在静止模式中实时显示该地点的气体浓度信息，其数值为3个气体传感器浓度的平均值。

需要说明的是，在静止检测模式中，需要保持本设备为“可接受的”静止状态，即各方向的加速度和角速度均不超过一定阈值，以免由于自身移动产生气流，进而对检测的准确性产生不好的影响。设备在每次算法执行周期都会检测IMU模块的状态，一旦发现设备的移动速度超过了可接受的范围，则暂停静止检测，并在LCD屏幕上提示用户保持静止。当用户恢复静止后，也要延时一定的时间，等待由设备移动对周围气流产生的影响减小或消除后再继续检测。

具体的程序执行过程请参考流程图6。

Claims (3)

1.一种可以指示气味源方向的便携式气体探测装置，包括核心传感部件和处理器，所述的核心传感部件分为上层部分和下层部分，在上层部分对称分布有用于放置气体传感器的至少3个空心桶(1，2，3)，相邻的两个空心桶之间设置有立板(25)，立板(25)向下伸展，在每个立板(25)的向下伸展部分的两侧分别固定有气体挡板(11，12)，由各个立板(25)以及位于底部的底板(26)围成的空间被称为中空气室(16)，在每个空心桶内放置一个相同的头部向下的气体传感器，空心桶(1，2，3)的上部是密封的；由相对的两个气体挡板(7，12)和中空气室(16)形成一个导气道，各个气体传感器采集的气体浓度信息被送入处理器。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括惯性测量单元IMU和电子罗盘；惯性测量单元IMU和电子罗盘采集的信息被送入处理器。

3.利用权利要求1所述的气体探测装置实现的气味源方向指示方法，其特征在于，将所述的该核心传感部件水平放置，利用各个气体传感器采集气体，若判断某个气体传感器气体浓度首先升高，设该气体传感器为第一气体传感器，再根据同一时刻其他气体传感器采集的气体浓度的高低，判断气味源的方向：若之后的同一时刻，其他气体传感器中仅有一个气体传感器采集到气体，设此气体传感器为第二气体传感器，判定气味源的方向为从第二气体传感器的方位到第一气体传感器的方位；若之后的同一时刻，其他气体传感器中有多个气体传感器采集到气体，根据所采集的气体浓度排序这些气体传感器，并设中间浓度的气体传感器方位为第二气体传感器方位，并判定气味源的方向为从第二气体传感器的方位到第一气体传感器的方位。