CN111693479A - 基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜 - Google Patents
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Abstract
基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，涉及瓦斯监测技术，属于气体检测技术领域。解决了现有瓦斯检测装置不方便携带以及检测不灵敏的缺陷。瓦斯检测眼镜中的集成检测电路嵌入固定在眼镜本体的一个镜腿内，微型激光源固定在眼镜本体的镜片上，该微型激光器在集成检测电路的控制下发出激光信号，菲涅尔透镜固定在眼镜本体前部镜框上，光探测器也固定在眼镜本体前部镜框上，用于采集菲涅尔透镜投射的光信号，该光探测器输出检测信号给集成检测电路，该集成检测电路用于根据接收到的检测信号产生报警信号，并将该报警信号发送报警电路。本发明具有灵敏性、实用性和便利性的有点，适用于井下作业，同时也适用于有可能存在瓦斯气体的洞穴探险。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯监测技术，属于气体检测技术领域。
背景技术
在煤炭开采过程中，瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯冲突、中毒等多种自然灾害频繁发生。在这些事故中，尤以瓦斯爆炸造成的损失最大。从每年的事故统计中来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸，约占特大事故的70％左右。为此，瓦斯称为煤矿灾害之王。我国对煤矿的需求量巨大，我国总产量约占世界总产量的40％，然而我国煤矿大部分是深层矿，所以没有办法用超大型的自动化采掘设备来降低对人工劳动的需求，这就意味着我们的煤矿是劳动力密集型，需要更多工人参与。那么分析瓦斯爆炸原因，制定防治对策都显得尤为重要。
瓦斯爆炸是一种热---链式反应(也叫链锁反应)，就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。瓦斯是一种易燃易爆气体，主要成分为甲烷(CH4)，甲烷的爆炸上限为15％，下限为5％，在浓度为9.5％时极易爆炸，还会受到温度、压力以及煤尘、其他可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12％以下时，瓦斯混合气体失去爆炸性。这一性质对井下密闭的火区有很大影响，在密闭空间内往往积存大量瓦斯，煤矿井下煤尘等空气杂质多，工作人员比较聚集且有火源存在，这一情况是的瓦斯爆炸可能性大大提高。想要检测这种环境条件，仅靠人的嗅觉和呼吸系统感应是不行的。当人对此环境做出生理反应时，往往为时已晚，很难避免灾难的发生。基于此，如何快速灵敏检测出各气体浓度并及时给出响应反馈给矿井工作人员是一件十分必要的事情。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是设计一种快速灵敏监测矿井中瓦斯浓度并能够作出相应反馈，本发明提出了基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，本发明的技术方案如下：
基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜包括眼镜本体、微型激光器、集成检测电路、报警电路、菲涅尔透镜、光探测器和报警电路，集成检测电路嵌入固定在眼镜本体的一个镜腿内，微型激光器固定在眼镜本体的镜片上，该微型激光器在集成检测电路的控制下发出激光信号，菲涅尔透镜固定在眼镜本体前部镜框上，光探测器也固定在眼镜本体前部镜框上，用于采集菲涅尔透镜投射的光信号，该光探测器输出检测信号给集成检测电路，该集成检测电路用于根据接收到的检测信号产生报警信号，并将该报警信号发送报警电路。
上述集成检测电路包括信号放大器、微控制器和激光驱动器，微控制器发送激光驱动信号给激光驱动器，该激光驱动器根据接收到的激光驱动信号控制微型激光器发出指定温度和波长的激光信号，信号放大器接收光探测器出输出的探测信号并将其放大之后发送给微控制器，该微控制器将接收到的放大之后的探测信号与微型激光器设置的参考信号进行比较获得报警信号。
微型激光器设置的参考信号可以为多个，对应的报警信号为多级、且与参考信号一一对应，当探测信号高于最高参考信号时，对应报警信号为最高级，当探测信号低于最高参考信号且高于次高参考信号时，对应报警信号为次高级，以此类推。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
灵敏性，利用红外吸收光谱检测瓦斯浓度，使得传感器具有极高的灵敏度，远远超过人的嗅觉和呼吸系统的灵敏，使得可以做出快速的实时监测。
精确性，采用波长调制技术和锁相放大电路极大提高了系统的精确性，不会使得系统采集到错误信号，以至误导工作人员，影响工作效率。
实用性，将检测装置与现有眼镜相结合，在实际使用过程中，眼镜不仅保护了使用者的眼睛，同时还实现了对环境空气的监控，保证了工作的安全性，同时也不会对工人的工作产生影响。
便利性，所有检测系统通过集成在眼镜上，不会占用太大面积，不会影响到工人的正常工作。
本发明所述的瓦斯检测眼镜适用于井下作业，同时也适用于有可能存在瓦斯气体的洞穴探险。
附图说明
图1是本发明所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜的外观示意图，其中1为声音报警器，2为微型激光器，3为预警灯，4为集成检测电路。图2是激光透射气室时的光路示意图。图3是本发明所述的瓦斯检测眼镜的工作原理示意图。图4是本发明所述的瓦斯检测眼镜依据信号实现报警的原理示意。
具体实施方式
具体实施方式一.参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜包括眼镜本体、微型激光器、集成检测电路4、报警电路、菲涅尔透镜、光探测器和报警电路，集成检测电路4嵌入固定在眼镜本体的一个镜腿内，微型激光器2固定在眼镜本体的两个镜片中间的镜框上，该微型激光器2在集成检测电路4的控制下发出激光信号，菲涅尔透镜固定在眼镜本体前部镜框上，光探测器也固定在眼镜本体前部镜框上，用于采集菲涅尔透镜投射的光信号，该光探测器输出检测信号给集成检测电路4，该集成检测电路4用于根据接收到的检测信号产生报警信号，并将该报警信号发送报警电路。
上述瓦斯检测眼镜的眼镜本体可以采用头戴式结构，即：两个镜腿的后端通过绑带连接，使用时，将眼镜本体套在头部，并通过绑带固定在头部，避免由于运动导致眼镜松动或掉落的情况发生，该种眼镜本体适用于户外活动佩戴。本发明采用该种眼镜本体结构能够保证瓦斯检测眼镜始终位于使用者的头部，在不影响使用者的正常活动的前提下，能够实现对使用者所在环境的空气进行有效的检测。
上述集成检测电路用于根据接收到的检测信号产生报警信号，是指集成检测电路将接收到的检测信号与微型激光器中设置的参考信号进行比较之后获得报警信号。
上述集成检测电路包括信号放大器、微控制器和激光驱动器，微控制器发送激光驱动信号给激光驱动器，该激光驱动器根据接收到的激光驱动信号控制微型激光器发出指定温度和波长的激光信号，信号放大器接收光探测器出输出的探测信号并将其放大之后发送给微控制器，该微控制器将接收到的放大之后的探测信号与微型激光器中设置的参考信号进行比较获得报警信号。
上述激光驱动器包括调制信号电路和温度控制器，调制信号电路用于根据微控制器发送的激光驱动信号调整微型激光器发射激光的波长，温度控制器用于根据微控制器发送的激光驱动信号调整微型激光器发射激光的温度。
上述参考信号是在微型激光器内部预先设置的，该参考信号的具体设置值根据实际需求设置即可，设置原则就是依据检测结果对人体健康的危害程度设置即可。
在微型激光器的激光发射端固定有准直器。
本实施方式所述的瓦斯检测眼镜的工作原理参见图2、图3，具体为：当使用者佩戴该瓦斯检测眼镜时，位于镜片上的微型激光器在集成检测电路的控制下发射出激光，即：该激光束从镜片位置朝向瓦斯检测眼镜的前方发射，该激光的光路参见图3所示，该激光穿过所在环境的空气(相当于图2中的气室)之后，遇到障碍物反射，反射光经位于眼镜本体前部镜框上的菲涅尔透镜汇聚之后透射至光探测器的光接受面，该光探测器将接收到的激光信号转换成电信号后经过信号放大器放大后输送给微控制器，该微控制器将该信号与微型激光器中设置的参考信号进行比较，进而获得空气中有害气体的浓度，进而确定是否对人体由危险，当判定对人体有危险时会产生报警信号。
本实施方式所述的瓦斯检测眼镜的工作原理为：
所述微型激光器作为检测激励，当光透过介质时(本发明中的介质就是环境空气，相当于图2中的气室)，由于每种气体分子都具有吸收谱特性，当光的发射光谱与气体吸收谱重叠时，该部分才会被吸收，另一部分会被透射出。其中，介质对光的吸收遵循朗伯-比尔定律：
上述公式中，I(λ)为输出光的强度；I0(λ)为输入光的强度；αλ为特定波长下单位体积和长度的气体吸收系数；L为光透过的气室长度；C为被测气体浓度。激光透射气室如图2所示。
红外吸收光谱检测瓦斯浓度的技术模型：首先利用调制信号电路和温度控制器控制激光器的波长和温度，激光经过准直器校准后穿过气体池，当遇到障碍物时激光将向各个方向发出反射，反射光经过菲涅尔透镜汇聚激光信号并通过光电探测器转换为电信号，电信号经过放大器放大后与参考信号进行比较分析。模型图如图3所示：
甲烷气体的本征吸收峰为I1＝3.432μm，I2＝6.78μm，I3＝3.31μm，I4＝7.66μm处。在联合频带V2+2V3的波长为1.3μm，泛频带2V3的波长为1.6μm，在1.6μm处对甲烷的吸收强度远大于1.3μm处。在煤矿井下，瓦斯不仅含有甲烷，还含有二氧化碳、氮气、水、乙烯、乙烷、二氧化硫、硫化氢等一些痕量气体，甲烷在3.31μm处的特征吸收峰与气体烃烷类一致，因此还需考虑到痕量气体对红外光谱的吸收。目前，国内外检测甲烷气体浓度的研究主要集中于1.665μm近红外光段。痕量气体浓度对于瓦斯浓度的影响很小，因此不会影响检测结果。
根据上述原理，微控制器根据接收到的检测信号与微型激光器中设置的参考信号进行比较就可以确定空气中瓦斯浓度，当该瓦斯浓度较小，对于人体来说为安全情况时，不会发出预警信号，当该瓦斯浓度较大、可能危害人体健康时就会发出报警信号。
具体实施方式二.本实施方式是对具体实施方式一所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜的进一步限定，本实施方式中，微型激光器中设置的参考信号为多个，对应的报警信号为多级、且与参考信号一一对应，当探测信号高于最高参考信号时，对应报警信号为最高级，当探测信号低于最高参考信号且高于次高参考信号时，对应报警信号为次高级，以此类推。
本实施方式中，微控制器中预先存储的参考信号为多个，对应的报警信号也为多个，时根据实际情况设置了多个报警等级。例如：所述预先存储的参考信号为两个，分别为低参考信号、高参考信号，对应的报警信号为一级报警信号、二级报警信号，当探测信号高于低参考信号且低于高参考信号时，表示空气中有瓦斯、且瓦斯浓度比较低，可适合工作，此时产生的报警信号为一级报警信号，告知佩戴瓦斯检测眼镜的人员注意；当探测信号高于高参考信号时，表示空气中的瓦斯浓度为对人体即将造成危害，不再适合继续工作，需要人员立即撤离，产生的报警信号为二级报警信号。
具体实施方式三.参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜的进一步限定，本实施方式中所述的报警电路采用预警灯3实现，该预警灯3为红色光源，当报警电路接收到报警信号时，该预警灯3点亮或闪烁。
本实施方式所述的预警灯的报警状态可以根据实际情况来设定，也可以设计成多种模式，例如：与具体实施方式二所述的瓦斯检测眼镜相对应，当报警信号为一级报警信号时，预警灯为常亮，以提示检测到的瓦斯，等仍可继续工作，当报警信号为二级报警信号时，预警灯为闪烁，以提示瓦斯浓度较高，应立即采取安全措施。
该预警灯可以采用红色发光二极管实现。
具体实施方式四.参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜的进一步限定，本实施方式中所述的报警电路采用声音报警器1实现，当报警电路接收到报警信号时，该声音报警器1发出声音信号，以提示检测到的瓦斯浓度有危险。所述声音报警器1可以采用蜂鸣器等扬声装置实现。例如：采用电磁式蜂鸣器。
本实施方式所述的预警灯的报警状态可以根据实际情况来设定，也可以设计成多种模式，例如：与具体实施方式二所述的瓦斯检测眼镜相对应，当报警信号为一级报警信号时，声音报警器发出间隔时间较长的短鸣，以提示检测到的瓦斯，等仍可继续工作，当报警信号为二级报警信号时，声音报警器发出时间间隔较短的短鸣，以提示瓦斯浓度较高，应立即采取安全措施。
本发明所述的报警电路可以采用声光报警电路，即：同时包含有预警灯和声音报警器，当报警电路接收到报警信号时，预警灯开始闪烁，同时该声音报警器发出声音信号，以提示检测到的瓦斯浓度有危险，提醒眼镜佩戴者采取安全措施。
Claims (10)
1.基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，该瓦斯检测眼镜包括眼镜本体，其特征在于，该瓦斯检测眼镜还包括微型激光器、集成检测电路、报警电路、菲涅尔透镜、光探测器和报警电路，集成检测电路嵌入固定在眼镜本体的一个镜腿内，微型激光器固定在眼镜本体的两个镜片中间的镜框上，该微型激光器在集成检测电路的控制下发出激光信号，菲涅尔透镜固定在眼镜本体前部镜框上，光探测器也固定在眼镜本体前部镜框上，用于采集菲涅尔透镜投射的光信号，该光探测器输出检测信号给集成检测电路，该集成检测电路用于根据接收到的检测信号产生报警信号，并将该报警信号发送报警电路。
2.根据权利要求1所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述的集成检测电路包括信号放大器、微控制器和激光驱动器，微控制器发送激光驱动信号给激光驱动器，该激光驱动器根据接收到的激光驱动信号控制微型激光器发出指定温度和波长的激光信号，信号放大器接收光探测器出输出的探测信号并将其放大之后发送给微控制器，该微控制器将接收到的放大之后的探测信号与微型激光器设置的参考信号进行比较获得报警信号。
3.根据权利要求2所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述激光驱动器包括调制信号电路和温度控制器，调制信号电路用于根据微控制器发送的激光驱动信号调整微型激光器发射激光的波长，温度控制器用于根据微控制器发送的激光驱动信号调整微型激光器发射激光的温度。
4.根据权利要求1所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述微型激光器的激光发射端固定有准直器。
5.根据权利要求2所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，微型激光器设置的参考信号为多个，对应的报警信号为多级、且与参考信号一一对应，当探测信号高于最高参考信号时，对应报警信号为最高级，当探测信号低于最高参考信号且高于次高参考信号时，对应报警信号为次高级，以此类推。
6.根据权利要求5所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述参考信号为两个，分别为低参考信号、高参考信号，对应的报警信号为一级报警信号、二级报警信号，当探测信号高于低参考信号且低于高参考信号时，产生的报警信号为一级报警信号；当探测信号高于高参考信号时，产生的报警信号为二级报警信号。
7.根据权利要求2所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述的报警电路采用预警灯实现，该预警灯为红色光源，当报警电路接收到报警信号时，该预警灯点亮或闪烁。
8.根据权利要求7所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述的报警电路为红色二极管。
9.根据权利要求2或7所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述的报警电路采用声音报警器实现，当报警电路接收到报警信号时，该声音报警器发出声音信号。
10.根据权利要求9所述的基于红外光谱吸收式传感系统的瓦斯检测眼镜，其特征在于，所述的声音报警器为蜂鸣器。
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