CN106596470A - 便携式高分辨率ccd光干涉型瓦斯检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，包括：多功能控制模块、光干涉瓦斯浓度检测模块、充电锂电池、外壳；光干涉瓦斯浓度检测模块，包括：光学镜头、高分辨率线阵CCD、隔膜式循环气泵、测微玻璃、发光源、聚光镜、反射棱镜、平面镜、气室、物镜、折光棱镜和毛细管；多功能控制模块设置于外壳外部，包括：控制主板、液晶显示屏、蜂鸣器和存储卡槽；控制主板的输入端连接高分辨率线阵CCD的输出端，控制主板的输出端连接液晶显示屏的输入端、蜂鸣器的输入端，存储卡槽连接控制主板的输出端；该装置具有测量范围宽，无易损传感元件，维修工作量小的优点。

Description

便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯防治技术领域，具体涉及便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器。

背景技术

井下瓦斯浓度超限是煤矿开采生产工作的重大安全隐患之一。瓦斯的主要成分为甲烷(CH₄)，是一种无色无味的气体，有四大危害：一是可以燃烧，引起矿井火灾，二是会爆炸，导致矿毁人亡，三是浓度过高时会导致人员缺氧窒息、甚至死亡，四是会发生煤(岩)与瓦斯突出，摧毁、堵塞巷道，甚至引起人员窒息或瓦斯爆炸。瓦斯的主要物理化学性状，不易被人们及时发现和察觉。关于瓦斯的监测主要依靠相关仪器，现有的光干涉式瓦斯检测技术主要有传统的光干涉瓦斯测定器和便携的电化学式的瓦斯测定器两种。

普通光干涉瓦斯测定器，采用白炽灯泡作为光源，检测瓦斯靠瓦斯检测员的人眼观察目镜中的光干涉条纹的移动量，来识读气体中甲烷的浓度值。具有测量范围宽，有一定精确度、无易损传感元件，维修工作量小的优点，但也存在人为操作，误差和视觉误差较大、读数不直观，采用挤压气囊收集气体、需要手工记录，无法精确高效快速的检测、记录瓦斯浓度数据变化，操作繁琐不利于煤矿对测量数据的管理。

便携式智能光干涉瓦斯测定器，以白色发光二极管为光源，采用催化燃烧原理，用于检测易燃易爆气体，通过光电转换元件将干涉条纹的移动量转换为电信号，通过转换的测量电信号获得测量瓦斯浓度值。这种瓦斯测定器具有检测速度快，读数直观、避免了人为操作误差和视觉误差，操作相对方便。但也存在工作温度高，检测元件的表面温度一般在200℃到300℃，内部温度最高可达到700到800℃；元件易受硫化物、卤素化合物等的影响，降低使用寿命；在缺氧环境下用可燃气体报警器检测时指示值误差较大等缺点。

因此，有必要设计一种具有操作简捷、带自动报警、检测速度快、测量精度高、直观反映检测地点的瓦斯浓度变化且能同步存储检测数据功能，使用寿命较长的新型便携式瓦斯检测器，方便矿井日常瓦斯检测和科研所需的现场测量分析。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器。

本发明的技术方案是：

一种便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，包括：多功能控制模块、光干涉瓦斯浓度检测模块、充电锂电池、外壳；

所述光干涉瓦斯浓度检测模块，包括：光学镜头、高分辨率线阵CCD、隔膜式循环气泵、测微玻璃、发光源、聚光镜、反射棱镜、平面镜、气室、物镜、折光棱镜和毛细管；

所述隔膜式循环气泵、测微玻璃、发光源、聚光镜、反射棱镜、平面镜、气室、物镜、折光棱镜、毛细管、充电锂电池设置于外壳内部，所述气室、折光棱镜、平面镜和毛细管位于外壳内部同一侧，所述折光棱镜和平面镜设置于气室的两端，所述背面镀有反射膜的平面镜与气室两端设置的平光透镜呈45度角相对放置，所述反射棱镜放置于平面镜的出射光线上，所述物镜放置于反射棱镜和测微玻璃之间，所述物镜、测微玻璃均放置于反射棱镜的出射光线上，所述测微玻璃一侧的外壳设置有通光孔，且该通光孔也位于反射棱镜的出射光线上，所述光学镜头的镜身底部设置于外壳的通光孔处，所述高分辨率线阵CCD设置于光学镜头的镜身顶端，所述发光源的出射光线通过聚光镜射入平面镜；

所述气室包括第一空气室、第二空气室和气样室，所述第一空气室、第二空气室和气样室相互平行，气样室位于第一空气室和第二空气室中间，所述气样室的两端分别设置有进气管和出气管，所述进气管连接隔膜式循环气泵，所述出气管上设置有放气阀；

所述外壳上设置有出气孔和进气孔，所述出气管安装于出气孔处，所述隔膜式循环气泵的吸气口设置于进气孔处，并外接过滤室，所述第一空气室与第二空气室之间通过毛细胶管连通，所述第一空气室上设置有通气管口，并通过该通气管口连接毛细管；

所述充电锂电池连接多功能控制模块，所述多功能控制模块的输出端连接隔膜式循环气泵的电源输入端、发光源的输入端和高分辨率线阵CCD的输入端，所述高分辨率线阵CCD的输出端连接多功能控制模块的输入端；

所述多功能控制模块，用于控制充电锂电池对隔膜式循环气泵、发光源和高分辨率线阵CCD进行供电，将高分辨率线阵CCD输出的电信号转化为数字信号并显示，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时进行报警。

所述多功能控制模块设置于外壳外部，包括：控制主板、液晶显示屏、蜂鸣器和存储卡槽；

所述控制主板的输入端连接高分辨率线阵CCD的输出端，所述控制主板的输出端连接液晶显示屏的输入端、蜂鸣器的输入端，所述存储卡槽连接控制主板的输出端；

所述控制主板，用于控制充电锂电池对控制主板、隔膜式循环气泵、发光源和高分辨率线阵CCD进行供电，将高分辨率线阵CCD输出的电信号转化为数字信号，并传输至液晶显示屏显示，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时发送控制信号至蜂鸣器进行报警；

所述液晶显示屏，用于显示瓦斯浓度；

所述蜂鸣器，用于根据控制主板的控制信号进行报警；

所述存储卡槽，用于存储历史数据。

所述光学镜头包括镜身、镜头和玻璃镜片，所述玻璃镜片与测微玻璃的物距u、镜片到焦点的焦距f和高分辨率线阵CCD与光学镜头的镜片的像距v，满足以下关系式：f＜u＜2f，v＞2f。

本发明的有益效果：

本发明提出一种便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，该装置采用隔膜式循环气泵，可持续稳定为光干涉瓦斯浓度传感器提供检测气体，操控简捷、高效；光干涉瓦斯浓度检测模块，具有测量范围宽，无易损传感元件，维修工作量小的优点；利用特制的光学镜头，将通过测微玻璃的干涉光线以放大、倒像形式，清晰、均匀的投射到高分辨率线阵CCD上；利用多功能控制模块，可以完成开关控制，显示数据，预处理数据，保存数据，报警功能。提高检测速度、准确性和安全性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器的主视图；

图2为本发明具体实施方式中便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器的内部结构框图；

图3为本发明具体实施方式中多功能控制模块的示意图；

图4为本发明具体实施方式中图2的A-A剖面图；

图5为本发明具体实施方式中光学镜头侧视图；

图6为本发明具体实施方式中光学镜头剖面图；

图7为本发明具体实施方式中光学镜头成像原理图；

图8为本发明具体实施方式中得到的光强度信号的示意图；

图9为本发明具体实施方式中得到的瓦斯浓度的示意图。

其中，1-多功能控制模块、2-光干涉瓦斯浓度检测模块、3-充电锂电池、4-外壳、5-光学镜头、6-高分辨率线阵CCD、7-隔膜式循环气泵、8-测微玻璃、9-发光源、10-聚光镜、11-反射棱镜、12-平面镜、13-气室、14-物镜、15-折光棱镜、16-毛细管、17-出气孔，18-进气孔，131-第一空气室、132-第二空气室、133-气样室、41-控制主板、42-液晶显示屏、43-蜂鸣器、44-存储卡槽、45-电源开关、46-调零键、47-调校键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

本发明提出一种便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，如图1和图2所示，包括：多功能控制模块1、光干涉瓦斯浓度检测模块2、充电锂电池3、外壳4。

本实施方式中，光干涉瓦斯浓度检测模块2，包括：光学镜头5、高分辨率线阵CCD6、隔膜式循环气泵7、测微玻璃8、发光源9、聚光镜10、反射棱镜11、平面镜12、气室13、物镜14、折光棱镜15和毛细管16。

本实施方式中，隔膜式循环气泵7、测微玻璃8、发光源9、聚光镜10、反射棱镜11、平面镜12、气室13、物镜14、折光棱镜15、毛细管16、充电锂电池3设置于外壳4内部，气室13、折光棱镜15、平面镜12和毛细管16位于外壳4内部同一侧，折光棱镜15和平面镜12设置于气室13的两端，背面镀有反射膜的平面镜12与气室13两端设置的平光透镜呈45度角相对放置，反射棱镜11放置于平面镜12的出射光线上，物镜14放置于反射棱镜11和测微玻璃8之间，物镜14、测微玻璃8均放置于反射棱镜11的出射光线上，测微玻璃8一侧的外壳4设置有通光孔，且该通光孔也位于反射棱镜11的出射光线上，光学镜头5的镜身底部设置于外壳4的通光孔处，高分辨率线阵CCD6设置于光学镜头5的镜身顶端，发光源9的出射光线通过聚光镜10射入平面镜12。

本实施方式中，气室13包括第一空气室131、第二空气室132和气样室133，第一空气室131、第二空气室132和气样室133相互平行，气样室133位于第一空气室131和第二空气室132中间，气样室133的两端分别设置有进气管和出气管，进气管连接隔膜式循环气泵7，出气管上设置有放气阀。

本实施方式中，外壳4上设置有出气孔17和进气孔18，出气管安装于出气孔17处，隔膜式循环气泵7的吸气口设置于进气孔18处，并外接过滤室，第一空气室131与第二空气室132之间通过毛细胶管连通，第一空气室131上设置有通气管口，并通过该通气管口连接毛细管16。

过滤室是一种外接管状设备，装有化学药剂用于过滤掉气体中的非检测气体和气体中的水分。

本实施方式中，充电锂电池3连接多功能控制模块1，多功能控制模块1的输出端连接隔膜式循环气泵7的电源输入端、发光源9的输入端和高分辨率线阵CCD6的输入端，高分辨率线阵CCD6的输出端连接多功能控制模块1的输入端。

本实施方式中，多功能控制模块1，用于控制充电锂电池3对隔膜式循环气泵7、发光源9和高分辨率线阵CCD6进行供电，将高分辨率线阵CCD6输出的电信号转化为数字信号并显示，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时进行报警。

本实施方式中，多功能控制模块1设置于外壳4外部，如图3所示，包括：控制主板41、液晶显示屏42、蜂鸣器43和存储卡槽44，还包括有电源开关45、调零键46和调校键47。

本实施方式中，控制主板41的输入端连接高分辨率线阵CCD6的输出端，控制主板41的输出端连接液晶显示屏42的输入端、蜂鸣器43的输入端，存储卡槽44连接控制主板41的输出端，电源开关45、调零键46、调校键47连接控制主板41。

控制主板41，选用工业级开发板，用于控制充电锂电池3对控制主板41、隔膜式循环气泵7、发光源9和高分辨率线阵CCD6进行供电，将高分辨率线阵CCD6输出的电信号转化为数字信号，并传输至液晶显示屏42显示，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时发送控制信号至蜂鸣器43进行报警。

液晶显示屏42，用于显示瓦斯浓度。

蜂鸣器43，用于根据控制主板41的控制信号进行报警。

存储卡槽44，用于安装存储卡，存储历史数据。

电源开关45，用于启动控制主板运行。

调零键46，用于在快速双击时，控制控制主板实现液晶显示屏42显示数值清零方便检测当前瓦斯浓度，在长按时，控制控制主板清除存储卡槽44内存储卡记录数据。

调校键47，用于在单击一下时控制控制主板点亮液晶显示屏42。

本实施方式中，隔膜式循环气泵7供电后可持续稳定为光干涉瓦斯浓度检测模块2提供检测气体。

本实施方式中，发光源9为螺口小灯珠。

本实施方式中，高分辨率线阵CCD6的积分曝光时间100级可调，范围为10us-1ms，触发模式为内触发或外触发软件编程可选。CCD的图像数据一方面可以通过USB输入到计算机中，另一方面也可以通过同步模拟输出端口由示波器显示或者通过其它采集卡进行采集。同步触发输出端口可以将内触发时的内部时钟信号或者外触发的信号同步输出，可用此信号来触发多功能控制模块1上液晶显示屏42，该信号与CCD图像的模拟信号同步。

本实施方式中，充电锂电池3负责装置供电，由多功能控制模块1控制，对对控制主板41、隔膜式循环气泵7、发光源9和高分辨率线阵CCD6进行供电。

本实施方式中，光学镜头5是为避免人工观察目镜时带来的误差，根据光学成像原理特殊加工，安置于反射棱镜11出射光线上干涉条纹通光孔处，可以使干涉光线清晰、均匀的投射到高分辨率线阵CCD6上，如图4所示。

如图5和图6所示，光学镜头5的光学镜头全长52mm，由铝制镜身、钢制镜头、玻璃镜片三部分组成。

其中，铝制镜身为将47mm长、外直径18mm、内直径11mm的铝管加工成长42mm、外直径18mm、内直径15mm和长5mm、外直径18mm、内直径11mm的两部分。

钢制镜头将13mm长、外直径15mm、内直径9mm钢管加工成3mm长、外直径15mm、内直径10mm和9mm长、外直径11mm、内直径10mm及1mm长、外直径11mm、内直径9mm三部分。

镜头采用直径10mm凸透镜。钢制镜头可通过旋转调焦。

本实施方式中，光学镜头5的镜片与测微玻璃8的物距u、镜片到焦点的焦距f和高分辨率线阵CCD6与光学镜头5的镜片的像距v，满足如式(1)和式(2)的关系式：

f＜u＜2f (1)

v＞2f (2)

如图7所示，光线通过测微玻璃8呈3mm长光带射向光学镜头5，根据光学成像原理。其中光学镜头5的镜片与测微玻璃8的物距u＝15mm，镜片到焦点的焦距f＝8.8mm，高分辨率线阵CCD6与光学镜头5的镜片的像距v＝49mm，可清晰均匀的在高分辨率线阵CCD6上投射出倒立放大实像。有利于快速、精准的采集数据。

上述便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器的工作原理如下所述：

通过多功能控制模块1控制光干涉瓦斯浓度检测模块2开启，隔膜式循环气泵7持续将气体通过进气孔将当前空间内的气体送入气室13中，多功能控制模块1控制充电锂电池3为发光源9供电，发光源9产生的光线通过聚光镜10射入平面镜12中，平面镜12的出射光线通过气室13和折光棱镜15后产生两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，通过反射棱镜11、物镜14后在测微玻璃8上呈现出长光带，该长光带通过通光孔射入光学镜头5中，根据镜头成像原理，条形干涉光以放大倒像形式清晰、均匀的投射到高分辨率线阵CCD 6。高分辨率线阵CCD 6将接收到的光信号转换成数字信号传输到多功能控制模块1上，多功能控制模块1通过处理后将瓦斯浓度信息直观显示在液晶显示屏42上且同步存储数据至存储卡上，同时，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时进行报警。

本实施方式中，高分辨率线阵CCD6将采集到的光信号转化为转换为电信号，以像素点波形图最高波峰为零点，瓦斯浓度发生变化时，根据波峰偏移数值等数据，可以得到不同时间的瓦斯浓度值。

同时，通过计算机读取存储卡中数据内容，得到的光强度信号如图8所示，不同时间的瓦斯浓度值，如图9所示。

Claims (3)

1.一种便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，其特征在于，包括：多功能控制模块、光干涉瓦斯浓度检测模块、充电锂电池、外壳；

所述光干涉瓦斯浓度检测模块，包括：光学镜头、高分辨率线阵CCD、隔膜式循环气泵、测微玻璃、发光源、聚光镜、反射棱镜、平面镜、气室、物镜、折光棱镜和毛细管；

所述隔膜式循环气泵、测微玻璃、发光源、聚光镜、反射棱镜、平面镜、气室、物镜、折光棱镜、毛细管、充电锂电池设置于外壳内部，所述气室、折光棱镜、平面镜和毛细管位于外壳内部同一侧，所述折光棱镜和平面镜设置于气室的两端，所述背面镀有反射膜的平面镜与气室两端设置的平光透镜呈45度角相对放置，所述反射棱镜放置于平面镜的出射光线上，所述物镜放置于反射棱镜和测微玻璃之间，所述物镜、测微玻璃均放置于反射棱镜的出射光线上，所述测微玻璃一侧的外壳设置有通光孔，且该通光孔也位于反射棱镜的出射光线上，所述光学镜头的镜身底部设置于外壳的通光孔处，所述高分辨率线阵CCD设置于光学镜头的镜身顶端，所述发光源的出射光线通过聚光镜射入平面镜；

所述气室包括第一空气室、第二空气室和气样室，所述第一空气室、第二空气室和气样室相互平行，气样室位于第一空气室和第二空气室中间，所述气样室的两端分别设置有进气管和出气管，所述进气管连接隔膜式循环气泵，所述出气管上设置有放气阀；

所述外壳上设置有出气孔和进气孔，所述出气管安装于出气孔处，所述隔膜式循环气泵的吸气口设置于进气孔处，并外接过滤室，所述第一空气室与第二空气室之间通过毛细胶管连通，所述第一空气室上设置有通气管口，并通过该通气管口连接毛细管；

所述充电锂电池连接多功能控制模块，所述多功能控制模块的输出端连接隔膜式循环气泵的电源输入端、发光源的输入端和高分辨率线阵CCD的输入端，所述高分辨率线阵CCD的输出端连接多功能控制模块的输入端；

所述多功能控制模块，用于控制充电锂电池对隔膜式循环气泵、发光源和高分辨率线阵CCD进行供电，将高分辨率线阵CCD输出的电信号转化为数字信号并显示，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时进行报警。

2.根据权利要求1所述的便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，其特征在于，所述多功能控制模块设置于外壳外部，包括：控制主板、液晶显示屏、蜂鸣器和存储卡槽；

所述控制主板的输入端连接高分辨率线阵CCD的输出端，所述控制主板的输出端连接液晶显示屏的输入端、蜂鸣器的输入端，所述存储卡槽连接控制主板的输出端；

所述控制主板，用于控制充电锂电池对控制主板、隔膜式循环气泵、发光源和高分辨率线阵CCD进行供电，将高分辨率线阵CCD输出的电信号转化为数字信号，并传输至液晶显示屏显示，预设瓦斯浓度报警值，并在瓦斯浓度值大于等于瓦斯浓度报警值时发送控制信号至蜂鸣器进行报警；

所述液晶显示屏，用于显示瓦斯浓度；

所述蜂鸣器，用于根据控制主板的控制信号进行报警；

所述存储卡槽，用于存储历史数据。

3.根据权利要求1所述的便携式高分辨率CCD光干涉型瓦斯检测器，其特征在于，所述光学镜头包括镜身、镜头和玻璃镜片，所述玻璃镜片与测微玻璃的物距u、镜片到焦点的焦距f和高分辨率线阵CCD与光学镜头的镜片的像距v，满足以下关系式：f＜u＜2f，v＞2f。