CN109870449A - 一种气体监控装置、系统和方法，以及橱柜 - Google Patents

一种气体监控装置、系统和方法，以及橱柜 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种气体监控装置、系统和方法，以及橱柜。气体监控装置包括：管状外壳，贴合设置于管状外壳内一端的光传输模块，贴合设置于管状外壳内另一端的气体检测模块，光传输模块的第一端面、气体检测模块的第二端面和管状外壳的密封结构形成腔体；光传输模块被配置为向腔体输入入射光，气体检测模块被配置为根据待检测气体的浓度调整第二端面与第一端面的距离。本发明实施例解决了现有技术中用于对气体进行安全检测的传感器，普遍存在灵敏度和精度较低，以及实用性较差的问题。

Description

一种气体监控装置、系统和方法，以及橱柜
技术领域
本申请涉及但不限于传感器技术领域，尤指一种气体监控装置、系统和方法，以及橱柜。
背景技术
目前大多数的厨房采用煤气罐或者天然气的供气方式，厨房用气安全成为日常生活中用户非常关注的问题。
日常生活中，厨房煤气泄漏现象时有发生，对用户的生命造成了一定的威胁，当煤气泄漏一定浓度时候，碰到明火会引起爆炸。现有技术中检测气体泄漏的设备例如为：接触燃烧式气体传感器、渐逝场型光纤传感器、折射率变化型光纤传感器、染料指示型光纤传感器和光谱吸收型光纤传感器等。上述用于橱柜安全检测的传感器普遍存在以下问题：第一，灵敏度和精度较低；第二，实用性较差，例如某些组件容易沾污，受周围环境影响较大，稳定性差，结构复杂，以及成本较高等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种气体监控装置、系统和方法，以及橱柜，以解决现有技术中用于对气体进行安全检测的传感器，普遍存在灵敏度和精度较低，以及实用性较差的问题。
本发明实施例提供一种气体监控装置，包括：管状外壳，贴合设置于所述管状外壳内一端的光传输模块，贴合设置于所述管状外壳内另一端的气体检测模块，所述光传输模块的第一端面、所述气体检测模块中与所述第一端面接近的第二端面和所述管状外壳的密封结构形成腔体；
所述光传输模块，被配置为通过所述第一端面，向所述腔体输入入射光；
所述气体检测模块，被配置为根据待检测气体的浓度，调整所述第二端面与所述第一端面的距离。
可选地，如上所述的气体监控装置中，所述气体检测模块包括：贴合设置于所述管状外壳远离所述光传输模块一侧的气敏膜层，贴合设置于所述管状外壳内用于形成所述第二端面的反射膜，所述气敏膜层、所述反射膜和所述管状外壳形成与所述密封结构共用所述第二端面的中空结构，所述中空结构内填充有压缩气体；
所述气敏膜层，被配置为吸附所述待检测气体；
所述反射膜，被配置为根据所述气敏膜层所吸附气体的质量，带动所述第二端面向所述第一端面移动。
可选地，如上所述的气体监控装置中，所述光传输模块包括贴合设置于所述管状外壳内壁的传感光纤，所述传感光纤包括纤芯和用于包裹所述纤芯的光纤管；
所述传感光纤，被配置为将进入所述纤芯的入射光输入到所述腔体中。
可选地，如上所述的气体监控装置中，所述气敏膜层的材料包括：复合高分子气敏材料和共轭高分子气敏材料中的一项或多项。
可选地，如上所述的气体监控装置中，所述反射膜的材料为：氧化钛或氧化硅。
可选地，如上所述的气体监控装置中，
所述气体检测模块，还被配置为在检测出所述待检测气体的浓度增加时，将所述第二端面向接近所述第一端面的位置移动，还被配置为在检测出所述待检测气体的浓度减少时，将所述第二端面向远离所述第一端面的位置移动。
可选地，如上所述的气体监控装置中，所述气体检测模块在检测出所述待检测气体的浓度发生变化时，将所述第二端面向接近所述第一端面移动的距离为k*A，所述气体监控装置的灵敏度为：
其中，所述Δφ'为因所述第二端面移动k*A对经所述腔体出射的第一光和第二光所产生的附加相位差，所述k为所述第二端面移动k*A后所述中空结构内压缩气体的振幅因子，所述A为所述第二端面移动k*A后所述中空结构内压缩气体的振幅，所述n2为所述腔体内介质的折射率，所述λ为所述入射光的波长，所述θ为光线在所述腔体内传输时与所述第一端面的法向量形成的夹角，所述π为圆周率。
本发明实施例还提供一种气体监控系统，包括：光源装置，如上述任一项所述的气体监控装置，以及接收装置和处理装置；
其中，所述光源装置与所述气体监控装置的光传输模块相连接，被配置为通过所述光传输模块向腔体输入入射光；
所述接收装置与所述气体监控装置的光传输模块相连接，被配置为接收所述入射光经过所述腔体后出射的第一光和第二光，并将接收的光信号传输给所述处理装置；
所述处理装置与所述接收装置相连接，被配置为根据所述第一光和所述第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否大于安全阈值。
可选地，如上所述的气体监控系统中，还包括以下一项或多项：
连接于所述光源装置与所述气体监控装置之间的隔离装置，被配置为对所述光源装置出射的入射光进行单向传播；
将所述光源装置和所述接收装置并行连接到所述气体监控装置上的分束装置，被配置为对所述光源装置向所述气体监控装置输入的入射光和经过所述气体监控装置后出射的光线进行分束处理；
与所述处理装置相连接的预警装置，被配置为在所述处理装置判断出所述待检测气体的浓度大于所述安全阈值时，发出报警信号。
本发明实施例还提供一种气体监控方法，所述气体监控方法由如上述任一项所述的气体监控系统执行，所述方法包括：
开启光源装置向气体监控装置输入入射光；
接收所述入射光经过气体监控装置后出射的第一光和第二光；
根据所述第一光和所述第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否超过安全阈值。
可选地，如上所述的气体监控方法中，还包括：
在判断出所述待检测气体的浓度大于所述安全阈值时，发出报警信号。
本发明实施例还提供一种橱柜，所述橱柜中配置有如上述任一项所述的气体监控系统。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时可以实现如上述任一项所述的气体监控方法。
本发明实施例提供的气体监控装置、系统和方法，以及橱柜，气体监控装置包括管状外壳，贴合设置于管状外壳内一端的光传输模块，贴合设置于管状外壳内另一端的气体检测模块，其中光传输模块的第一端面、气体检测模块的第二端面和管状外壳的密封结构形成腔体，该气体监控装置的光传输模块可以通过其第一端面向腔体输入入射光，该腔体可以在第二端面与第一端面的距离固定时，将到达第一端面的入射光出射为出射角相同、且具有固定相位差的第一光和第二光，气体检测模块可以根据待检测气体的浓度，调整第二端面与第一端面的距离。本发明提供的气体监控装置，通过形成位于光传输模块和气体检测模块之间的腔体对光线的作用原理，可以通过气体检测模块调节腔体的第二端面与第一端面的距离，改变出射光中第一光与第二光的相位差，从而准确的监控待测气体的浓度；另外，该气体监控装置的结构简单，使用便捷，成本低廉，非常适合市场化的应用。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的一种气体监控装置的结构示意图；
图2为一种F-P腔体的光路原理示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种气体监控装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种气体监控装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种气体监控系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种气体监控系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种气体监控方法的流程图；
图8为本发明实施例提供的另一种气体监控方法的流程图；
图9为本发明实施例提供的一种橱柜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
现在随着人们生活水平的提高，生活节奏也越来越快，住房白天无人居住，或者老人、小孩或者宠物独自在家的时候也越来越平常普遍。而厨房煤气泄漏现象时有发生，对用户的生命造成了一定的威胁，当煤气泄漏一定浓度时候，碰到明火会引起爆炸。以下简单介绍下现有技术中检测气体泄漏的几种传感器：
第一，接触燃烧式气体传感器：该传感器仅限于可燃性气体的检测，只能区别出可燃性气体和非可燃性气体，而不能具体确定是何种可燃性气体以及气体浓度；
第二，渐逝场型光纤传感器：该传感器仅通过检测光纤表面的渐逝场被气体的吸收程度来检测气体的浓度，但是这种裸露光纤的做法光纤容易被污染，实用意义不大；
第三，折射率变化型光纤传感器：该传感器是将对气体敏感的材料涂覆于光纤表面，这将导致光纤波导有效折射率、双折射率和损耗的变化，再通过测量马赫泽德干涉仪输出的光强度的变化获取待测气体的浓度，但是这种检测方式受环境温度、湿度的影响较大，稳定性较差；
第四，染料指示型光纤传感器：该传感器的原理是气体与染料发生化学反应时，染料的光学性质发生变化，测出光学性质的变化就能得知被测气体的浓度，受化学作用速度的限制，检测系统也复杂；
第五，光谱吸收型光纤传感器：该传感器的理论基础是比尔-朗伯定律，即气体对石英光纤传输窗口的近红外光产生吸收，光纤输出的光强会衰减，通过检测光强衰减量就可以得到待测气体的浓度，但是这种检测投入比较昂贵。
可以看出，上述现有技术中的几种用于检测气体泄漏的传感器普遍存在灵敏度和精度较低，以及实用性较差的问题，例如，某些组件容易沾污，受周围环境影响较大，稳定性差，结构复杂，以及成本较高等。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例提供的一种气体监控装置的结构示意图。本实施例提供的气体监控装置100可以包括：管状外壳130，贴合设置于管状外壳130内一端的光传输模块110，贴合设置于管状外壳130内另一端的气体检测模块120；如图1所示，光传输模块110的第一端面111、气体检测模块120中与该第一端面111接近的第二端面121和管状外壳130的密封结构形成腔体140。
本发明实施例的上述结构中，光传输模块110，被配置为通过其第一端面111，向腔体140输入入射光；
上述腔体140可以法布里-珀罗(Fabry-Perot，简称为：F-P)腔体140，F-P腔体140的光学原理为：在第二端面121与第一端面111的距离固定时，将到达第一端面111的入射光出射为出射角相同、且具有固定相位差的第一光和第二光，其中，第一光为由第一端面111直接反射的光线，第二光为经第一端面111透射到达第二端面121，由第二端面121反射后从第一端面111出射的光线；
气体检测模块120，被配置为根据待检测气体的浓度，调整第二端面121与第一端面111的距离；图1中示意性的表示出第二端面121的两个不同位置。
本发明实施例提供的气体监控装置100，为一种用于实现气体浓度检测的传感设备，该气体监控装置100中的光传输模块110可以与外部光源相接，入射光通过该光传输模块110传输到腔体140的入光面，且光传输模块110的第一端面111即为其自身的出光面，也为腔体140的入光面。
在本发明实施例中，气体监控装置100的整体结构中管状外壳130作为最外围的封装组件，该管状外壳130可以为陶瓷管，管状外壳130内的一端贴合设置光传输模块110，另一端贴合设置气体检测模块120，且光传输模块110与气体检测模块120之间具有一定的距离，使得上述两个相对设置的模块中接近的第一端面111和第二端面121，以及管状外壳130位于第一端面111和第二端面121之间的一段外壳部分形成一密封结构，该密封结构形成的空腔即为腔体140。该腔体140为具有上下两个反射端面的F-P腔体140，基于F-P腔体140对光线的作用原理，本发明实施例中的气体监控装置100可以视为F-P干涉型光纤传感器。
为了便于说明本发明实施例中F-P腔体140对光线的作用效果以及在本发明实施例中所起的作用，以下通过图2说明F-P腔体140的光路原理，如图2所示，为一种F-P腔体的光路原理示意图。图2中的F-P腔体140可以视为一种单根光纤，F-P腔体140具有两个反射端面，即第一端面111和第二端面121，该两个端面之间的距离L为该F-P腔体140的腔长，当入射光通过光传输模块110入射到该F-P腔体140时，入射光首先到达F-P腔体140的第一端面111，部分入射光直接被第一端面111反射形成第一光a，部分入射光透过第一端面111到达第二端面121，这部分光线被第二端面121反射后到达第一端面111，从第一端面111透过出射形成第二光b，且入射光经过F-P腔体140形成的第一光a和第二光b为出射角相同、且具有固定相位差的光线，可以看出，第一光a和第二光b平行，第一光a和第二光b的相位差与其光程差相关，即与F-P腔体140的腔长L相关，上述第一光a和第二光b形成由F-P腔体140的反射产生的干涉波光谱，通过对干涉波光谱的分析可以得到其相位差。
当外界参量(例如力、形变)以一定方式作用于该F-P腔体140，使其腔长L发生变化，即使第一光a和第二光b的相位差发生变化，即为本发明实施例提供的气体监控装置100的工作原理。由图1可以看出，气体监控装置100中F-P腔体140的两个反射端面分别为光传输模块110的第一端面111和气体检测模块120的第二端面121，其中，用于形成该F-P腔体140中一个反射端面的气体检测模块120，可以根据待检测气体的浓度，调整其第二端面121与第一端面111的距离，该距离即为F-P腔体140的腔长。当气体检测模块120接收到外界敏感量变化时(例如为待检测气体的浓度增加时)，干涉波光谱将发生相位漂移Δφ'，通过Δφ'可以逆向推导出被检测气体的参量，例如，通过Δφ'可以逆向反应出空气中甲烷(CH4)的含量或浓度超过设定的安全阈值。
需要说明的是，本发明实施例中气体检测模块120检测的气体可以是CH4，也可以是易燃、易爆或其它对人体有害的气体；气体检测模块120的中空结构内的压缩气体可以为压缩空气，也可以为其它压缩气体，例如为压缩的惰性气体。
与现有技术中用于检测气体的传感器相比，本发明实施例中的气体监控装置100，通过形成的F-P腔体140对光线的作用原理，可以通过气体检测模块120调节F-P腔体140的第二端面121与第一端面111的距离，改变出射光中第一光a与第二光b的相位差，从而准确的监控待测气体的浓度，解决了现有气体监控传感器灵密度和精度较差的问题；另外，本发明实施例提供的气体监控装置100的结构简单，使用便捷，成本低廉，非常适合市场化应用。
本发明提供的气体监控装置100，通过形成位于光传输模块110和气体检测模块120之间的腔体140对光线的作用原理，可以通过气体检测模块120调节腔体140的第二端面121与第一端面111的距离，改变出射光中第一光a与第二光b的相位差，从而准确的监控待测气体的浓度；另外，该气体监控装置100的结构简单，使用便捷，成本低廉，非常适合市场化的应用。
可选地，图3为本发明实施例提供的另一种气体监控装置的结构示意图。在图1所示气体监控装置100的结构基础上，本发明实施例中，气体检测模块120包括：贴合设置于管状外壳130远离光传输模块110一侧的气敏膜层122，贴合设置于管状外壳内用于形成第二端面121的反射膜123，其中，气敏膜层122、反射膜123和管状外壳130形成与上述密封结构共用第二端面121的中空结构(如图1和图3，用于形成中空结构的管状外壳130为气敏膜层122到反射膜123之间的一段外壳部分)，也就是说，气敏膜层122、反射膜123和上述管状外壳130形成一中空结构，该中空结构内填充有压缩气体。
本发明实施例的气体检测模块120的结构如图3所示，管状外壳130内贴合的反射膜123所形成的第二端面121接近光传输模块110，且上述实施例中已经说明，该第二端面121为腔体140的一个反射端面。在实际应用中，例如可以先在管状外壳130内贴合设置用于形成反射膜123的柔性基底层，再采用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，简称为：PECVD)技术在柔性基底层的下表面形成反射膜123，该反射膜123可以为具有高敏感性能的高反射膜，形成该反射膜123的材料可以为氧化钛(TiO2)或氧化硅(SiO2)，气敏膜层122的材料可以包括复合高分子气敏材料和共轭高分子气敏材料中的一项或多项；其中，常用的复合高分子气敏材料可以包括有聚酰亚胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酯等，实际应用中可以采用金属颗粒、四硫富瓦烯7,7,8,8-四氰基对二次甲基苯醌盐(Tetrathiafulvalene7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane salt，简称为：TTF-TCNQ)、碳纳米管等作为导电填充物，共轭高分子气敏材料可以包括：聚(双三丁基膦)-铂-二乙炔基联苯(poly-(bistributyl-phosphine)-platinum-diethynylbiphenyl，简称为：Pt-DEBP)，聚-2,5-二丁氧基乙炔苯(poly-2,5-dibutoxyethynylbenzene，简称为：DOEB)，聚-2,5-二辛氧基乙炔基苯(poly-2,5-dioctyloxyethynylbenzene，简称为：DBEB)。
本发明实施例的气体检测模块120中，气敏膜层122，被配置为吸附待检测气体；在气敏膜层122形成的中空结构的上表面吸附气体后，基于所吸附气体的质量对中空结构中的压缩空气可以形成固有的振动频率；
反射膜123，被配置为根据气敏膜层122所吸附气体的质量，带动第二端面122向第一端面111移动。
基于气体检测模块120的上述结构，对本发明实施例提供的气体监控装置100的灵敏度进行分析：气敏膜层122形成的中空结构的上表面(即与第二端面121相对的另一个端面)暴露于空气中，该上表面的气敏膜层122吸附CH4后质量会增加，从而挤压中空结构内的压缩气体，使得反射膜123形成的第二端面121发生形变，例如随气敏膜层122质量的增加，第二端面121向接近第一端面111的方向移动；设定外界CH4的安全气体浓度为C，该C即为安全浓度的临界值，此时，气敏膜层122吸收的CH4质量为m，并设定此时的压缩气体的固有频率为f，能够得到较好的共振效果；另外，设定气敏膜层122吸收CH4后质量逐渐增加到m时，压缩气体的振幅为A，共振因子为k，可以得到反射膜123形成的第二端面121的最大形变量ΔA'为：
ΔA'＝k*A； (1)
设定初始状态下，即气敏膜层122未吸附CH4时，F-P腔体140的腔长为L，当气体监控装置10接收到振幅为A的振动信号时，F-P腔体140的腔长L'为：
L'＝L-ΔA'； (2)
无论对于第一光a还是第二光b，相邻两条光波之间的光程差δ为：
参考图2所示，上述式(3)中，n1为入射光所在介质的折射率，n2为F-P腔体140内介质的折射率，i为第一光a(或第二光b)与光学平面(即第一端面111或第二端面121)法向量的夹角；
当n1为真空的折射率时，则式(3)可以变化为：
δ＝2n2L cosθ； (4)
上述式(4)中，θ为光线在F-P腔体140内传输时与光学平面(即第一端面111或第二端面121)的法向量形成的夹角。
图2中第一光a与第二光b的相位差Δφ的原理计算公式为：
上述式(5)中，λ为入射光的波长。基于上述式(5)，设定气体检测模块120中的反射膜123在初始位置时(即气敏膜层122没有吸附CH4时)，干涉光(即第一光a与第二光b)的相位差为Δφ0，当气体监控装置10接收到振幅为A的振动信号后，第二端面121向第一端面111一侧移动ΔA'，F-P腔体140的腔长变短，此时的相位差为Δφ0+Δφ'，则具有以下公式：
式(7)减式(6)，再将式(2)代入可以得到：
从上述式(8)可以得到，本发明实施例提供的气体监控装置100的灵敏度为：
上述式(9)中，Δφ'为因第二端面121移动k*A对经F-P腔体140出射的第一光a和第二光b所产生的附加相位差(即向第一端面111移动k*A后所产生的附加相位差)，k为第二端面121移动k*A后中空结构内压缩气体的振幅因子，A为第二端面121移动k*A后中空结构内压缩气体的振幅，n2为F-P腔体140内介质的折射率，λ为入射光的波长，θ为光线在F-P腔体140内传输时与光学平面(即第一端面111或第二端面121)的法向量形成的夹角，π为圆周率。
由上述式(9)可以看出，气体监控装置100的灵敏度与λ成正比，提高入射光的波长可以提高气体监控装置100的灵敏度。可选地，本发明实施例可以采用波长范围为1300纳米(nm)～1680nm的光线作为入射光；这样，可以实现一种高灵密度的气体检测装置。
可选地，在本发明实施例中，根据气体检测模块120的结构和腔体140对光线的作用原理可知，本发明实施例中的气体检测模块120，还被配置为在检测出待检测气体的浓度增加时，将第二端面121向接近第一端面111的位置移动，还被配置为在检测出待检测气体的浓度减少时，将第二端面121向远离第一端面111的位置移动。
可选地，图4为本发明实施例提供的又一种气体监控装置的结构示意图。在图3所示气体监控装置100的结构基础上，本发明实施例中，光传输模块110包括贴合设置于管状外壳130内壁的传感光纤110，该传感光纤包括纤芯112和用于包裹该纤芯112的光纤管113。
本发明实施例的传感光纤110可以为单模石英光纤，由纤芯112和包层(即光纤管113)组成，用于实现入射光的传输，该传感光纤110，被配置为将进入纤芯112的入射光输入到腔体140中，光线在纤芯112内例如以全反射传播的方式；参考图4可以看出，传感光纤110的第一端面111为腔体140的入光面，该第一端面111也为传感光纤110的出光面，入射光由传感光纤110中与第一端面111相对的另一个端面114入射到纤芯112内，并且入射光在纤芯112内以全反射方式进行传输，可以将光能的损耗降至最低。
本发明上述各实施例提供的气体监控装置100为一种F-P干涉型光纤传感器，该传感器的气敏膜层122所形成的中空结构的上表面暴露于空气中，由于高分子气敏材料因空气中待测气体(例如为CH4)浓度的变化会发生微小形变与压缩气体共振，使得反射膜123形成的第二端面121向接近第一端面111的方式移动，从而导致干涉波光谱相位也发生变化，有这一变化即可逆向推算出CH4的浓度，从而实现气体检测。另外，该F-P干涉型光纤传感器具有抗电磁干扰、绝缘、灵敏度高、体积小质量轻、耐腐蚀、信号衰弱小的优点，满足了如易燃易爆场合、不能带有静电荷、强电磁干扰等应用场景。将该F-P干涉型光纤传感器应用于橱柜上，成本廉价，设计简单，易于市场化，尤其在无人或者用户熟睡的房间，可以大大的减少小孩、宠物独自留在家中发生煤气中毒或者厨房爆炸的风险。
基于本发明上述实施例提供的气体监控装置100，本发明实施例还提供一种气体监控系统，该气体监控系统中的主要结构包括本发明上述任一实施例中的气体监控装置100。
图5为本发明实施例提供的一种气体监控系统的结构示意图。本实施例提供的气体监控系统10可以包括：光源装置200，气体监控装置100，以及接收装置300和处理装置400，其中，气体监控装置100可以为本发明上述任一实施例提供的气体监控装置100，图5以图4所示气体监控装置100的结构为例予以示出。
本发明实施例的上述结构中，光源装置200与气体监控装置100的光传输模块110相连接，被配置为通过光传输模块110向腔体140输入入射光，本发明实施例中的腔体140同样可以F-P腔体140，该F-P腔体140的光学原理和对入射光的作用效果在上述实施例中已经详细描述，故在此不再赘述；该光源装置200例如为一光源，可以是用于发出波长范围在1300nm～1680nm的宽带光源。
接收装置300与气体监控装置200的光传输模块110相连接，被配置为接收入射光经过腔体140后出射的第一光和第二光，并将接收的光信号传输给处理装置400；该接收装置300例如为一光敏感接收器。
处理装置400与接收装置300相连接，被配置为根据第一光和第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否大于安全阈值；该处理装置400例如一中央处理器(CentralProcessing Unit，简称为：CPU)，可以对接收的光信号进行处理。
在本发明实施例提供的气体监控系统10，为一种用于实现气体浓度检测的完整体系，其中包括被配置为检测气体浓度的传感器，即上述任一实施提供的气体监控装置100，还包括与该气体监控装置100配合完成检测的其它设备。在实际应用中，光源装置200的出光口可以与光传输模块110入光口相连接，以通过光传输模块110的光传输通道(例如纤芯113)向F-P腔体140输入入射光；接收装置300的入光口可以与光传输模块110出光口相连接，通过光传输模块110的光传输通道接收入射光经过F-P腔体140后出射的第一光a和第二光b。
需要说明的是，光传输模块110的入光口和出光口实际上为光传输模块110的同一个端面，即与第一端面111相对的另一个端面114，光源装置200提供的入射光从该端面114射入到光传输模块110中，入射光经过F-P腔体140对光线的作用反射的第一光a和第二光b同样从该端面114出射后被接收装置300接收到。另外，本发明实施例中F-P腔体140对入射光的光路原理以及F-P腔体140与气体检测模块120结合实现气体检测的原理，上述实施例中已经详细描述，故在此不再赘述。
在本发明实施例中，处理装置400可以持续获取到由接收装置300传输的第一光a和第二光b的光信号，该第一光a和第二光b的光信号例如为干涉波光谱信息，该处理装置400可以对干涉波光谱信息进行处理，以将光信号转换为数字信号，根据转换后得到的数字信号即可获知第一光a和第二光b的相位是否发生漂移，并可以得到相位漂移的数值Δφ'，从而通过Δφ'可以逆向反应出第二端面121向第一端面111移动的距离，以空气中待测气体安全浓度为上述实施例中的临界值为例予以说明，此时，第二端面121的最大形变量为ΔA'，且在第二端面121的形变超过ΔA'时，上述相位漂移的数值Δφ'超过允许的最大临界值，也就是说，通过相位漂移的数值Δφ'可以逆向反应出空气中的待测气体是否安全；在实际应用中，若相位漂移的数值Δφ'小于或等于最大临界值，说明气体浓度小于或等于安全阈值，则气体检测系统10的检测结果为安全，若相位漂移的数值Δφ'大于最大临界值，说明气体浓度大于安全阈值，则气体检测系统10的检测结果为有害气体浓度超标，说明空气环境不安全。
本发明实施例提供的气体监控系统10，包括光源装置200，上述任一实施例中的气体监控装置100，以及接收装置300和处理装置400，光源装置可以通过光传输模块110向腔体140输入入射光，接收装置300可以接收入射光经过腔体140后出射的第一光和第二光，并将接收的光信号传输给处理装置400，处理装置400可以根据第一光和第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否大于安全阈值。本发明提供的气体监控系统10，将上述实施例提供的气体监控装置100作为气体浓度检测的传感设备，并通过处理装置400对接收到的光信号的数据处理，确定出待测气体的浓度是否超过安全阈值，从而准确有效的实现对待测气体的浓度监控；另外，该气体监控系统10的结构简单，使用便捷，成本低廉，非常适合市场化的应用。
可选地，图6为本发明实施例提供的另一种气体监控系统的结构示意图。在图5所示气体监控系统10的结构基础上，本发明实施例提供的气体监控系统10，还可以包括以下结构中的一项或多项：隔离装置500、分束装置600和预警装置700，其中，隔离装置500连接于光源装置200与气体监控装置100之间，分束装置600将光源装置200和接收装置300并行连接到气体监控装置100上，预警装置700与处理装置400相连接。
本发明实施例提供的气体监控系统10的结构如图6所示，隔离装置500，被配置为对光源装置200出射的入射光进行单向传播；该分束装置600例如为一光纤隔离器，采用该光纤隔离器实现光信号的单向传输；
分束装置600，被配置为对光源装置200向气体监控装置100输入的入射光和经过气体监控装置100后出射的光线进行分束处理；该分束装置600例如为一分束器，光源装置200发出的入射光经过该分束装置600后到达气体监控装置100，入射光进入气体监控装置100并经过腔体140的作用后出射的第一光a和第二光b同样先经过分束装置600后被接收装置300接收，避免入射光与出射光的干扰；
预警装置700，被配置为在处理装置400判断出待检测气体的浓度大于安全阈值时，发出报警信号；该预警装置700例如为报警器，可以在接收到报警信号时，根据信号的指示点亮报警灯、发出鸣笛等报警指示信息，还可以发出其它类型的报警信息，例如预警装置700通过网络与用户的移动终端相连接，实现远程发送报警信息。
需要说明的是，图6以气体检测系统10包括上述隔离装置500、分束装置600和预警装置700为例予以示出，图6中未示意出气体监控装置100的具体结构，即示意出各装置的连接关系，该气体监控装置100可以为图1到图4所示任一气体监控装置100。实际应用中，若需要在多个位置监控气体浓度，可以在监控位置设置多个气体监控装置100，这多个气体监控装置100可以具有独立的接收装置300，另外，这些气体监控装置100可以共用光源装置100、处理装置400、分束装置600和预警装置700。
本发实施例中的气体检测系统10，将气体监控装置100与提供入射光的光源装置200、后续接收光信号的接收装置300，以及进行数据处理的处理装置400和预警装置700集成为一体化设备，便于随时监控气体浓度随时发出警报，非常适应目前的市场化应用。
基于本发明上述实施例提供的气体监控系统10，本发明实施例还提供一种气体监控方法，该气体监控方法由本发明上述任一实施例提供的气体监控系统10执行，如图7所示，为本发明实施例提供的一种气体监控方法的流程图，该气体监控方法包括如下步骤：
S810，开启光源装置向气体监控装置输入入射光；
S820，接收入射光经过气体监控装置后出射的第一光和第二光；
S830，根据第一光和第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否大于安全阈值。
本发明实施例提供的气体监控方法由上述图5或图6所示任一实施中的气体监控系统10执行，该气体监控系统10和其中气体监控装置100的具体结构，以及其中各个装置所实现的功能在上述实施例中已经详细描述，故在此不再赘述。采用本发明实施例中的气体监控系统10对气体浓度进行监控的原理为：由开启的光源装置提供入射光，入射光通过气体传输模块输入到气体监控装置的腔体中，入射光经过腔体出射为相干涉的第一光和第二光，通过持续获取第一光和第二光，以及对干涉波光谱的处理，可以获知干涉波光谱相位是否发生漂移，并可以得到相位漂移的数值Δφ'，从而通过Δφ'可以逆向反应出第二端面121向第一端面111移动的距离，以空气中待测气体安全浓度为上述实施例中的临界值为例予以说明，此时，第二端面121的最大形变量为ΔA'，且在第二端面121的形变超过ΔA'时，上述相位漂移的数值Δφ'超过允许的最大临界值，也就是说，通过相位漂移的数值Δφ'可以逆向反应出空气中的待测气体是否安全；在实际应用中，若相位漂移的数值Δφ'小于或等于最大临界值，说明气体浓度小于或等于安全阈值，则气体检测系统的检测结果为安全，若相位漂移的数值Δφ'大于最大临界值，说明气体浓度大于安全阈值，则气体检测系统的检测结果为有害气体浓度超标，说明空气环境不安全。
需要说明的是，本发明实施例中腔体(例如为F-P腔体)对入射光的作用原理，以及将入射光出射为具有相同出射角、且相位差固定的第一光和第二光的原理在上述实施例中已经详细说明，故在此不再赘述。
本发明实施例提供的气体监控方法，采用上述图5或图6所示任一实施例中的气体监控系统10执行气体监控，通过开启的光源装置向气体监控装置输入入射光，接收入射光经过气体监控装置后出射的第一光和第二光，根据第一光和第二光的相位差判断待测气体的浓度是否超过安全阈值。本发明提供的气体监控方法，将上述实施例提供的气体监控装置作为气体浓度检测的传感设备，并通过对接收到的光信号(即相干涉的第一光和第二光)进行数据处理，确定出待测气体的浓度是否超过安全阈值，从而准确有效的实现对待测气体的浓度监控；另外，用于执行该方法的气体监控系统的结构简单，使用便捷，成本低廉，非常适合市场化的应用。
可选地，图8为本发明实施例提供的另一种气体监控方法的流程图。在图7所示流程的基础上，本发明实施例提供的气体监控方法中，S830可以包括：
S831，将第一光和第二光的光信号转换为数字信号，以得到第一光和第二光的相位差；
S832，根据相位差判断待检测气体的浓度是否大于安全阈值；若浓度大于安全阈值，则执行S840；若浓度小于或等于安全阈值，则返回继续执行S820；
S840，发出报警信号。
在本发明实施例中，报警信号的形式可以包括点亮报警灯、发出鸣笛等报警指示信息，还可以发出其它类型的报警信息，例如气体检测系统通过网络与用户的移动终端相连接，实现远程发送报警信号。
基于本发明上述实施例提供的气体监控系统10，本发明实施例还提供一种橱柜，如图9所示，为本发明实施例提供的一种橱柜的结构示意图，该橱柜20中配置有如上述图5或图6所示任一实施例中的气体监控系统10。需要说明的是，图9中仅示意性表示出气体监控系统10中气体监控装置100和预警装置700的设置位置，气体监控装置100可以设置于容易发生气体泄漏的区域，预警装置700可以设置于显眼的、便于用户发现报警的区域，气体监控系统10的其它装置的位置可以根据橱柜的结构和大小进行灵活配置。
可选地，在本发明实施例中，气体监控系统10中气体监控装置100在橱柜中的配置位置包括以下位置中的一个或多个：燃气罐区域、燃气开关区域、燃气管道接入区域。
如图9所示，示意出一种安装于用户住宅内的橱柜，该橱柜还包括橱柜主体20，燃气罐210，燃气开关220和燃气灶具230，本发明实施例中的橱柜主体20不限于图9所示结构和形式。在本发明实施例的一种可能的实现方式中，橱柜可以采用燃气罐210的供气方式(如图9所示)，在该应用场景中，燃气罐210所处区域和燃气开关220所处区域为燃气泄漏的高发区域，可以在这些区域布设气体监控系统10的传感器(即气体监控装置100)。在本发明实施例的另一种可能的实现方式中，橱柜也可以采用天然气的供气方式，在该应用场景中，燃气管道接入区域和燃气开关区域为燃气泄漏的高发区域，可以在这些区域布设气体监控系统10的传感器(即气体监控装置100)。
需要说明的是，若需要对橱柜中的多个区域进行气体监控，则可以在监控的每个区域设置一个气体监控装置100，这些气体监控装置100可以具有独立的接收装置300，另外，这些气体监控装置100可以共用光源装置100、处理装置400、分束装置600和预警装置700。也就是说，光源装置100可以向布设于不同位置的多个气体监控装置100提供光源，入射光进入到不同的气体监控装置100后，由对应的接收装置300接收相干涉的光信号，不同气体监控装置100出射的光信号可以由一台处理装置400进行数据处理，处理装置400可以根据光信号的来源获知哪个区域的气体监控装置100检测出超过安全阈值的气体浓度，且通过预警装置700发出报警信号，该预警装置700的报警器可以与上述气体监控装置100相对于，明确的指示报警信号的来源是哪台气体监控装置100。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有可执行指令，该可执行指令被处理器执行时可以实现本发明上述任一实施例提供的气体监控方法，该气体监控方法可以用于实时监控空气中待检测气体的浓度，从而对空气环境进行安全性的判定。本发明实施例提供的计算机可读存储介质的实施方式与本发明上述实施例提供的气体监控方法基本相同，在此不做赘述。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种气体监控装置，其特征在于，包括：管状外壳，贴合设置于所述管状外壳内一端的光传输模块，贴合设置于所述管状外壳内另一端的气体检测模块，所述光传输模块的第一端面、所述气体检测模块中与所述第一端面接近的第二端面和所述管状外壳的密封结构形成腔体；
所述光传输模块，被配置为通过所述第一端面，向所述腔体输入入射光；
所述气体检测模块，被配置为根据待检测气体的浓度，调整所述第二端面与所述第一端面的距离。
2.根据权利要求1所述的气体监控装置，其特征在于，所述气体检测模块包括：贴合设置于所述管状外壳远离所述光传输模块一侧的气敏膜层，贴合设置于所述管状外壳内用于形成所述第二端面的反射膜，所述气敏膜层、所述反射膜和所述管状外壳形成与所述密封结构共用所述第二端面的中空结构，所述中空结构内填充有压缩气体；
所述气敏膜层，被配置为吸附所述待检测气体；
所述反射膜，被配置为根据所述气敏膜层所吸附气体的质量，带动所述第二端面向所述第一端面移动。
3.根据权利要求1所述的气体监控装置，其特征在于，所述光传输模块包括贴合设置于所述管状外壳内壁的传感光纤，所述传感光纤包括纤芯和用于包裹所述纤芯的光纤管；
所述传感光纤，被配置为将进入所述纤芯的入射光输入到所述腔体中。
4.根据权利要求2所述的气体监控装置，其特征在于，所述气敏膜层的材料包括：复合高分子气敏材料和共轭高分子气敏材料中的一项或多项。
5.根据权利要求2所述的气体监控装置，其特征在于，所述反射膜的材料为：氧化钛或氧化硅。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的气体监控装置，其特征在于，
所述气体检测模块，还被配置为在检测出所述待检测气体的浓度增加时，将所述第二端面向接近所述第一端面的位置移动，还被配置为在检测出所述待检测气体的浓度减少时，将所述第二端面向远离所述第一端面的位置移动。
7.根据权利要求6所述的气体监控装置，其特征在于，所述气体检测模块在检测出所述待检测气体的浓度发生变化时，将所述第二端面向接近所述第一端面移动的距离为k*A，所述气体监控装置的灵敏度为：
其中，所述Δφ'为因所述第二端面移动k*A对经所述腔体出射的第一光和第二光所产生的附加相位差，所述k为所述第二端面移动k*A后所述中空结构内压缩气体的振幅因子，所述A为所述第二端面移动k*A后所述中空结构内压缩气体的振幅，所述n2为所述腔体内介质的折射率，所述λ为所述入射光的波长，所述θ为光线在所述腔体内传输时与所述第一端面的法向量形成的夹角，所述π为圆周率。
8.一种气体监控系统，其特征在于，包括：光源装置，如权利要求1～7中任一项所述的气体监控装置，以及接收装置和处理装置；
其中，所述光源装置与所述气体监控装置的光传输模块相连接，被配置为通过所述光传输模块向腔体输入入射光；
所述接收装置与所述气体监控装置的光传输模块相连接，被配置为接收所述入射光经过所述腔体后出射的第一光和第二光，并将接收的光信号传输给所述处理装置；
所述处理装置与所述接收装置相连接，被配置为根据所述第一光和所述第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否大于安全阈值。
9.根据权利要求8所述的气体监控系统，其特征在于，还包括以下一项或多项：
连接于所述光源装置与所述气体监控装置之间的隔离装置，被配置为对所述光源装置出射的入射光进行单向传播；
将所述光源装置和所述接收装置并行连接到所述气体监控装置上的分束装置，被配置为对所述光源装置向所述气体监控装置输入的入射光和经过所述气体监控装置后出射的光线进行分束处理；
与所述处理装置相连接的预警装置，被配置为在所述处理装置判断出所述待检测气体的浓度大于所述安全阈值时，发出报警信号。
10.一种气体监控方法，其特征在于，所述气体监控方法由如权利要求8或9所述的气体监控系统执行，所述方法包括：
开启光源装置向气体监控装置输入入射光；
接收所述入射光经过气体监控装置后出射的第一光和第二光；
根据所述第一光和所述第二光的相位差判断待检测气体的浓度是否超过安全阈值。
11.根据权利要求10所述的气体监控方法，其特征在于，还包括：
在判断出所述待检测气体的浓度大于所述安全阈值时，发出报警信号。
12.一种橱柜，其特征在于，所述橱柜中配置有如权利要求8或9所述的气体监控系统。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时可以实现如权利要求10或11所述的气体监控方法。
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