CN105736053A - 一种煤矿井下环境监测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下环境监测器，包括有主机本体，所述主机本体内设有用于存储电池的电源腔，所述电源腔内设有电池；所述主机本体内还设有电路腔，所述电路腔内设有监测电路，所述电池为监测电路供电；所述监测电路包括有CPU模块，还包括有与CPU模块分别信号连接的温度传感器、氧气浓度探测器、瓦斯浓度探测器、通信装置；通过无线通信的方式，将环境数据实时传输至外界，结构简单合理，能有效实时监测环境数据，保证井下安全。

Description

一种煤矿井下环境监测器

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下环境监测器。

背景技术

目前，随着煤炭需求的高速增长，煤炭工业得到了很大发展，但是瓦斯爆炸事故频频发生，其中一个很重要原因是当前瓦斯监控设备存在弊端，在瓦斯监测方面，国内检测瓦斯浓度的仪器主要是便携式瓦斯检测仪，结构简单携带方便，但是只有携带者能随时知道该处的瓦斯浓度，在煤矿井上的工作人员不能了解煤矿井下的瓦斯浓度情况,但是由于井下环境复杂，而且工人携带的时候往往不能实时监测环境数据，因此需要一种能固定在井下，并且实时提供环境数据的检测器。

发明内容

本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种能实时监测、结构简单、安全可靠的煤矿井下环境监测器。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：一种煤矿井下环境监测器，包括有主机本体，所述主机本体内设有用于存储电池的电源腔，所述电源腔内设有电池；所述主机本体内还设有电路腔，所述电路腔内设有监测电路，所述电池为监测电路供电；所述监测电路包括有CPU模块，还包括有与CPU模块分别信号连接的温度传感器、氧气浓度探测器、瓦斯浓度探测器、通信装置；所述通信装置用于将温度传感器、氧气浓度探测器、瓦斯浓度探测器采集到的信号传输出去；所述温度传感器、氧气浓度探测器、瓦斯浓度探测器分别设于主机本体外侧壁；还包括有设于主机本体低部的连接杆，所述连接杆的自由端设有隔离板层，所述隔离板层下部设有天线层；所述通信装置包括有通信芯片以及通信天线，所述通信天线设于天线层内；所述主机本体顶部设有挂耳。

其中，所述通信天线包括有圆形的PCB板，PCB板的一面设有微带天线；

所述微带天线包括有两组、每组两个振子单元；上下两个振子单元为一组，用于辐射垂直极化信号，左右两个振子单元为一组，用于辐射水平极化信号；所述PCB板中央设有正方形镂空孔；

每个振子单元包括有辐射底边，辐射底边的两个自由端均倾斜延伸出有第一辐射边，两个第一辐射边之间形成喇叭状；两个第一辐射边的自由端均延伸出有第二辐射边，两个第二辐射边之间平行设置；两个第二辐射边的自由端均倾斜延伸出有第三辐射边，两个第三辐射边的自由端均向对方延伸出有短辐射边；

还包括有呈几字形的辐射底臂，辐射底臂的两侧延伸出有两个第一辐射臂，两个第一辐射臂之间形成喇叭状；两个第一辐射臂的自由端均延伸出有第二辐射臂，两个第二辐射臂之间平行设置；两个第二辐射臂的自由端均倾斜延伸出有第三辐射臂，所述第三辐射臂自靠近第二辐射臂的一端至自由端逐渐增宽，两个第三辐射臂之间连设有第四辐射臂；每个第三辐射臂与相邻的第三辐射边之间电性连接有第一连接臂；

所述辐射底臂的顶端设有呈凸字形的寄生振子臂，还包括有馈电盘，所述馈电盘与寄生振子臂之电性连接有第二连接臂；

所述PCB板的另一面设有四个与馈电盘对应的馈电孔。

其中，每个所述第二振子臂均向馈电盘一侧延伸出有T形耦合杆。

其中，所述T形耦合杆的杆臂上设有多个圆形缺孔。

其中，每个T形耦合杆上的圆形缺孔的数量为6个。

其中，所述第四辐射臂远离馈电盘的一侧设有锯齿状结构。

其中，圆形缺孔内填充有半导体。

其中，PCB板的边缘设有环装隔离带。

其中，还包括有设于隔离板层内的金属隔离板，所述金属隔离板为圆形，所述金属隔离板上设有四个分别与振子单元对应的隔离孔。

其中，所述监测电路还包括有存储单元，所述存储单元用于实时记录温度传感器、氧气浓度探测器、瓦斯浓度探测器的信息；

其中，所述监测电路还包括有GPS定位模块，所述GPS定位模块与CPU模块信号连接；

其中，所述监测电路还包括有生命探测模块，所述生命探测模块与CPU模块信号连接；

其中，所述天线层下方还设有封闭式LED灯。

本发明的有益效果为：通过无线通信的方式，将环境数据实时传输至外界，结构简单合理，能有效实时监测环境数据，保证井下安全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的监测电路的电路原理框图；

图3是本发明的通信天线的俯视图；

图4是本发明的通信天线的仰视图

图5是本发明的金属隔离板俯视图；

图6是本发明的振子单元的结构示意图

图7是本发明的通信天线与金属隔离板不合配时的频率范围仿真测试图；

图8是本发明的通信天线与金属隔离板合配时的频率范围仿真测试图；

图9是本发明的通信天线的方向图；

图1至图9中的附图标记说明：

a1-主机本体；a11-温度传感器；a12-氧气浓度探测器；a13-瓦斯浓度探测器；a14-生命探测模块；a2-挂耳；a3-电源腔；a4-电路腔；a5-连接杆；a6-隔离板层；a7-天线层；a8-封闭式LED灯；

1-PCB板；11-环装隔离带；12-镂空孔；13-馈电孔；

2-金属隔离板；21-隔离孔；

31-辐射底边；32-第一辐射边；33-第二辐射边；34-第三辐射边；35-短辐射边；

41-辐射底臂；42-第一辐射臂；43-第二辐射臂；44-第三辐射臂；45-第四辐射臂；46-寄生振子臂；47-馈电盘；

51-第一连接臂；52-T形耦合杆；53-圆形缺孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。

如图1至图9所示，本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，包括有主机本体a1，所述主机本体a1内设有用于存储电池的电源腔a3，所述电源腔a3内设有电池；所述主机本体a1内还设有电路腔a4，所述电路腔a4内设有监测电路，所述电池为监测电路供电；所述监测电路包括有CPU模块，还包括有与CPU模块分别信号连接的温度传感器a11、氧气浓度探测器a12、瓦斯浓度探测器a13、通信装置；所述通信装置用于将温度传感器a11、氧气浓度探测器a12、瓦斯浓度探测器a13采集到的信号传输出去；所述温度传感器a11、氧气浓度探测器a12、瓦斯浓度探测器a13分别设于主机本体a1外侧壁；还包括有设于主机本体a1低部的连接杆a5，所述连接杆a5的自由端设有隔离板层a6，所述隔离板层a6下部设有天线层a7；所述通信装置包括有通信芯片以及通信天线，所述通信天线设于天线层a7内；所述主机本体a1顶部设有挂耳a2；挂耳a2可以用于方便的将检测器挂设在井内的岩壁上；所述温度传感器a11、氧气浓度探测器a12、瓦斯浓度探测器a13采集信号，然后传输至CPU模块进行处理，CPU模块再将信号传输出去。通过无线通信的方式，将环境数据实时传输至外界，结构简单合理，能有效实时监测环境数据，保证井下安全，井内由于较深，因此通信装置需要较好的天线性能。

为了进一步提高井下环境监测器通信性能，需要提升通信天线性能，因此本实施例所述一种煤矿井下环境监测器，所述通信天线包括有圆形的PCB板1，PCB板1的一面设有微带天线；所述微带天线包括有两组、每组两个振子单元；上下两个振子单元为一组，用于辐射垂直极化信号，左右两个振子单元为一组，用于辐射水平极化信号；所述PCB板1中央设有正方形镂空孔12；每个振子单元包括有辐射底边31，辐射底边31的两个自由端均倾斜延伸出有第一辐射边32，两个第一辐射边32之间形成喇叭状；两个第一辐射边32的自由端均延伸出有第二辐射边33，两个第二辐射边33之间平行设置；两个第二辐射边33的自由端均倾斜延伸出有第三辐射边34，两个第三辐射边34的自由端均向对方延伸出有短辐射边35；还包括有呈几字形的辐射底臂41，辐射底臂41的两侧延伸出有两个第一辐射臂42，两个第一辐射臂42之间形成喇叭状；两个第一辐射臂42的自由端均延伸出有第二辐射臂43，两个第二辐射臂43之间平行设置；两个第二辐射臂43的自由端均倾斜延伸出有第三辐射臂44，所述第三辐射臂44自靠近第二辐射臂43的一端至自由端逐渐增宽，两个第三辐射臂44之间连设有第四辐射臂45；每个第三辐射臂44与相邻的第三辐射边34之间电性连接有第一连接臂51；所述辐射底臂41的顶端设有呈凸字形的寄生振子臂46，还包括有馈电盘47，所述馈电盘47与寄生振子臂46之电性连接有第二连接臂；所述PCB板1的另一面设有四个与馈电盘47对应的馈电孔13。信号线通过馈电孔13馈电耦合，通过合理的辐射单元的设计，改善辐射电流，从而改善辐射特性。通过不小于600次的微带电路结构设计，以及通过不低于600次仿真试验和参数调整下，最终确定了上述天线结构，该天线具备较宽的频率范围以及较好的隔离度和方向性以及增益性能，具备较好的通信性能，可进一步提高配电柜的通信能力。

本实施例所述一种煤矿井下环境监测器，还包括有设于隔离板层a6内的金属隔离板2，所述金属隔离板2为圆形，所述金属隔离板2上设有四个分别与振子单元对应的隔离孔21。实际测试中，当除去该结构金属隔离板22或者放置普通金属隔离板22，如图7，该天线带宽可用频率范围仍然高达1.7GHz至2.65GHz；基本满足通信频段的要求，其增益也较高，频带内平均增益大于8.952dBi；满足实际使用需要；该形状隔离板的设计也是通过仿真和不断试验设计得出，其中，当将本金属隔离板22放置其他现有技术天线配合时包括螺旋立体天线，其匹配性不高，隔离性能增强不明显，在测试普通天线时，配合上本金属隔离板22，平均增益增加0.01-0.15dBi或不增加，隔离性能不变，频段无改变；而在实际测试与测试之前的仿真中可以得知，当本方案中的通信天线与本方案的隔离板配合时测试，本方案的通信天线的带宽、隔离度、增益方面均超过不加隔离板时的天线设计，其中配合后的仿真值如图8。该整体天线系统带宽可用频率范围达到了1.6GHz至2.85GHz；其增益也明显增加，频带内平均增益大于9.4dBi，相比上升0.3dBi左右；另外其隔离度如果图频带内隔离度，隔离度表现较好，如图7，在S3中可以看出在频率范围内隔离度大于25.5dB。其方向性也好，如图9所述，其为全向性天线。

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，每个所述第二振子臂均向馈电盘47一侧延伸出有T形耦合杆52；T形耦合杆52可有效增强去耦性能，提升增益和提高驻波比性能。本实施例所述的一种配电柜，所述T形耦合杆52的杆臂上设有多个圆形缺孔53。本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，每个T形耦合杆52上的圆形缺孔53的数量为6个。通过仿真实验以及实际测试发现，该数量的缺孔能有效增加T形耦合杆52的去耦性能；

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，所述第四辐射臂45远离馈电盘47的一侧设有锯齿状结构。该结构能有效增加其隔离性能。

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，圆形缺孔53内填充有半导体。本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，PCB板1的边缘设有环装隔离带11。环装隔离带11能有效增强隔离性能，完善天线的电气性能。

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，所述监测电路还包括有存储单元，所述存储单元用于实时记录温度传感器a11、氧气浓度探测器a12、瓦斯浓度探测器a13的信息。当通信装置出问题的时候，可以不间断的记录环境数据，方便建档。

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，所述监测电路还包括有GPS定位模块，所述GPS定位模块与CPU模块信号连接；可以用于探测检测器位置，方便查找。

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，所述监测电路还包括有生命探测模块a14，所述生命探测模块a14与CPU模块信号连接；可以在出现事故的时候，充当探测器，来监测是否有人员伤亡。

本实施例所述的一种煤矿井下环境监测器，所述天线层a7下方还设有封闭式LED灯a8。不仅实现探测功能，还能实现照明，一举两得。

以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种煤矿井下环境监测器，其特征在于##：包括有主机本体（a1），所述主机本体（a1）内设有用于存储电池的电源腔（a3），所述电源腔（a3）内设有电池；所述主机本体（a1）内还设有电路腔（a4），所述电路腔（a4）内设有监测电路，所述电池为监测电路供电；所述监测电路包括有CPU模块，还包括有与CPU模块分别信号连接的温度传感器（a11）、氧气浓度探测器（a12）、瓦斯浓度探测器（a13）、通信装置；所述通信装置用于将温度传感器（a11）、氧气浓度探测器（a12）、瓦斯浓度探测器（a13）采集到的信号传输出去；所述温度传感器（a11）、氧气浓度探测器（a12）、瓦斯浓度探测器（a13）分别设于主机本体（a1）外侧壁；还包括有设于主机本体（a1）低部的连接杆（a5），所述连接杆（a5）的自由端设有隔离板层（a6），所述隔离板层（a6）下部设有天线层（a7）；所述通信装置包括有通信芯片以及通信天线，所述通信天线设于天线层（a7）内；所述主机本体（a1）顶部设有挂耳（a2）。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：所述通信天线包括有圆形的PCB板（1），PCB板（1）的一面设有微带天线；

所述微带天线包括有两组、每组两个振子单元；上下两个振子单元为一组，用于辐射垂直极化信号，左右两个振子单元为一组，用于辐射水平极化信号；所述PCB板（1）中央设有正方形镂空孔（12）；

每个振子单元包括有辐射底边（31），辐射底边（31）的两个自由端均倾斜延伸出有第一辐射边（32），两个第一辐射边（32）之间形成喇叭状；两个第一辐射边（32）的自由端均延伸出有第二辐射边（33），两个第二辐射边（33）之间平行设置；两个第二辐射边（33）的自由端均倾斜延伸出有第三辐射边（34），两个第三辐射边（34）的自由端均向对方延伸出有短辐射边（35）；

还包括有呈几字形的辐射底臂（41），辐射底臂（41）的两侧延伸出有两个第一辐射臂（42），两个第一辐射臂（42）之间形成喇叭状；两个第一辐射臂（42）的自由端均延伸出有第二辐射臂（43），两个第二辐射臂（43）之间平行设置；两个第二辐射臂（43）的自由端均倾斜延伸出有第三辐射臂（44），所述第三辐射臂（44）自靠近第二辐射臂（43）的一端至自由端逐渐增宽，两个第三辐射臂（44）之间连设有第四辐射臂（45）；每个第三辐射臂（44）与相邻的第三辐射边（34）之间电性连接有第一连接臂（51）；

所述辐射底臂（41）的顶端设有呈凸字形的寄生振子臂（46），还包括有馈电盘（47），所述馈电盘（47）与寄生振子臂（46）之电性连接有第二连接臂；

所述PCB板（1）的另一面设有四个与馈电盘（47）对应的馈电孔（13）。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：每个所述第二振子臂均向馈电盘（47）一侧延伸出有T形耦合杆（52）。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：所述T形耦合杆（52）的杆臂上设有多个圆形缺孔（53）。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：每个T形耦合杆（52）上的圆形缺孔（53）的数量为6个。

6.根据权利要求2所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：所述第四辐射臂（45）远离馈电盘（47）的一侧设有锯齿状结构。

7.根据权利要求3所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：圆形缺孔（53）内填充有半导体。

8.根据权利要求2所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：PCB板（1）的边缘设有环装隔离带（11）。

9.根据权利要求2所述的一种煤矿井下环境监测器，其特征在于：还包括有设于隔离板层（a6）内的金属隔离板（2），所述金属隔离板（2）为圆形，所述金属隔离板（2）上设有四个分别与振子单元对应的隔离孔（21）。