CN113866111A - 一种坑道内扫描激光传感系统 - Google Patents

Abstract

一种坑道内扫描激光传感系统，包括激控制器和沿光路依次设置的光发生器、振镜、多个反射镜组件和激光探测器，激光发生器用于向振镜发射激光，多个反射镜组件相对于激光发射方向以不同的角度设置，反射镜组件接收来自振镜的激光并将激光反射至激光探测器，控制器与激光发生器、激光探测器和振镜连接。本发明涉及的坑道内扫描激光传感系统，仅用一个激光发生器和激光探测器配合可以监测多段区域和非直线区域的气体浓度，可以大量减少激光发生器的使用从而降低成本且效率高。

Description

一种坑道内扫描激光传感系统

技术领域

本发明属于采矿技术领域，更具体地，涉及一种坑道内扫描激光传感系统。

背景技术

地下采矿往往会由于各种有害气体产生安全事故，即使气体的产生速度很慢，由于坑道内的通风不便，也会由于长时间的积聚达到有害的浓度。所以对于地下采矿，有害气体的随时监测就是一个非常重要的问题。虽然现在传感的手段日益发展，电感，光感的电动化巡检仪已经被设计出来，但是机械的巡检只能按事先设计的路线，而且布设过程中因为探头的密度有限，设置的监测点也是有限的。光路气体传感器有效地解决了大范围传感的问题，可以给出一段距离内有害气体的平均浓度，适合于大范围的监测，从但是同时，定位性存在缺陷，基本上每一台激光器对应激光探头只能监测一段直线距离，使用成本较高。因此，需要一种扫描激光传感系统，能够监测非直线区域的气体浓度，且成本较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种坑道内扫描激光传感系统，能够监测非直线区域的气体浓度，且成本较低。

为了实现上述目的，本发明提供一种坑道内扫描激光传感系统，包括控制器和沿光路依次设置的激光发生器、振镜、多个反射镜组件和激光探测器，所述激光发生器用于向所述振镜发射激光，多个反射镜组件相对于激光发射方向以不同的角度设置，所述反射镜组件接收来自所述振镜的激光并将所述激光反射至所述激光探测器，所述控制器与所述激光发生器、所述激光探测器和所述振镜连接。

优选地，所述振镜为压电振镜；所述控制器用于调节所述振镜的激光输出角度，使所述激光通过所述振镜依次传输至每个反射镜组件。

优选地，所述激光发生器和所述激光探测器设于同一位置

优选地，所述反射镜组件包括控程反射镜，所述控程反射镜用于将所述激光反射至所述激光探测器。

优选地，所述反射镜组件还包括路径反射镜，所述路径反射镜设于所述振镜和所述控程反射镜之间，用于改变所述激光的方向。

优选地，多个所述反射镜组件将预设探测范围限定成多个区域，所述控制器根据所述激光探测器检测的多个激光信号分别计算每个区域的气体浓度；

控制器分别将每个区域的气体浓度与预设值进行比对，当某个区域的气体浓度高于预设值时，所述控制器获取气体浓度异常的区域的位置。

优选地，所述控程反射镜和所述路径反射镜均包括镜体、防尘盒和镜架，所述镜架设于所述防尘盒内，所述镜体可调地连接于所述镜架，所述防尘盒上设有安装结构。

优选地，所述镜架上设有俯仰调节装置和水平摆动调节装置，所述俯仰调节装置用于调节所述镜体的俯仰角度，所述水平摆动调节装置用于调节所述镜体在水平方向的摆动角度。

优选地，所述俯仰调节装置和所述水平摆动调节装置均为调节螺丝。

优选地，所述控程反射镜还包括第一导光筒，所述第一导光筒可拆卸地连接于所述防尘盒的一个侧壁，所述激光通过所述第一导光筒输入和输出。

优选地，所述路径反射镜还包括一对第二导光筒，一对所述第二导光筒可拆卸地连接于所述防尘盒相邻的两个侧壁，所述激光通过一个所述第二导光筒输入，并通过另一个所述第二导光筒输出。

本发明涉及的一种坑道内扫描激光传感系统，其有益效果在于：仅用一个激光发生器和激光探测器配合可以监测多段区域和非直线区域的气体浓度，可以大量减少激光发生器和激光探测器的使用从而降低成本且效率高。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明的一个示例性实施例的坑道内扫描激光传感系统的布局示意图；

图2示出了本发明的另一个示例性实施例的坑道内扫描激光传感系统的布局示意图；

图3示出了本发明的一个示例性实施例的坑道内扫描激光传感系统中控程反射镜的结构示意图；

图4示出了本发明的一个示例性实施例的坑道内扫描激光传感系统中路径反射镜的结构示意图。

附图标记说明：

1激光发生器，2激光探测器，3振镜，4反射镜组件，41控程反射镜，42路径反射镜，43镜体，44防尘盒，45镜架，46俯仰调节装置，47水平摆动调节装置，48第一导光筒，49第二导光筒。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种坑道内扫描激光传感系统，请参阅图1和图2，包括控制器和沿光路依次设置的激光发生器1、振镜3、多个反射镜组件4和激光探测器2，激光发生器1用于向振镜3发射激光，多个反射镜组件4相对于激光发射方向以不同的角度设置，反射镜组件4接收来自振镜3的激光并将激光反射至激光探测器2，控制器与激光发生器1、激光探测器2和压电振镜3连接。

本发明涉及的坑道内扫描激光传感系统，仅用一个激光发生器1和激光探测器2配合可以监测多段区域和非直线区域的气体浓度，可以大量减少激光发生器1和激光探测器2的使用从而降低成本且效率高。

本发明中，激光发生器1采用待监测气体敏感的激光器，根据需要监测的气体不同，以被监测气体的特征吸收波长选择激光器的波长。当需要同时监测几种气体时，可以采用合束技术，使激光器具有多波长输出，激光器属于现有产品，用于发射激光光束，合束技术也属于现有技术，具体均不再赘述。

振镜3为压电振镜，控制器用于高速调节振镜3的激光输出角度，使激光通过振镜3依次传输至每个反射镜组件4。压电振镜为现有产品，可以通过控制器控制改变激光的输出角度，本申请采用压电振镜，可以精密改变输出激光的角度，用于切换不同的反射镜组件4，能够沿基本上相同的方向发射几十束激光，且发射的激光位置通过控制器可以区分，图中控制器未示出。

激光探测器2与激光发生器1设于同一位置，以便于接收沿反射镜组件4激光。激光探测器2用于接收反射回的激光，并生成光强度信号，传输至控制器，控制器处理光强度信号。激光探测器2为现有产品，对激光的接收和处理均由现有技术，不再赘述。

本发明中，反射镜组件4包括控程反射镜41，控程反射镜41用于将激光反射至激光探测器2。控程反射镜41设置的角度与激光基本垂直，以便入射的激光以基本180°原路反射回激光探测器2。

反射镜组件4还包括路径反射镜42，路径反射镜42设于振镜3和控程反射镜41之间，用于改变激光的方向。路径反射镜42用于使激光在转弯时进行反射，适用于监测激光不能直接照射到的非直线区域。使用时，控程反射镜41和路径反射镜42可以根据路径的需求，设置多个，当所要探测的路径均为直线路径时，可以仅用控程反射镜41，当所要探测的路径需要转弯时，可以通过路径反射镜42改变激光的输出角度，再通过控程反射镜41反射回激光探测器2，或者可以根据路径的需要设置多个路径反射镜42和控程反射镜41。

使用时，多个反射镜组件4将预设探测区范围限定成多个区域，控制器根据激光探测器2检测的多个激光信号分别计算每个区域的气体浓度；

控制器分别将每个区域的气体浓度与预设值进行比对，当某个区域的气体浓度高于预设值时，控制器获取气体浓度异常的区域的位置。

本申请中，控制器通过激光探测器2检测的多个激光信号分别计算每个区域的气体浓度，并获取气体浓度异常的区域位置属于现有技术，本领域技术人员可以充分理解。

具体地，由于气体存在扩散，在空间上分离距离不大的同向光束可以认为其路径中相同位置的气体浓度相同，因此，两束激光的吸收差异可以认为是不同的距离造成的。

多个反射镜组件4将预设探测范围限定成多个区域，其中，每个反射镜组件与激光探测器2之间形成探测路径，反射镜组件4与激光探测器12之间的距离即为该探测路径的长度；在预设探测范围内，多个探测路径呈嵌套设置，相邻的两个反射镜组件4之间，即相邻的两个探测路径之间的部分即为上述的一个区域，多个区域依次连接构成预设探测范围。

激光探测器2接收反射镜组件4反馈的激光信号，控制器根据激光信号计算其对应的探测路径的气体浓度，并根据探测路径之间的路径差计算每个区域的气体浓度，控制器分别将每个区域的气体浓度与预设值进行比对，当某个区域的气体浓度高于预设值时，控制器可以根据位于该区域前后反射镜组件4的位置获取气体浓度异常的该区域的位置信息。

探测路径区可以是直线也可以是折线，通过路径反射镜42可以调节激光的输出角度，最终通过控程反射镜41将激光基本沿原路反射回到激光探测器2。

例如，激光探测器2检测第一探测路径到第n探测路径的激光信号，控制器根据激光信号计算各探测路径的气体浓度，并依次获得第一气体浓度…第n气体浓度，并根据距离差计算第一探测路径到第n探测路径之间的各个区域的气体浓度，当第m探测路径和第m-1探测路径之间的区域的气体浓度高于预设值，该区域的位置信息则为第m-1探测路径的长度与第m探测路径的长度之间的差值的位置。

控制器根据激光探测器2的反馈的激光强度信号计算出探测路径的被检测气体平均浓度为现有技术，根据光吸收公式，即比尔-朗伯定律(光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光)：A＝lg(1/T)＝Kbc，其中，A表示吸光度，T表示透射比，即出射光强度与入射光强度的比值；K表示摩尔吸收系数，其与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关，不同气体对应的入射光的波长λ也不相同；c表示吸光物质的浓度，其被检测气体的浓度，b为吸收层厚度，即路径的长度，对于本发明的情况，因为光束反射，所以b应为激光发生器1到控程反射镜41物理路径长度的2倍，其中，出射光强度可以通过激光探测器2获取，入射光强度可以通过激光发生器1获取，而路径的长度可以根据实际情况测量得出，因此可以通过计算机程序获取任一探测路径的被检测气体平均浓度，具体过程不再赘述。

请参阅图3和图4，控程反射镜41和路径反射镜42均包括镜体43、防尘盒44和镜架45，镜架45设于防尘盒44内，镜体43可调地连接于镜架45。防尘盒44上设有安装结构，用于吊装于坑道内，安装结构可以为根据安装现场环境所设置的安装孔、或吊装结构等，附图未示出，该结构为本领域常用技术手段，具体不再赘述。

镜架45上设有俯仰调节装置46和水平摆动调节装置47，俯仰调节装置46用于调节镜体43的俯仰角度，水平摆动调节装置47用于调节镜体43在水平方向的摆动角度。

本发明中，俯仰调节装置46和水平摆动调节装置47均为调节螺丝。通过调节螺丝可以微调镜体43的摆角位置，以提高位置精度。调节螺丝调整镜体43的角度为现有技术，具体结构和连接关系不再赘述。

请参阅图3，控程反射镜41还包括第一导光筒48，第一导光筒48可拆卸地连接于防尘盒44的一个侧壁，激光通过第一导光筒48输入和输出。

请参阅图4，路径反射镜42还包括一对第二导光筒49，一对第二导光筒49可拆卸地连接于防尘盒44相邻的两个侧壁，激光通过一个第二导光筒49输入，并通过另一个第二导光筒49输出。

第一导光筒48和第二导光筒49均设有透光窗口，可以拆下进行除尘作业，而不用每次都调整反射镜组件4，第一导光筒48和第二导光筒49均具有一定长度，以避免灰尘进入防尘盒44内。

本发明涉及的坑道内扫描激光传感系统的使用方法如下：

由于气体存在扩展，在空间上分离距离不大的同向光束可以认为其路径中相同位置的气体浓度相同，因此，两束激光的吸收差异可以认为是不同的作用距离造成的，如图1中L1处与L2处的光程吸收区分在于L2相对于振镜3的距离比L1相对于振镜3的距离多出的部分(各探测路径中，激光探测器2与振镜3的距离相等，可以忽略)。

调校时，规划好预设探测范围的探测路径，如第一探测路径至第n探测路径，在适当的位置安装好激光发生器1及激光探测器2，首先将振镜3调整到第一输出方向，在此路径上根据需要安装路径反射镜42，并在最后安装控程反射镜41，调整镜体43的倾角，使得最后的光束基本上沿原路反回到与激光发生器1设置在一起的激光探测器2，从每个控程反射镜41到激光探测器2之间即为上述的一个探测路径；

改变振镜3的输出角度到第n输出方向，重复上述步骤校准第n探测区；根据需要，在振镜3可以满足需求的情况下，在反射镜组件4不对激光输出遮挡的情况下，直到校准至第n输出方向的第n个探测区；

校准后可对每个探测路径进行长度测距，对应长度分别为第一长度，第二长度……第n长度；上述工作可由现有产品集成的激光测距仪完成，其它方式校准根据成本需要进行配置；对于集成的激光测距仪，可以在激光发生器1出口加一强度调制器调控输出激光脉冲，通过控制器给出距离控制信号；

探测时，振镜3根据控制器的控制指令依次将激光输入到第一输出方向，第二输出方向，……第n输出方向，同时激光探测器2检测激光强度信号，依次为第一强度，第二强度，……第n强度；控制器根据激光探测器2的测量信号计算出各探测路径的第一气体浓度，第二气体浓度……第n气体浓度；

控制器根据多个气体浓度以及各个探测路径之间的距离差可以计算每个区域的气体浓度，即每两个探测路径之间相差部分的气体浓度，控制器分别将每个区域的气体浓度与预设值进行比对，当某个区域的气体浓度高于预设值时，控制器可以根据位于该区域前后反射镜组件4的位置获取该区域的位置信息。

本申请中，控制器通过激光探测器2检测的多个激光信号获取气体浓度异常的区域位置，也可以通过如下方法实现：

多个反射镜组件4将预设探测范围限定成多个区域，其中，每个反射镜组件4与激光探测器2之间形成探测路径，反射镜组件4与激光探测器2之间的距离即为该探测路径的长度；在预设探测范围内，多个探测路径呈嵌套设置，相邻的两个反射镜组件4之间，即相邻的两个探测路径之间的部分即为上述的一个区域，多个区域依次连接构成预设探测范围，即长度最长的探测路径。

控制器通过激光探测器2检测的多个激光信号分别计算每个探测路径的气体浓度，当某个探测路径的气体浓度异常，可以通过检测长度较小的其他探测路径的气体浓度，排除气体浓度正常的探测路径，从而通过距离差迅速找到气体浓度异常的区域的位置，提高了测量的位置精度。

例如，当第x探测路径的气体浓度过高，而第一探测路径的气体浓度到第x-1探测路径的气体浓度均正常，可以判断第x路径和第x-1之间区域气体浓度异常。

本发明仅使用一台激光发生器1与激光探测器2，且反射镜组件4具有高效的特点，所以成本低，维护扩展使用简单，可以随时增加新的路径或根据需要细分探测区域，提高探测的位置精度，具有优越性。

实施例1

请参阅图1，本实施例中，反射镜组件4包括三个控程反射镜41，分别形成三个气体的探测路径，其中，第一控程反射镜相对于振镜3的距离为L1，即第一区域，第二控程反射镜与第一控程反射镜之间的距离为L2，即第二区域，第三控程反射镜与第二控程反射镜之间的距离为L3，即第三区域；

校准后，分别对三个控程反射镜41进行长度测距，即第一探测路径L1，第二探测路径L2+L1，第三探测路径L3+L2+L1(振镜3到激光探测器2的距离相同，可以忽略)，探测时，振镜3根据控制器的指令依次将激光输入至第一控程反射镜、第二控程反射镜和第三控程反射镜，激光探测器2检测激光强度信号分别为第一强度、第二强度和第三强度；

控制器根据该强度信号可以计算出第一气体浓度N1、第二气体浓度N2和第三气体浓度N3，通过计算第二气体浓度N2和第一气体浓度N1与其相对应的探测路径之积的差值，再除以第二区域的长度L2，可以获取第二区域的气体浓度，即(N2*(L2+L1)-N1*L1)/L2；

通过第三气体浓度N3和第二气体浓度N2与其相对应的探测路径之积的差值，再除以第三区域的长度L3，可以获取第三区域的气体浓度，即(N3*(L3+L2+L1)-N2*(L2+L1)/L3，第一区域的气体浓度即第一气体浓度N1；

当第一区域、第二区域和第三区域中的某个的气体浓度过高，可以迅速找到异常位置，提高了测量的位置精度。

实施例2

请参阅图2，本实施例中，反射镜组件4包括两个控程反射镜41和一个路径反射镜41，其中，一束激光由激光发生器1到振镜3、再到一个控程反射镜41后返回，控程反射镜41与激光探测器2之间形成第四探测路径，距离为L4(振镜3到激光探测器2的距离相同，计算过程中可以忽略)，即第四区域；

另一束激光由激光发生器1到振镜3、到路径反射镜42、再到另一个控程反射镜41后返回，控程反射镜41到路径反射镜42再到激光探测器2之间形成第五探测路径，路径反射镜42与激光探测器2的距离为L4，控程反射镜41与路径反射镜42的距离为L5，即第五区域；

控制器根据激光探测器2检测到两个激光强度信号分别获取第四测探路径的第四气体浓度N4和第五探测路径的第五气体浓度N5，通过第五气体浓度N5和第四气体浓度N4其相对应的探测路径之积的差值，再除以第五区域的长度L5，可以获取第五区域的气体浓度，

即(N5*(L4+L5)-N4*L4)/L5，

第四区域的气体浓度即第四气体浓度N4，通过将第五区域的气体浓度、第四区域的气体浓度与预设值进行比对，高于预设值的气体浓度判定异常，则可以获取气体浓度异常的区域的位置，该过程可以迅速找到异常路径段，提高了测量的位置精度。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，包括控制器和沿光路依次设置的激光发生器、振镜、多个反射镜组件和激光探测器，所述激光发生器用于向所述振镜发射激光，多个反射镜组件相对于激光发射方向以不同的角度设置，所述反射镜组件接收来自所述振镜的激光并将所述激光反射至所述激光探测器，所述控制器与所述激光发生器、所述激光探测器和所述振镜连接。

2.根据权利要求1所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述振镜为压电振镜；所述控制器用于调节所述振镜的激光输出角度，使所述激光通过所述振镜依次传输至每个反射镜组件。

3.根据权利要求1所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述激光发生器和所述激光探测器设于同一位置。

4.根据权利要求1所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述反射镜组件包括控程反射镜，所述控程反射镜用于将所述激光反射至所述激光探测器。

5.根据权利要求4所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述反射镜组件还包括路径反射镜，所述路径反射镜设于所述振镜和所述控程反射镜之间，用于改变所述激光的方向。

6.根据权利要求1所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，多个所述反射镜组件将预设探测范围限定成多个区域，所述控制器根据所述激光探测器检测的多个激光信号分别计算每个区域的气体浓度；

控制器分别将每个区域的气体浓度与预设值进行比对，当某个区域的气体浓度高于预设值时，所述控制器获取气体浓度异常的区域的位置。

7.根据权利要求5所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述控程反射镜和所述路径反射镜均包括镜体、防尘盒和镜架，所述镜架设于所述防尘盒内，所述镜体可调地连接于所述镜架，所述防尘盒上设有安装结构。

8.根据权利要求7所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述镜架上设有俯仰调节装置和水平摆动调节装置，所述俯仰调节装置用于调节所述镜体的俯仰角度，所述水平摆动调节装置用于调节所述镜体在水平方向的摆动角度。

9.根据权利要求5所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述控程反射镜还包括第一导光筒，所述第一导光筒可拆卸地连接于所述防尘盒的一个侧壁，所述激光通过所述第一导光筒输入和输出。

10.根据权利要求5所述的坑道内扫描激光传感系统，其特征在于，所述路径反射镜还包括一对第二导光筒，一对所述第二导光筒可拆卸地连接于所述防尘盒相邻的两个侧壁，所述激光通过一个所述第二导光筒输入，并通过另一个所述第二导光筒输出。

Images