CN113866112A - 一种便携式气体传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种便携式气体传感系统，包括激光气体传感装置、数据处理和控制系统和手持传感器组件；激光气体传感装置和手持传感器组件均与数据处理和控制系统连接；激光气体传感装置用于监测预设光路范围内的气体浓度并将监测结果传输至数据处理和控制系统，当气体浓度高于预设值时，数据处理和控制系统向手持传感器组件发出监测指令。本发明涉及的便携式气体传感系统，通过激光气体传感装置和手持传感器组件平衡地解决了长期监测与实时定位的问题，为安全生产打下了良好的基础。
Description
技术领域
本发明属于矿业领域，更具体地，涉及一种便携式气体传感系统。
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，实时性不好。提前布设方案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距离，使用成本较高。另一方面，定位精度更好的气体传感方案一般采用电化学方法，但因为电化学方法需要对传感探头加热，除非一直加热，否则实时探测性不好，而一直开启会有较大的电能损耗，不利于便携式设备的开发。因此，需要一种便携气体传感系统，能够平衡长期监测与实时定位，为安全生产打下了良好的基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式气体传感系统，能够平衡长期监测与实时定位，为安全生产打下了良好的基础。
为了实现上述目的，本发明提供一种便携式气体传感系统，包括激光气体传感装置、数据处理和控制系统和手持传感器组件；
所述激光气体传感装置和所述手持传感器组件均与所述数据处理和控制系统连接；所述激光气体传感装置用于监测预设光路范围内的气体浓度并将监测结果传输至所述数据处理和控制系统，当所述气体浓度高于所述预设值时，所述数据处理和控制系统向所述手持传感器组件发出监测指令。
优选地，还包括通信系统和报警系统，所述激光气体传感装置、所述报警系统和所述手持传感器组件均通过所述通信系统与所述数据处理和控制系统连接，所述报警系统用于在所述激光气体传感装置监测的气体浓度高于所述预设值时报警。
优选地，所述激光气体传感装置包括激光发生器、激光探测器、多个反射镜组件和控制器，所述激光发生器用于分别向每个所述反射镜组件发射激光，每个所述反射镜组件将激光反射至所述激光探测器，所述激光探测器与所述激光发生器位于同一位置，所述激光探测器将激光信号传输至所述控制器，所述控制器将所述激光信号转换为气体浓度与所述预设值进行比对，并将比对结果传输至所述数据处理和控制系统。
优选地，所述反射镜组件包括控程反射镜，或，所述反射镜组件包括沿光路依次设置的至少一个路径反射镜和控程反射镜，所述控程反射镜用于将激光反射回所述激光探测器，所述路径反射镜用于改变激光的传输路径；
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，并将每个区域的气体浓度传输至所述数据处理和控制系统；
所述数据处理和控制系统分别将每个区域的气体浓度与所述预设值进行比对，当某个区域气体浓度高于预设值时，所述数据处理和控制系统获取气体浓度异常的区域的位置并发出示警指令使所述报警系统示警，并将所述区域的位置信息及其气体浓度值发送至所述手持传感器组件。
优选地，所述手持传感器组件包括显示部件、传感器端与数据处理端，所述显示部件用于显示所述数据处理和控制系统发送的所述位置信息和所述气体浓度值、所述传感器端的测量数据和所述数据处理端的数据，所述传感器端包括温度传感器和气体传感器，所述气体传感器用于根据所述监测指令检测所述手持传感器组件所在位置的气体浓度，所述温度传感器用于检测温度，所述温度传感器和所述气体传感器与所述数据处理端连接，所述数据处理端与所述数据处理和控制系统连接，以接收所述数据处理和控制系统传输的所述位置信息、所述气体浓度值以及根据气体浓度判定的区域危险等级，并将所述气体传感器检测的目标气体浓度和所述温度传感器检测的温度信息传输至所述数据处理和控制系统。
优选地，所述数据处理端包括处理模块、手电模块、定位留言模块、时钟模块以及电池模块，所述处理模块用于接收所述数据处理和控制系统传输的所述位置信息以及所述数据处理和控制系统传输的气体浓度值、各区域危险等级、和所述气体传感器检测的目标气体浓度和所述温度传感器检测的温度信息，所述手电模块用于提供照明，所述定位留言模块用于定位和备注信息，所述时钟模块用于通过所述显示部件显示时间，所述电池模块用于向各模块供电。
优选地，所述传感器端与所述数据处理端相互独立或集成于一体。
优选地，所述数据处理端为手机或移动终端，所述传感器端与所述数据处理端的接口通过有线或无线方式通信连接。
优选地，所述手持传感器组件还包括伸缩杆，所述传感器端设于所述伸缩杆的顶端。
优选地，所述数据处理和控制系统接收所述激光气体传感装置和/或所述手持传感器组件输出的气体浓度信息，并对高于所述预设值的所述区域进行危险等级标识，以划分区域危险等级，并将区域危险等级信息传输至所述数据处理端。
本发明涉及的一种便携式气体传感系统，其有益效果在于：通过激光气体传感装置和手持传感器组件平衡地解决了长期监测与实时定位的问题，为安全生产打下了良好的基础。
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便携式气体传感系统的原理示意图；
图2示出了本发明的一个示例性实施例的便携式气体传感系统中激光气体传感装置的示意图；
图3示出了本发明的一个示例性实施例的便携式气体传感系统中激光气体传感装置的路径反射镜的示意图。
附图标记说明：
1激光气体传感装置，11激光发生器，12激光探测器，13压电振镜，14控程反射镜，15路径反射镜，16镜体，17防尘盒，18镜架，19水平调节螺栓，20俯仰调节螺栓，21导光筒，2数据处理和控制系统，3手持传感器组件，4通信系统，5报警系统，6传感器端，61气体传感器，62温度传感器，7数据处理端，71处理模块、72手电模块、73定位留言模块、74时钟模块，75电池模块，8显示部件。
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。
为解决现有技术存在的问题，请参阅图1，本发明提供了一种便携式气体传感系统，包括激光气体传感装置1、数据处理和控制系统2和手持传感器组件3；
激光气体传感装置1和手持传感器组件3均与数据处理和控制系统2连接；激光气体传感装置1用于监测预设光路范围内的气体浓度并将监测结果传输至数据处理和控制系统2，当气体浓度高于预设值时，数据处理和控制系统2向手持传感器组件3发出监测指令。
本发明涉及的便携式气体传感系统，通过激光气体传感装置1和手持传感器组件3平衡地解决了长期监测与实时定位的问题，为安全生产打下了良好的基础。
本发明的便携式气体传感系统还包括通信系统和报警系统，激光气体传感装置1、报警系统5和手持传感器组件3均通过通信系统4与数据处理和控制系统2连接，报警系统5用于在激光气体传感装置1监测的气体浓度高于预设值时报警。报警系统5可以通过声光示警也可以通过显示屏示警，属于本领域惯用手段，具体不再赘述。
请参阅图2，本实施例中，激光气体传感装置1包括激光发生器11、激光探测器12、多个反射镜组件和控制器，激光发生器11用于分别向每个反射镜组件发射激光，每个反射镜组件将激光反射至激光探测器12，激光探测器12与激光发生器11位于同一位置，激光探测器12将激光信号传输至控制器，控制器将激光信号转换为气体浓度并与预设值进行比对，并将比对结果传输至数据处理和控制系统2。
激光发生器11采用对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，激光气体传感装置1还可以设置压电振镜13于激光发生器11和反射镜组件之间，可以精密改变激光的输出角度，用于切换不同的反射镜组件。激光探测器12与激光发生器11设于同一位置，以便于接收沿反射镜组件激光。激光探测器12用于接收反射回的激光，并生成光强度信号传输至控制器，控制器将光强度信号转换为气体浓度。激光发生器11和反射镜组件之间可以通过压电振镜13精密改变激光的输出角度。
本实施例中，反射镜组件包括控程反射镜14，或，反射镜组件包括沿光路依次设置的至少一个路径反射镜15和控程反射镜14，控程反射镜14用于将激光反射回激光探测器12，路径反射镜15用于改变激光的传输路径；
多个反射镜组件将预设探测范围限定成多个区域，控制器根据激光探测器12检测的多个激光信号分别计算每个区域的气体浓度，分别将每个区域的气体浓度传输至数据处理和控制系统2；
数据处理和控制系统2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，数据处理和控制系统2获取气体浓度异常的区域的位置并发出示警指令使报警系统5示警，并将该区域的位置信息及其气体浓度值发送至手持传感器组件3。
请查阅图3，控程反射镜14和路径反射镜15均包括镜体16、防尘盒17和镜架18，镜架18设于防尘盒17内，镜体16通过调节调节螺栓的角度可调地连接于镜架18。防尘盒17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。调节螺栓连接于于镜体16和镜架18，可以包括水平调节螺栓19和俯仰调节螺栓20，通过水平调节螺栓19调节镜体16相对于与镜架18在连接螺栓处的距离，可以调节镜体16的左右摆动角度，通过俯仰调节螺栓20可以调节镜体16的俯仰角度。调节螺栓调整镜体16的角度为现有技术，具体结构和连接关系不再赘述。
其中，控程反射镜14的镜体16与激光垂直设置，用于将激光按射入的方向原路反射回激光探测器12；路径反射镜15的镜体16与激光呈一定角度设置，用于改变激光的传输方向，并最终通过控程反射镜14将激光基本沿原路反射回激光探测器。反射镜组件还可以包括导光筒21，导光筒21设于防尘盒17的侧壁，且沿光路传输方向设置，其中，控程反射镜14的导光筒21为一个，激光的输入和输出均通过该导光筒21，路径反射镜15的导光筒21为两个，分别设于防尘盒17不同的侧壁，激光从一个导光筒21输入，从另一个导光筒21输出。
本申请中，控制器通过激光探测器12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12之间形成探测路径，反射镜组件与激光探测器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12接收反射镜组件反馈的激光信号，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，数据处理和控制系统2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，数据处理和控制系统2可以根据位于该区域前后反射镜组件的位置获取气体浓度异常的该区域的位置信息。
激光探测器12接收反射镜组件反射回的激光信号，控制器激光信号计算探测路径的被检测气体的气体浓度为现有技术，根据比尔-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，即探测路径的长度，对于本发明的情况，因为光束反射，所以b应为激光发生器11到控程反射镜14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获取，入射光强度可以通过激光发生器11获取，而探测路径的长度可以根据实际情况测量得出，如利用测距传感器可以测量该长度，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的气体浓度，具体过程不再赘述。
多个反射镜组件4设置在待探测区不同距离的位置上，不同的反射镜组件4之间具有距离差，每个反射镜组件与激光探测器12之间形成一个探测区，激光探测器2分别检测多个反射镜组件4检测的激光信号，即光强度信号，控制器根据每个光强度信号计算各探测区的气体浓度，当某探测区的气体浓度高于预设值时，通过其探测区范围内的不同距离的探测区的气体浓度的值可以迅速获取气体浓度异常区域。
例如，激光探测器12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。
请参阅图2，举例对上述计算进行说明，其中，反射镜组件包括两个控程反射镜14和一个路径反射镜15，其中，一束激光由激光发生器11到振镜13、再到一个控程反射镜14后返回，该控程反射镜14与激光探测器12之间形成第一探测路径，距离为L1(振镜13到激光探测器12的距离相同，计算过程中可以忽略)，即第一区域；
另一束激光由激光发生器11到振镜13、到路径反射镜15、再到另一个控程反射镜14后返回，控程反射镜14到路径反射镜14再到激光探测器12之间形成第二探测路径，路径反射镜15与激光探测器12的距离为L1，控程反射镜14与路径反射镜15的距离为L2，即第二区域；
控制器根据激光探测器12检测到两个激光强度信号分别获取第一测探路径的第一气体浓度N1和第二探测路径的第二气体浓度N2，通过第二气体浓度N2和第一气体浓度N1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*(L1+L2)-N1*L1)/L2，
而第一区域的气体浓度即为第一气体浓度N1，通过将第一区域的气体浓度、第二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。
激光气体传感装置1传输至数据处理和控制系统2的气体浓度作为历史存储，便于管理。
数据处理和控制系统2接收激光气体传感装置1和/或手持传感器组件3输出的气体浓度信息，并对高于预设值的区域进行危险等级标识，以划分区域危险等级，并将区域危险等级信息传输至数据处理端，如对于气体浓度高于预设值的区域，将气体浓度值的高低划分不同的危险等级，并通过不同的色彩标注，以便于分析处理，数据处理和控制系统2可以将各区域危险等级发送至手持传感器组件，以便工作人员实时监测。
本实施例中，手持传感器组件包括显示部件8、传感器端与数据处理端，显示部件8用于显示数据处理和控制系统2发送的位置信息和气体浓度值、传感器端的测量数据和数据处理端的数据等信息，传感器端6包括温度传感器62和气体传感器61，气体传感器61用于根据数据处理和控制系统2的监测指令精确检测手持传感器组件所在位置的气体浓度，即具体点位的气体浓度，温度传感器62用于检测温度，温度传感器62和气体传感器61与数据处理端7连接，数据处理端7与数据处理和控制系统2连接，以接收数据处理和控制系统2传输的位置信息、气体浓度值以及根据气体浓度判定的区域危险等级，并将气体传感器61检测的目标气体浓度和温度传感器62检测的温度信息传输至数据处理和控制系统2。
本实施例中，显示部件8为显示屏。
数据处理端7与数据处理和控制系统2通过通信系统连接，可以是局域网络，便于数据传输。传感器端6与数据处理端7相互独立或集成于一体。传感器端6与数据处理端7各自具有独立的电源，便于使用，传感器端6的电源可以在使用前2分钟进行开机预热，就可以达到可用的精度，其结构以及与电源的连接方式为现有技术，不再赘述。
本实施例中，数据处理端7包括处理模块71、手电模块72、定位留言模块73、时钟模块74以及电池模块75，处理模块71用于接收数据处理和控制系统2传输的位置信息以及数据处理和控制系统传输的气体浓度值、各区域危险等级、和气体传感器61检测的目标气体浓度和温度传感器62检测的温度信息，手电模块72用于提供照明，定位留言模块73用于定位和备注信息，时钟模块74用于通过显示部件8显示时间并传输至处理模块71，电池模块75用于向各模块供电。定位留言模块73可以用于根据需求标注所需信息，数据处理端7的各个模块的具体功能根据实际需求通过计算机程序实现，为现有技术，原理不再赘述。
定位留言模块73可以通过局域网络实时显示手持传感器组件的当前位置，并传输至处理模块71，处理模块71用于接收数据处理和控制系统2传输的位置信息、各区域危险等级、以及气体浓度值，并通过显示部件8显示，工作人员拿着手持传感器组件至该位置，并通过传感器端进行检测，处理模块71接收气体传感器61检测的目标气体浓度和温度传感器62检测的温度信息，并向数据处理和控制系统连接传输留言信息，留言信息包括当前位置、当前气体浓度、当前温度以及当前时间等。
本实施例中，数据处理端7为手机或移动终端，传感器端6与数据处理端7的接口通过有线或无线方式通信连接。其中，无线方式为蓝牙连接。
本实施例中，手持传感器组件还包括伸缩杆，传感器端6设于伸缩杆的顶端，便于对不便于到达的高位，缝隙等处进行检测。
本实施例中，手持传感器组件3可以为多组，手持传感器组件3上传的气体浓度信息、温度信息、位置信息及备信息可以通过数据处理和控制系统2在其余的手持传感器组件3上显示。
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)
1.一种便携式气体传感系统，其特征在于，包括激光气体传感装置、数据处理和控制系统和手持传感器组件；
所述激光气体传感装置和所述手持传感器组件均与所述数据处理和控制系统连接；所述激光气体传感装置用于监测预设光路范围内的气体浓度并将监测结果传输至所述数据处理和控制系统，当所述气体浓度高于所述预设值时，所述数据处理和控制系统向所述手持传感器组件发出监测指令。
2.根据权利要求1所述的便携式气体传感系统，其特征在于，还包括通信系统和报警系统，所述激光气体传感装置、所述报警系统和所述手持传感器组件均通过所述通信系统与所述数据处理和控制系统连接，所述报警系统用于在所述激光气体传感装置监测的气体浓度高于所述预设值时报警。
3.根据权利要求2所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述激光气体传感装置包括激光发生器、激光探测器、多个反射镜组件和控制器，所述激光发生器用于分别向每个所述反射镜组件发射激光，每个所述反射镜组件将激光反射至所述激光探测器，所述激光探测器与所述激光发生器位于同一位置，所述激光探测器将激光信号传输至所述控制器，所述控制器将所述激光信号转换为气体浓度并传输至所述数据处理和控制系统。
4.根据权利要求3所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述反射镜组件包括控程反射镜，或，所述反射镜组件包括沿光路依次设置的至少一个路径反射镜和控程反射镜，所述控程反射镜用于将激光反射回所述激光探测器，所述路径反射镜用于改变激光的传输路径；
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，并将每个区域的气体浓度传输至所述数据处理和控制系统；
所述数据处理和控制系统分别将每个区域的气体浓度与所述预设值进行比对，当某个区域的气体浓度高于预设值时，所述数据处理和控制系统获取气体浓度异常的区域的位置并发出示警指令使所述报警系统示警，并将所述区域的位置信息及其气体浓度值发送至所述手持传感器组件。
5.根据权利要求4所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述手持传感器组件包括显示部件、传感器端与数据处理端，所述显示部件用于显示所述数据处理和控制系统发送的所述位置信息和所述气体浓度值、所述传感器端的测量数据和所述数据处理端的数据，所述传感器端包括温度传感器和气体传感器，所述气体传感器用于根据所述监测指令检测所述手持传感器组件所在位置的气体浓度，所述温度传感器用于检测温度，所述温度传感器和所述气体传感器与所述数据处理端连接，所述数据处理端与所述数据处理和控制系统连接，以接收所述数据处理和控制系统传输的所述位置信息、所述气体浓度值以及根据气体浓度判定的区域危险等级，并将所述气体传感器检测的目标气体浓度和所述温度传感器检测的温度信息传输至所述数据处理和控制系统。
6.根据权利要求5所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述数据处理端包括处理模块、手电模块、定位留言模块、时钟模块以及电池模块，所述处理模块用于接收所述数据处理和控制系统传输的所述位置信息以及所述数据处理和控制系统传输的气体浓度值、各区域危险等级、和所述气体传感器检测的目标气体浓度和所述温度传感器检测的温度信息，所述手电模块用于提供照明，所述定位留言模块用于定位和备注信息，所述时钟模块用于通过所述显示部件显示时间，所述电池模块用于向各模块供电。
7.根据权利要求5所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述传感器端与所述数据处理端相互独立或集成于一体。
8.根据权利要求5所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述数据处理端为手机或移动终端，所述传感器端与所述数据处理端的接口通过有线或无线方式通信连接。
9.根据权利要求5所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述手持传感器组件还包括伸缩杆，所述传感器端设于所述伸缩杆的顶端。
10.根据权利要求5所述的便携式气体传感系统，其特征在于，所述数据处理和控制系统接收所述激光气体传感装置和/或所述手持传感器组件输出的气体浓度信息，并对高于所述预设值的所述区域进行危险等级标识，以划分区域危险等级，并将区域危险等级信息传输至所述数据处理端。
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