CN107939445B - 井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置，属于煤矿安全自动化检测技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种耗能低、响应速度快、测量准确的井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置；解决该技术问题采用的技术方案为：包括一个圆柱形本安壳体，本安电源模块、热释电红外检测模块、控制器模块、超声波检测模块、语音报警模块和显示模块，本安电源模块分别与热释电红外检测模块、控制器模块和超声波检测模块相连，控制器模块分别与热释电红外检测模块、超声波检测模块、语音报警模块和显示模块相连；本发明可广泛应用于安全检测领域。

Description

井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置

技术领域

本发明井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置，属于煤矿安全自动化检测技术领域。

背景技术

煤矿井下生产条件复杂，环境恶劣，危险区域众多，主要包括井下存放易燃、易爆、有毒等危险物质的区域，易发生冒顶、坍塌、坠落、透水等事故的危险地质构造区域，存在易致人伤害的机械、电气等设备的危险作业场所等，工作人员若误入危险区域，极易发生重大人身伤害事故，因此必须对已知的危险区域进行有效预警，以最大程度减少对井下工作人员的人身伤害。现有的井下危险区域预警方式是在危险区域加装警示牌或安全护栏，但这种预警方式往往不太醒目或容易损坏，起不到主动预警的作用，目前井下还没有自动检测人体接近危险区域的准确距离并进行语音和屏幕显示预警的一体化主动预警装置。

发明内容

本发明井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置，克服了现有技术存在的不足，提供了一种耗能低、响应速度快、测量准确的井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置，包括竖直设置的圆柱形本安壳体，本安电源模块、热释电红外检测模块、控制器模块、超声波检测模块、语音报警模块和显示模块，本安电源模块分别与热释电红外检测模块、控制器模块和超声波检测模块相连，控制器模块分别与热释电红外检测模块、超声波检测模块、语音报警模块和显示模块相连；

本安电源模块用于为所述热释电红外检测模块、控制器模块和超声波检测模块提供电源，热释电红外检测模块用于探测人员进入井下危险区域的红外信号，并将其转化为电信号后发送给控制器模块，控制器模块用于根据热释电红外检测模块发送的电信号，控制所述超声波检测模块发送和接收超声波信号以检测该人员与所述超声波检测模块的距离，并根据所述超声波检测模块的检测结果，控制语音报警模块进行报警，同时将检测结果发送到显示模块进行显示；

所述显示模块还用于显示此处危险源的名称、应保持的安全距离。

进一步，所述热释电红外检测模块包括红外传感器驱动电路、热释电红外传感器组、红外滤波电路、红外放大电路和电压比较电路，所述控制器模块的红外控制输出端与所述红外传感器驱动电路相连，所述红外传感器驱动电路用于驱动所述热释电红外传感器组；所述热释电红外传感器组的输出信号依次经所述红外滤波电路、红外放大电路和电压比较电路后与所述控制器模块的红外控制输入端相连。

进一步，所述超声波检测模块包括升压转换电路、超声驱动电路、超声换能器组、超声回波滤波电路、一级放大电路和二级放大电路，所述控制器模块的超声控制输出端与升压转换电路的输入端相连，所述升压转换电路的输出信号依次经过所述超声驱动电路、超声换能器组、超声回波滤波电路、一级放大电路和二级放大电路后与所述控制器模块的超声控制输入端相连。

进一步，所述语音报警模块包括语音驱动模块和扬声器，所述控制器模块的语音控制输出端与所述语音驱动模块相连，所述语音驱动模块与所述扬声器相连。

进一步，所述本安电源模块通过电源接口为所述热释电红外检测模块、控制器模块和超声波检测模块提供电源，所述显示模块包括显示接口和显示屏，所述控制器模块的显示控制输出端与所述显示接口相连，所述显示接口与所述显示屏相连，所述电源接口和所述显示接口都设置在所述圆柱形本安壳体的外侧面。

进一步，所述热释电红外传感器组包括四个设置有菲涅尔反射镜的热释电红外传感器，四个热释电红外传感器均匀环绕设置在所述圆柱形本安壳体的外侧面，每个所述热释电红外传感器的设置角度为斜向下，与所述圆柱形本安壳体的母线成45度夹角。

进一步，所述超声换能器组包括四个超声换能器，四个超声换能器均匀环绕设置在所述圆柱形本安壳体的外侧面，每个所述超声换能器的设置角度为斜向下，与所述圆柱形本安壳体的母线成45度夹角。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本装置安装在煤矿井下或其他恶劣环境的危险区域附近，可对接近危险区域的人体进行全方位准确识别、精准定位和安全预警，由于本装置是在红外传感模块检测到有人靠近危险区域时才启动超声回波处理模块工作，所以能够有效减少能量损耗，且具有可靠性高，灵敏度高，结构紧凑，安装方便，实现可视听化的主动预警。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的电路结构示意图。

图3为本发明的外观结构示意图。

图4为本发明的现场安装及使用的示意图。

图中，1-本安电源模块，2-热释电红外检测模块，3-控制器模块，4-超声波检测模块，5-语音报警模块，6-显示模块，7-井下危险区域，11-电源接口，21-红外传感器驱动电路，22-热释电红外传感器组，23-红外滤波电路，24-红外放大电路，25-电压比较电路，41-升压转换电路，42-超声驱动电路，43-超声换能器组，44-超声回波滤波电路，45-一级放大电路，46-二级放大电路，51-语音驱动模块，52-扬声器，61-显示接口，62-显示屏。

具体实施方式

如图1所示，一种井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置，包括竖直设置的圆柱形本安壳体，本安电源模块1、热释电红外检测模块2、控制器模块3、超声波检测模块4、语音报警模块5和显示模块6，本安电源模块1分别与热释电红外检测模块2、控制器模块3和超声波检测模块4相连，控制器模块3分别与热释电红外检测模块2、超声波检测模块4、语音报警模块5和显示模块6相连。

如图2所示，所述热释电红外检测模块2包括红外传感器驱动电路21、热释电红外传感器组22、红外滤波电路23、红外放大电路24和电压比较电路25，所述控制器模块3的红外控制输出端与所述红外传感器驱动电路21相连，所述红外传感器驱动电路21用于驱动所述热释电红外传感器组22；所述热释电红外传感器组22的输出信号依次经所述红外滤波电路23、红外放大电路24和电压比较电路25后与所述控制器模块3的红外控制输入端相连。

所述超声波检测模块4包括升压转换电路41、超声驱动电路42、超声换能器组43、超声回波滤波电路44、一级放大电路45和二级放大电路46，所述控制器模块3的超声控制输出端与升压转换电路41的输入端相连，所述升压转换电路41的输出信号依次经过所述超声驱动电路42、超声换能器组43、超声回波滤波电路44、一级放大电路45和二级放大电路46后与所述控制器模块3的超声控制输入端相连。

所述语音报警模块5包括语音驱动模块51和扬声器52，所述控制器模块3的语音控制输出端与所述语音驱动模块51相连，所述语音驱动模块51与所述扬声器52相连。

所述本安电源模块1通过电源接口11为所述热释电红外检测模块、控制器模块和超声波检测模块提供电源，所述显示模块6包括显示接口61和显示屏62，所述控制器模块3的显示控制输出端与所述显示接口61相连，所述显示接口61与所述显示屏62相连。

如图3所示，控制器模块3、升压转换电路41、超声驱动电路42、超声回波滤波电路44、一级放大电路45、二级放大电路46、红外传感器驱动电路21、红外滤波电路23、红外放大电路24、电压比较电路25、语音驱动模块51制作成控制电路板封装在本装置的圆柱形本安壳体的内部。

将超声换能器组43的四个超声换能器a1、a2、a3、a4和热释电红外传感器组22的四个热释电红外传感器b1、b2、b3、b4分两排以向下45°的角度围绕本装置圆柱形本安壳体中部一周均匀安嵌，且超声换能器组43的输入端与超声驱动电路42相连，输出端与超声回波滤波电路44相连，热释电红外传感器组22的输入端与红外传感器驱动电路21相连，输出端与红外滤波电路23相连；将两个显示接口61嵌在圆柱形本安壳体的上部，且与控制器模块3的输出端相连；将电源接口11安嵌在圆柱形本安壳体下部，用于实现本安电源模块1与内置电路的连接；将扬声器52安装在圆柱形本安壳体内底部紧靠蜂窝孔处，并与语音驱动模块51相连。

如图4所示，将圆柱形本安壳体安装在井下危险区域7处的矿井下巷道的顶部且距离矿井下巷道的底部2 m的高度处，将两块显示屏62分别固定在危险区域两端距离巷道底部1.8 m高度处的巷道壁上，并将显示接口61和显示屏62连接。本安电源模块1置于巷道地面上，煤矿井下127V电压给本安电源模块1供电，本安电源模块再经过图2中的电源接口11给井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置供电。其中本安电源模块1是将127V电压降压为12V和5V，12V电源给控制器模块3，5V电源分别给热释电红外检测模块2和超声波检测模块4供电。

安装好后，将本安电源模块1输入端接通井下127V交流电源，本安电源模块1输出端接入电源接口11，本装置开始工作，控制器模块3先控制热释电红外检测模块2工作，当检测到人体接近时再控制超声波检测模块4工作，将本装置与人体的距离进行准确检测，当人体与井下危险区域7的距离达到预警值时迅速启动语音报警模块5进行语音、声音报警和显示屏62显示。

下面具体介绍本装置的工作原理：

井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置的信号发射与接收处理是由控制器模块3控制热释电红外检测模块2和超声波检测模块4共同作用实现的。由于普通的热释电红外传感器检测范围较小，因此本装置中热释电红外传感器组22的四个热释电红外传感器b1、b2、b3、b4均选用加装菲涅尔反射镜的热释电红外传感器，热释电红外传感器组22由内置电路的控制器模块3通过控制红外传感器驱动电路21驱动起来，当外界有人体通过时，人身体表面发出的红外光被热释电红外传感器组22接收到并转化为电压信号，电压信号经过红外滤波电路23进行滤波处理，再经过红外放大电路24进行放大，放大后的电压信号进入电压比较电路25与基准电压进行比较，将比较所得高电平信号传送到控制器模块3，则控制器模块3控制超声波检测模块4启动，超声换能器组43和超声驱动电路42及升压转换电路41构成一个RLC 振荡电路，由本安电源模块1提供12V的驱动电源经过滤波电容之后提供给升压转换电路41，经过升压转换电路41的升压后变为谐振驱动信号来驱动超声换能器组43，超声换能器组43发出的超声波信号遇到障碍后反馈回来并由超声换能器组43接收。接收的超声回波信号由超声回波滤波电路44进行滤波，由于超声回波较弱，需经一级放大电路45完成第一级信号放大处理，经过第一级放大后的信号再经由二级放大电路46完成第二级信号自动增益放大处理。为了保证在不同距离下，输出信号的幅度大体相同，根据人体与预警装置间距离的不同而采用四种不同的放大倍数：在小于 0.6m时，放大倍数为3；在0.6m到1.2m之间时，放大倍数为 8.2；在1.2m 到 1.8m 之间时，放大倍数为 10；当大于1.8m时，放大倍数为12。

控制器模块3内对信号进行峰值检测和电压比较，并在控制器模块3的运算器里进行距离计算，控制器模块3根据超声信号的飞行时间计算出人体与超声换能器组43的实际距离，如果检测到人体与超声换能器组43的距离小于等于2.8 m时，由于超声换能器组43嵌入圆柱形本安壳体的角度为向下45°，则可知此时人体与井下危险区域7的水平距离小于等于2 m。若经本装置检测人体与井下危险区域7的距离达到预警值时，则控制器模块3经信号处理，发出报警信号使得语音驱动模块51驱动扬声器52进行语音、声音交替报警，同时控制器模块3经内部电路驱动显示模块6的显示屏62显示此处危险源的名称、人体距离井下危险区域7的实际距离及人体应与之保持的安全距离，预警值可设定为2m、1m和0.5m，当人体与危险区域的距离达到2m的预警值时，扬声器52的声音和语音报警间隔为3s；当达到1m的预警值时，扬声器52的声音和语音报警间隔为1s；当达到0.5m的预警值时，扬声器52的声音和语音报警间隔为0.5s。当人体退出井下危险区域7的预警范围时，系统自动取消语音、声音交替报警和显示报警。当人体退出热释电红外传感器组22的监测范围时，电压比较电路25的比较结果变为低电平，控制器模块3接收到电压比较电路25的低电平信号后不会启动超声波检测模块4进行测距工作。

由于本预警装置的四个超声换能器a1、a2、a3、a4和四个热释电红外传感器b1、b2、b3、b4均匀安嵌在圆柱形本安壳体的四周，且每个超声换能器的有效探测范围为180°的扇形区域，每个热释电红外传感器的有效探测范围为85°，所以能够实现全方位监测，即无论人体从①②③或④哪个方向接近井下危险区域7，本装置均可检测到人体并测出人体与井下危险区域7的准确距离，从而实现可视听化的主动预警。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (5)

1.一种井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置，其特征在于，包括竖直设置的圆柱形本安壳体、本安电源模块（1）、热释电红外检测模块（2）、控制器模块（3）、超声波检测模块（4）、语音报警模块（5）和显示模块（6），本安电源模块（1）分别与热释电红外检测模块（2）、控制器模块（3）和超声波检测模块（4）相连，控制器模块（3）分别与热释电红外检测模块（2）、超声波检测模块（4）、语音报警模块（5）和显示模块（6）相连；

本安电源模块（1）用于为所述热释电红外检测模块（2）、控制器模块（3）和超声波检测模块（4）提供电源，热释电红外检测模块（2）用于探测人员进入井下危险区域的红外信号，并将其转化为电信号后发送给控制器模块（3），控制器模块（3）用于根据热释电红外检测模块（2）发送的电信号，控制所述超声波检测模块（4）发送和接收超声波信号以检测该人员与所述超声波检测模块（4）的距离，并根据所述超声波检测模块（4）的检测结果，控制语音报警模块（5）进行报警，同时将检测结果发送到显示模块（6）进行显示；

所述显示模块（6）还用于显示此处危险源的名称、应保持的安全距离：

所述热释电红外检测模块（2）包括红外传感器驱动电路（21）、热释电红外传感器组（22）、红外滤波电路（23）、红外放大电路（24）和电压比较电路（25），所述控制器模块（3）的红外控制输出端与所述红外传感器驱动电路（21）相连，所述红外传感器驱动电路（21）用于驱动所述热释电红外传感器组（22）；所述热释电红外传感器组（22）的输出信号依次经所述红外滤波电路（23）、红外放大电路（24）和电压比较电路（25）后与所述控制器模块（3）的红外控制输入端相连；

所述热释电红外传感器组（22）包括四个设置有菲涅尔反射镜的热释电红外传感器，四个热释电红外传感器均匀环绕设置在所述圆柱形本安壳体的外侧面，每个所述热释电红外传感器的设置角度为斜向下，与所述圆柱形本安壳体的母线成45度夹角。

2.根据权利要求1所述的井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置,其特征在于:所述超声波检测模块（4）包括升压转换电路（41）、超声驱动电路（42）、超声换能器组（43）、超声回波滤波电路（44）、一级放大电路（45）和二级放大电路（46），所述控制器模块（3）的超声控制输出端与升压转换电路（41）的输入端相连，所述升压转换电路（41）的输出信号依次经过所述超声驱动电路（42）、超声换能器组（43）、超声回波滤波电路（44）、一级放大电路（45）和二级放大电路（46）后传入所述控制器模块（3）的超声控制输入端。

3.根据权利要求1所述的井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置,其特征在于:所述语音报警模块（5）包括语音驱动模块（51）和扬声器（52），所述控制器模块（3）的语音控制输出端与所述语音驱动模块（51）相连，所述语音驱动模块（51）与所述扬声器（52）相连。

4.根据权利要求1所述的井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置,其特征在于: 所述本安电源模块（1）通过电源接口（11）为所述热释电红外检测模块（2）、控制器模块（3）和超声波检测模块（4）提供电源，所述显示模块（6）包括显示接口（61）和显示屏（62），所述控制器模块（3）的显示控制输出端与所述显示接口（61）相连，所述显示接口（61）与所述显示屏（62）相连，所述电源接口（11）和所述显示接口（61）都设置在所述圆柱形本安壳体的外侧面。

5.根据权利要求2所述的井下危险区域人体接近超声与红外一体化预警装置,其特征在于：所述超声换能器组（43）包括四个超声换能器，四个超声换能器均匀环绕设置在所述圆柱形本安壳体的外侧面，每个所述超声换能器的设置角度为斜向下，与所述圆柱形本安壳体的母线成45度夹角。

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