CN105334187A - 气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体检测系统。该系统包括地面系统和飞行系统，地面系统包括激光发射装置、光电探测器和数据处理装置；飞行系统包括飞行装置及设置于飞行装置的光路转换装置；光路转换装置用于接收激光发射装置发射的激光并转向至被检测区域；光路转换装置还用于接收被检测区域反射回的激光并转向至光电探测器；光电探测器用于接收反射回的激光并转换成反射激光参数电信号；数据处理装置用于接收反射激光参数电信号和发射激光参数电信号并进行分析确定被检测区域的气体成分和/或含量。本发明将较重的激光发射装置和数据处理装置设置在地面上，而将重量较轻的光路转换装置通过飞行装置携带到空中，从而减轻飞行模块总体重量，增加续航能力。

Description

气体检测系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体而言，涉及一种气体检测系统。

背景技术

随着经济的发展，燃气在工业、民用上的应用也越来越广泛，燃气作为一种能源，燃气管道的泄漏不仅会造成经济损失，而且也可能引起人身伤害，因此，燃气检测作为预防措施显得尤为重要。目前，常用的检测方法是通过燃气检测仪，但由于燃气检测仪的检测效率低、速度慢，难以满足实际应用的需要，尤其是对于一些特殊的应用场所，例如，化工领域的架空管路、高层建筑燃气管路等置于空中的管路更是难以检测。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种气体检测系统，旨在解决现有技术中对置于空中的管路泄漏难以检测的问题。

一个方面，本发明提出了一种气体检测系统，该系统包括：地面系统和飞行系统；其中，所述地面系统包括激光发射装置、光电探测器和数据处理装置；所述飞行系统包括飞行装置及设置于所述飞行装置的光路转换装置；所述激光发射装置用于发射激光；所述光路转换装置用于接收所述激光发射装置发射的激光并转向至被检测区域；所述光路转换装置还用于接收所述被检测区域反射回的激光并转向至光电探测器；所述光电探测器用于接收所述光路转换装置反射回的激光并转换成反射激光参数电信号；所述数据处理装置与所述光电探测器相连接，用于接收所述反射激光参数电信号；所述数据处理装置还与所述激光发射装置相连接，用于接收发射激光参数电信号，并根据所述发射激光参数电信号和所述反射激光参数电信号确定被检测区域的气体成分和/或含量。

进一步地，上述气体检测系统中，所述光路转换装置包括：第一光学装置，用于接收所述激光发射装置发射的激光，以及将所接收的激光转向至被检测区域；第二光学装置，用于接收所述被检测区域反射回的激光，以及将所接收的反射回的激光转向至光电探测器。

进一步地，上述气体检测系统中，所述激光发射装置发射的激光通过空气或光纤传播至所述光路转换装置。

进一步地，上述气体检测系统中，所述光路转换装置接收的所述被检测区域反射回的激光通过空气或光纤传播至光电探测器。

进一步地，上述气体检测系统还包括：地面车载，所述激光发射装置、光电探测器和数据处理装置设置于所述地面车载。

进一步地，上述气体检测系统还包括：第一定位系统，用于确定所述飞行装置置于所述地面系统上方的预设范围内，以使所述光路转换装置接收所述激光发射装置发射的激光。

进一步地，上述气体检测系统中，所述第一定位系统包括：激光器，设置于所述地面系统，用于向所述飞行装置发射激光；感光板，设置于所述飞行装置的底部，用于接收所述发光装置发射的激光，并返回感光电信号；接收装置，设置于地面系统，用于接收返回的所述感光电信号并根据返回的所述感光电信号确定所述飞行装置是否处于所述地面系统上方的预设范围内。

进一步地，上述气体检测系统中，所述第一定位系统包括：第一GPS系统、第二GPS系统和控制装置；其中，所述第一GPS系统设置于地面系统，用于定位地面系统的位置；所述第二GPS系统设置于飞行系统，用于定位飞行系统的位置；控制装置，与所述第一GPS系统和所述第二GPS系统电连接，用于接收所述地面系统和所述飞行系统的位置，以及控制所述飞行系统以使所述飞行系统置于所述地面系统上方的预设范围内。

进一步地，上述气体检测系统还包括：第二定位系统，设置于所述飞行装置，用于保证所述飞行装置与被检测区域之间的距离在预设距离范围内。

进一步地，上述气体检测系统中，所述第二定位系统还用于在反射距离小于预设距离时发出检测异常报警信号；所述反射距离为所述光路转换装置与被检测区域内的激光反射点之间的距离中的距离。

本发明提供的气体检测系统通过激光发射装置发射的激光对被检测区域的气体进行检测，并且该气体检测系统分为地面系统和飞行系统两部分，地面系统中的激光发射装置发射激光，飞行系统中的飞行装置将光路转换装置携带入空中，通过光路转换装置对激光进行变向使该激光照射入空中的被检测区域，可以看出，与现有技术相比，本发明可以比较方便地对空中管路的气体泄漏情况进行检测，以便及时了解空中管路的泄漏情况；此外，由于本发明将重量较重的激光发射装置和数据处理装置设置在地面上，而只是将重量较轻的光路转换装置通过飞行装置携带到空中，通过该方法将核心较重的设备转移到地面，从而减轻飞行模块总体重量，增加续航能力，可以一次完成较大区域的气体检测。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的气体检测系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的气体检测系统中，光路转换装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的气体检测系统的又一结构框图；

图4为本发明实施例提供的气体检测系统的工作状态图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1，图1为本发明实施例提供的气体检测系统的结构框图。如图所示，该检测系统包括：地面系统1和飞行系统2。其中，地面系统1设置在地面上，飞行系统2可以在空中飞行，本实施例通过地面系统1和飞行系统2的配合来完成检测。

地面系统1可以包括激光发射装置11、光电探测器13和数据处理装置12，激光发射装置11用于发射激光，具体实施时，激光发射装置11可以为激光器，该激光器可以发射不同波长的激光，具体发射的波长可以根据被检测气体进行选择，例如，当检测气体为甲烷时选用激光工作波长为1653.7nm，因为甲烷气体可以吸收该波长的激光。

飞行系统2可以包括飞行装置21和光路转换装置22。飞行装置21可以为飞行器，例如直升机、无人机等。光路转换装置22安装在飞行装置21上，光路转换装置22的作用是接收激光发射装置11发射的激光，并变换接收到的激光的传播方向，以使激光打在被检测区域。同时，光路转换装置22还用于接收被检测区域反射回的激光，以及变换被检测区域反射回的激光的传播方向，以使反射回的激光向地面系统1传播。具体实施时，激光发射装置11发射的激光可以通过空气或光纤传播至光路转换装置22，光路转换装置22接收的被检测区域反射回的激光也可以通过空气或光纤传播至光电探测器13。需要说明的是，具体实施时，光路转换装置22可以由凹镜、透镜、棱镜等光学器件组成，光学转换装置22只要能够实现转向的目的即可，具体实施方式多样，本实施例对其不做任何限定。

光电探测器13用于接收反射回的激光并转换成反射激光参数电信号；数据处理装置12与光电探测器13相连接，用于接收反射激光参数电信号；数据处理装置12还与激光发射装置11相连接，用于接收发射激光参数电信号，并根据发射激光参数电信号和反射激光参数电信号确定被检测区域的气体成分和/或含量。其中，发射激光参数电信号和反射激光参数电信号可以包括激光的波长、强度等信息，数据处理装置12可以根据接收到的反射回的激光损失的波长和强度损耗来得出各气体的组成组份和含量。数据处理装置12可以通过分析激光光谱的波长信息确定被检测气体的组份，反射回的激光强度损耗等信息得出被检测气体中各组份含量，分析方法可以选择本领域技术人员所熟知的三级鉴别法、整体解析法等其他分析方法等，由于上述分析方法为本领域技术人员所公知，故不赘述。需要说明的是，发射激光参数和反射激光参数可以包括激光的波长、强度等信息，参数的具体类型可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限定。

本实施例的工作原理为：对于某种特定的气体，可以吸收特定波长的激光，本发明实施例利用气体的该特性对气体进行检测。例如，甲烷可以吸收波长为1653.7nm的激光，当检测甲烷时，调整激光发射装置11，使激光发射装置11发射波长为1653.7nm的激光，该波长的激光射向被检测区域时，如果该被检测区域内有甲烷气体，则甲烷气体会全部或部分吸收该波长的激光，通过甲烷气体反射回的激光将不再有该波长的激光或者该波长的激光会减弱；如果该被检测区域内没有甲烷气体，则该波长的激光不会被吸收。可以看出，根据该特性，通过对发射激光和被检测区域反射回的激光进行分析，即可确定被检测区域内的气体成分。此外，甲烷吸收气体时，也会造成激光强度损耗，而不同气体对激光造成损耗的能力不同，所以通过分析激光强度的损耗便可以确定气体的含量。

本实施例的工作过程为：启动飞行装置21，飞行装置21携带光路装换装置22上升至被检测区域附近，然后飞行装置21调整位置，进而调整光路转换装置22的位置，以使光路转换装置22可以接收激光发射装置11发射的激光，同时，还要使光电探测器13可以接收到光路转换装置22转向后的反射激光，待调整好飞行装置21的位置后，开始检测，此时，由激光发射装置11发射的激光在空气或者光纤介质中传播，光路转换装置22接收到该激光并对该激光进行变向，使该激光射向被检测区域，激光被待检测气体反射，反射回的激光通过光路转换装置22进行变向，变向后的激光在空气或光纤介质中传播，传输至光电探测器13，光电探测器13将该反射激光信号转换为电信号，并传送给数据处理装置12，数据处理装置12对将该激光和激光发射装置11发射的激光进行分析得到被检测气体的成分和/或含量。

本实施例中提供的气体检测系统通过激光发射装置11发射的激光对被检测区域的气体进行检测，并且该气体检测系统分为地面系统1和飞行系统2两部分，地面系统1中的激光发射装置11发射激光，飞行系统2中的飞行装置21将光路转换装置22携带入空中，通过光路转换装置22对激光进行变向使该激光照射入空中的被检测区域，可以看出，与现有技术相比，本实施例可以比较方便、准确地对空中管路的气体泄漏情况进行检测，以便及时了解空中管路的泄漏情况。由于本实施例将重量较重的激光发射装置11和数据处理装置12设置在地面上，而只是将重量较轻的光路转换装置22通过飞行装置21携带到空中，通过该方法将核心较重的设备转移到地面，从而减轻飞行装置12携带的重量，增加飞行装置12的续航能力，可以一次完成较大区域的气体检测。此外，当飞行装置12出现问题时仅需更换光学转换装置22，有效地降低了高空气体检测成本。

参见图3和图4，图中示出了光路转换装置的优选结构。如图所示，该光路转换装置22包括：第一光学装置221和第二光学装置222。其中，第一光学装置221用于接收激光发射装置11发射的激光，以及对所接收的激光进行变向，使该激光射向被检测区域。具体地，第一光学装置221可以为一组棱镜，激光转换装置11发射的激光经过各棱镜变向后可以水平射入被检测区域。第二光学装置222用于接收被检测区域反射回的激光，以及将所接收的反射回的激光转向至光电探测器13。具体地，第二光学装置222可以为凹镜、棱镜等光学器件，被检测区域发射回的激光可以首先经过凹镜进行聚光，棱镜再对聚光后的激光进行变向，使该反射激光照射入地面上的光电探测器13。

需要说明的是，具体实施时，第一光学装置221和第二光学装置222的具体实施方式多样，本实施例对其不做任何限定。

上述各实施例中还可以包括：地面车载。其中，激光发射装置11、光电探测器13和数据处理装置12均设置于该地面车载。具体地，地面车载为可移动的机动车辆等，激光发射装置11、光电探测器13和数据处理装置12设置在该地面车载上。可以看出，本实施例中，地面车载可以带动地面系统1在地面上向任意位置移动，方便调整地面系统1的位置，可以大大地提高检测效率。

参见3和图4，为了使激光发射装置11和光电探测器13可以与光路转换装置22更好地对应，上述各实施例中还可以增设：第一定位系统。其中，第一定位系统用于确定飞行装置21置于地面系统1上方的预设范围内，以使光路转换装置22可以接收到激光发射装置11发射的激光，同时，也使光电探测器13可以接受到光路转换装置22转向的被检测区域反射回的激光。

在本发明的一种实施方式中，第一定位系统可以包括：激光器、感光板和接收装置。其中，激光器设置于地面系统1上，用于向飞行装置21的底部发射激光；感光板可以设置于飞行装置21的底部，用于接收激光器发射的激光并返回感光电信号；接收装置也可以设置在地面系统1上，用于接收该感光电信号以及根据该感光电信号确定飞行装置21是否在预设范围内，当飞行装置21不在预设范围内时，接收装置接收不到感光电信号。地面系统1以一定频率发射垂直定位激光校正地面系统1与飞行装置21的垂直位置，具体实施时，可以采用激光快速定位系统，例如每秒100次以上定位信号。

在本发明的另一种实施方式中，第一定位系统可以包括第一GPS系统、第二GPS系统和控制装置。其中，第一GPS系统设置于地面系统1，用于定位地面系统1的位置；第二GPS系统设置于飞行系统2，用于定位飞行系统的位置；控制装置与第一GPS系统和第二GPS系统相连接，用于接收地面系统1和飞行系统2的位置，以及控制飞行系统1以使飞行系统2置于地面系统1上方的预设范围内。具体实施时，控制装置可以与飞行装置21中的控制系统相连接，当飞行装置21超出预设范围时，控制装置给飞行装置21发送位置调节信号，飞行装置21根据该位置调节信号调节位置至预设范围内。

需要说明的是，具体实施时，预设范围可以根据实际情况来确定，本实施例对其不做任何限定。

可以看出，本实施例通过第一定位系统来对飞行装置21进行定位，一方面可以保证光路转换装置22接收到激光发射装置11发射的激光，另一方面可以保证光谱数据处理装置12接收到被检测区域反射回的激光。

为了达到较好的检测效果，还可以对上述实施例做进一步改进，增设：第二定位系统。其中，第二定位系统设置于飞行装置21，用于保证飞行装置21与被检测区域之间的距离在预设距离内。具体地，第二定位系统可以包括激光器和接收装置。激光器向被检测器发射激光，被检测区域对激光器发射的激光进行反射，接收装置接收被检测区域反射回的激光，并根据接收的反射回的激光确定飞行装置21与被检测区域之间的距离。

本实施例中，通过第二定位系统可以保证飞行装置21与被检测区域之间在预设距离内，进而更好地保证了检测的效果。

上述实施例中，第二定位系统还用于在反射距离小于预设距离时发出检测异常报警信号；反射距离为光路转换装置22与被检测区域内的激光反射点之间的距离。例如，对于居民楼内燃气管道的检测而言，假设飞行装置21与居民楼之间的距离为10米，而该居民楼的纵深为4米，则反射距离应为10米到14米之间。如果反射距离为10米，则认为激光可能被该居民楼窗户处的窗帘所阻挡，判断检测有误，发出异常报警信号。

下面以检测居民楼内是否有甲烷气体为例，对本发明实施例做更为详细的说明：

激光发射装置选用二极管激光器，飞行装置选用无人机，第一光学装置和第二光学装置均选用棱镜。第一光学装置和第二光学装置中的棱镜均安装在无人机的下端，安装时，要保证一定的角度，该角度主要是为了保证激光经过第一光学装置和第二光学装置时要发生全反射，以使激光沿水平方向照射在被检测区域和沿竖直方向照射向光电探测器13，全反射角度可以根据公式来确定，其中，c为临界角，n为折射率，使激光以临界角入射棱镜，棱镜可以选用材质为玻璃的棱镜，玻璃的临界角为：32-42°。安装时，使棱镜透光边与地面垂直成45°角，并将棱镜安装固定保证无人机续航期间该角度不变，该种安装方式可以保证激光射向棱镜后能够全反射水平射向被检测区域。此外，还要在地面系统中组装好激光发射装置11、光电探测器13和数据处理装置12。

由于甲烷气吸收波长为1653.7nm，所以检测时，先将激光发射装置11的激光发射波长调节在1653.7nm附近，然后调整无人机的飞行位置，使第一定位系统中的激光器发射的激光能够射在无人机下端的感光板上，此时激光器发射的激光可以被第一光学装置接收，无人机在该位置停稳，发射器发射出的激光在空气中传播至第一光学装置中的棱镜，然后棱镜对激光进行变向，使该激光水平射向被检测区域，激光被待测气体反射，反射回的被吸收的激光通过第二光学装置中的棱镜进行聚光，聚光后的激光在空气中传输到光电探测器13，光电探测器13将接收到的光信号转换为电信号后传输给数据处理装置12，数据处理装置12对发射回的激光信号和激光发射装置发射的激光信号进行分析，得出被测气体组成和含量。

综上，由于发明实施例将重量较重的激光发射装置和光谱数据处理装置设置在地面上，而只是将重量较轻的光路转换装置通过飞行装置携带到空中，这势必大大地减轻飞行装置的负担，增大飞行装置的续驶里程，可以一次完成较大区域的气体检测。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种气体检测系统，其特征在于，包括：地面系统（1）和飞行系统（2）；其中，

所述地面系统（1）包括激光发射装置（11）、光电探测器（13）和数据处理装置（12）；所述飞行系统（2）包括飞行装置（21）及设置于所述飞行装置（21）的光路转换装置（22）；

所述激光发射装置（11）用于发射激光；所述光路转换装置（22）用于接收所述激光发射装置（11）发射的激光并转向至被检测区域；所述光路转换装置（22）还用于接收所述被检测区域反射回的激光并转向至光电探测器（13）；

所述光电探测器（13）用于接收所述光路转换装置（22）反射回的激光并转换成反射激光参数电信号；

所述数据处理装置（12）与所述光电探测器（13）相连接，用于接收所述反射激光参数电信号；所述数据处理装置（12）还与所述激光发射装置（11）相连接，用于接收发射激光参数电信号，并根据所述发射激光参数电信号和所述反射激光参数电信号确定被检测区域的气体成分和/或含量。

2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述光路转换装置（22）包括：

第一光学装置（221），用于接收所述激光发射装置发射的激光，以及将所接收的激光转向至被检测区域；

第二光学装置（222），用于接收所述被检测区域反射回的激光，以及将所接收的反射回的激光转向至光电探测器（13）。

3.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，

所述激光发射装置（11）发射的激光通过空气或光纤传播至所述光路转换装置（22）。

4.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，

所述光路转换装置（22）接收的所述被检测区域反射回的激光通过空气或光纤传播至所述光电探测器（13）。

5.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，还包括：

地面车载，所述激光发射装置（11）、光电探测器（13）和数据处理装置（12）均设置于所述地面车载。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体检测系统，其特征在于，还包括：

第一定位系统，用于确定所述飞行装置（21）置于所述地面系统（1）上方的预设范围内，以使所述光路转换装置（22）接收所述激光发射装置（11）发射的激光。

7.根据权利要求6所述的气体检测系统，其特征在于，所述第一定位系统包括：

激光器，设置于所述地面系统（1），用于向所述飞行装置（11）发射激光；

感光板，设置于所述飞行装置（21）的底部，用于接收所述激光器发射的激光，并返回感光电信号；

接收装置，设置于所述地面系统（1），用于接收返回的所述感光电信号并根据返回的所述感光电信号确定所述飞行装置（21）是否处于所述地面系统（1）上方的预设范围内。

8.根据权利要求6所述的气体检测系统，其特征在于，所述第一定位系统包括：第一GPS系统、第二GPS系统和控制装置；其中，

所述第一GPS系统设置于地面系统（1），用于定位地面系统（1）的位置；

所述第二GPS系统设置于飞行系统（2），用于定位飞行系统（2）的位置；

控制装置，与所述第一GPS系统和所述第二GPS系统电连接，用于接收所述地面系统（1）和所述飞行系统（2）的位置，以及控制所述飞行系统（2）以使所述飞行系统（2）置于所述地面系统（1）上方的预设范围内。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的气体检测系统，其特征在于，还包括：

第二定位系统，设置于所述飞行装置（21），用于保证所述飞行装置（21）与被检测区域之间的距离在预设距离范围内。

10.根据权利要求9所述的气体检测系统，其特征在于，

所述第二定位系统还用于在反射距离小于预设距离时发出检测异常报警信号；所述反射距离为所述光路转换装置（22）与被检测区域内的激光反射点之间的距离。