CN114582094B - 一种预警照明装置及预警照明装置组 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种预警照明装置及预警照明装置组，能够实时对岩体进行塌方预警，所述预警照明装置包括至少一个预警组和可见光转换部，所述至少一个预警组内包括至少一个预警子组，所述至少一个预警子组包括基底，设置在基底上的至少一个压敏半导体发光器件，所述压敏半导体发光器件用于在感应到压力变化时改变发射光线的颜色，所述可见光转换部用于将所述压敏半导体发光器件发射的光线转变为可见光。本公开实施例预警照明装置可以实时监控隧道或矿洞塌方，当将该预警照明装置打入岩体内部后，当岩体应力发生变化时，该预警照明装置改变发光颜色实现实时预警。
Description
技术领域
本公开实施例涉及但不限于预警技术，尤指一种预警照明装置及预警照明装置组。
背景技术
目前对于隧道和矿洞塌方的实时预警一直是一个比较大的难题。我国乃至世界的采矿业每年都会因为塌方导致重大的人员伤亡和经济损失。但是由于塌方具有极强的突发性和不好预测性，目前暂时还无法对塌方进行实时预警。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本公开实施例提供了一种预警照明装置及预警照明装置组，能够实时对岩体进行塌方预警。
一方面，本公开实施例提供了一种预警照明装置，包括至少一个预警组和可见光转换部，所述至少一个预警组内包括至少一个预警子组，所述至少一个预警子组包括基底，设置在基底上的至少一个压敏半导体发光器件，所述压敏半导体发光器件用于在感应到压力变化时改变发射光线的颜色，所述可见光转换部用于将所述压敏半导体发光器件发射的光线转变为可见光。
另一方面，本公开实施例提供了一种预警照明装置组，包括多个如前所述的预警照明装置。
本公开实施例利用压敏半导体在压强下带隙改变，通电后发出不同颜色光的特性，将该压敏半导体作为发光器件，设计可以实时监控隧道或矿洞塌方的预警照明装置。当将该预警照明装置打入岩体内部后，当岩体应力处于正常水平时，该预警照明装置可以作为照明使用，当岩体应力发生变化例如压力变大时，该预警照明装置改变发光颜色实现实时预警。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对技术方案的限制。
图1为本公开实施例一种预警照明装置结构示意图；
图2为本公开实施例预警照明装置内部设计仰视示意图；
图3为本公开实施例预警照明装置内部设计左视示意图；
图4为本公开实施例一个预警组结构示意图；
图5为图4所示预警组的正视图；
图6为图4所示预警组的侧视图；
图7为本公开实施例预警组组实现预警塌方方向示意图。
具体实施方式
下文中将结合附图对本公开实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，本公开实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
在附图中，有时为了明确起见，夸大表示了各构成要素的大小、层的厚度或区域。因此，本公开的实施方式并不一定限定于该尺寸，附图中各部件的形状和大小不反映真实比例。此外，附图示意性地示出了理想的例子，本公开的实施方式不局限于附图所示的形状或数值。
本公开中的“第一”、“第二”、“第三”等序数词是为了避免构成要素的混同而设置，并不表示任何顺序、数量或者重要性。
在本公开中，为了方便起见，使用“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词句以参照附图说明构成要素的位置关系，仅是为了便于描述本说明书和简化描述，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公开的限制。构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于在公开中说明的词句，根据情况可以适当地更换。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，或可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或通过中间件间接相连，或两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开中，“电连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。“具有某种电作用的元件”的例子不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等开关元件、电阻器、电感器、电容器、其它具有各种功能的元件等。
在本公开中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态，因此，也包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。另外，“垂直”是指两条直线形成的角度为80°以上且100°以下的状态，因此，也包括85°以上且95°以下的角度的状态。
在本公开中，“膜”和“层”可以相互调换。例如，有时可以将“导电层”换成为“导电膜”。与此同样，有时可以将“绝缘膜”换成为“绝缘层”。
隧道或矿洞塌方通常是由于隧道或矿洞所在山体应力发生变化而导致的，如果能根据应力变化进行实时预警，则可以减少因塌方导致的人员和财产损失。
为此，本公开实施例提供一种预警照明装置，所述预警照明装置包括至少一个预警组和可见光转换部，所述至少一个预警组内包括至少一个预警子组，所述至少一个预警子组包括基底，设置在基底上的至少一个压敏半导体发光器件，所述压敏半导体发光器件用于在感应到压力变化时改变发射光线的颜色，所述可见光转换部用于将所述压敏半导体发光器件发射的光线转变为可见光。
本公开实施例利用压敏半导体在压强下带隙改变，通电后发出不同颜色光的特性，将该压敏半导体作为发光器件，设计可以实时监控隧道或矿洞塌方的预警照明装置。当将该预警照明装置打入岩体内部后，当岩体应力处于正常水平时，该预警照明装置可以作为照明使用，当岩体应力发生变化例如压力变大时，该预警照明装置改变发光颜色实现实时预警。
在一示例性实施例中，所述至少一个预警子组包括基底，以及在基底上间隔设置的多个压敏半导体发光器件和金属导电部，每个压敏半导体发光器件的两侧分别与一个金属导电部连接，所述预警子组两端的金属导电部分别与导线连接。制备时，可以先在基底上形成金属导电层，通过构图工艺形成多个凹槽，然后在凹槽中设置压敏半导体发光器件。
在一示例性实施例中，所述至少一个预警子组中，所述压敏半导体发光器件和金属导电部远离基底的一侧设置有透光平坦层，使得所述压敏半导体发光器件不仅可以从基底方向感应到压强，还可以从平坦层方向感应到压强，另外由于采用透光材料制备，压敏半导体发光器件发出的光从透光平坦层方向射出(例如射至壳体内壁的第二反光层，由第二反光层反射后射出)，不会妨碍压敏半导体发光器件发出的光线。
可选地，所述金属导电部靠近透光平坦层的一侧设置用于保护透光平坦层的柔性保护层，可以防止透光平坦层被损坏。
在一示例性实施例中，所述透光平坦层远离基底的一侧还设置有第一反光层，此时压敏半导体发光器件发出的光从透光平坦层方向射出后，由第一反光层反射后射出，所述透光平坦层与第一反光层的接触面向出光端倾斜，即透光平坦层与第一反光层接触面与基底之间的夹角小于90°，在垂直于所述基底的平面上，沿预警照明装置的非出光端到出光端方向，所述透光平坦层的厚度从小到大，所述第一反光层的厚度从大到小，以便增大出射光。
在一示例性实施例中，所述基底为陶瓷基底，可以保证同一预警子组内多个压敏半导体收到的压强均匀。
在一示例性实施例中，所述至少一个预警组内包括多个预警子组，所述多个预警子组并联连接。
在一示例性实施例中，所述预警照明装置内包括多个预警组，所述多个预警组并联连接。
通过并联设置预警子组和/或预警组，避免由于某区域故障导致的整个预警照明装置无法使用的情况。
在一示例性实施例中，所述压敏半导体发光器件采用以下材料中的一种或多种制备：砷化铝镓(AlGaAs)、铟镓砷(InGaAs)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铟(InAs)和铟镓砷磷(InGaAsP)。该些压敏半导体发光材料的带隙改变压强在1.5～2GPa(1GPa＝1×109Pa)，在加压情况下，压强每增加1GPa，上述半导体材料带隙改变0.1eV。半导体材料的带隙表示价带的电子和导带的电子之间的能量差，半导体材料的带隙改变则发射光的波长也发生改变。
在一示例性实施例中，所述可见光转换部为非线性晶体，用于将压敏半导体发光器件发射的光线倍频，转变为可见光。所述非线性晶体例如为低温相偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)等。
在一示例性实施例中，所述预警照明装置还包括壳体，为了更好的受力，增加岩石内部压力的敏感度，所述壳体可采用柔性材料制备，例如采用聚酰亚胺制备。
在一示例性实施例中，为了增加光的出射强度，所述壳体内壁设置有第二反光层。例如可以在壳体内部所有内壁均蒸镀第二反光层，或者可以在壳体内部部分内壁蒸镀第二反光层。
在一示例性实施例中，在所述预警照明装置中所述预警组远离可见光转换部的位置设置反光装置，例如反光镜，以用于反射压敏发光半导体器件漫反射的光，增加光的出射强度。
本公开实施例利用一些半导体通电后受压改变发光颜色的特性来制备预警照明装置，预警照明装置包括预警段和出光段，将预警段打入岩石内部，通过实时监测坑道内岩石所受的应力变化实时预警隧道和矿洞塌方，当岩石所受应力处于正常水平或小于设置的岩石塌方临界安全应力时，预警照明装置正常照明；当岩石所受应力临近或大于预设岩石塌方临界安全应力时，预警照明装置中的半导体带隙受应力改变从而改变发光颜色，从而实现实时预警，让隧道或矿洞内人员可以及时安全撤离可能发生危险的区域。并且，由于人眼接收信息的效率是耳朵的10倍左右，所以通过光颜色改变来产生预警作用比利用声音预警更容易让人察觉，提高预警效率。
当将多个本实施例所述的预警照明装置组合为预警灯组分别从不同方向打入岩石内部时，某一方向的灯实时监测对应方向的岩石应力情况，实现对应力突变方向和塌方方向的监测。
图1为本公开实施例提供的一种预警照明装置提示灯的整体示意图，该预警照明装置包括预警段和出光段，预警段内包括作为预警组的压敏半导体发光器件11，以及可见光转换部12，在本实施例中，压敏半导体发光器件11通过导线13与外界电源连接的方式实现压敏半导体发光器件11的导通与发光。在其他实施例中，不排除可以将电源设置在预警照明装置内部。在设计预警段时，可以将其设置得尽量长，范围可以是2-6米，例如4米左右，这样将预警段打入岩石内部时，压敏半导体制备的预警照明装置能够更精密地监测岩石的应力变化，避免隧道和矿洞表层岩石应力变化对预警段的干扰。
图2是预警照明装置内部电路设计仰视示意图。其中，壳体14采用柔性材料(例如聚酰亚胺)制备，在受压时不会像刚性外壳一样消耗过多的外部岩石压力加载，增加预警组11对岩石内部压力的敏感度。可选地，可以在壳体14内部蒸镀第二反光层，增强光的出射强度。可选地，预警照明装置末端(远离出光段的一端)可以设置反光镜15，该反光镜可以反射压敏发光半导体器件漫反射的光，增加光的出射强度。图2中所示实施例中，有两个预警组11，每个预警组包括多个预警子组111，通过设置多个预警组以及多个预警子组，可以增强对岩石内部压力变化的敏感程度，提高光的出射强度。图中可见光转换部12为非线性晶体，例如低温相偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)，非线性晶体可以将压敏半导体发出的光倍频，将红外光转变为人眼可以看见的光。
图3是预警照明装置内部电路设计左视示意图。在本示例中，预警组(预警子组)包括基底112，以及在基底上间隔设置的多个压敏半导体发光器件114和金属导电部113，每个压敏半导体发光器件114的两侧分别与一个金属导电部113连接，预警组(预警子组)两端的金属导电部113分别与导线13连接。由于陶瓷耐压性良好、不易损坏，因此在本实施例中，基底112采用陶瓷制备。为了保证预警组内压敏半导体发光器件受力均匀，可以设计陶瓷基板朝向上部山体，承接岩石压力。在本实施例中，在预警组(预警子组)压敏半导体发光器件114远离基底112的一侧，即预警照明装置下部，设置透光平坦层116，例如可以采用透明二氧化硅制备。在透光平坦层116远离基底的一侧设置有第一反光层117。设置透光平坦层116一方面可以作为压砧来给压敏半导体提供更大的压强使之带隙改变。由于岩石内部应力变化大多在上百MPa左右，未达到压敏半导体的带隙改变压强。根据公式P＝F/S可知，在所受力的大小相同的情况下，作用面积(压敏半导体与透光平坦层的接触面积)越小，所受的压强越大。所以当岩石所受应力改变时，更小作用面积的透明二氧化硅压致压敏半导体，帮助压敏半导体所受压强尽快达到其带隙改变压强。采用二氧化硅制备平坦层是由于其屈服强度足够大(6GPa)，可以保证二氧化硅在高压强下不会发生崩坏，如果想给压敏半导体施加不同的压强，则只需要改变压敏半导体的面积和二氧化硅的面积即可实现。另一方面，二氧化硅作为透明介质可以透光，压敏半导体透过二氧化硅发出的光可以通过壳体内部的反光层(第一反光层或第二反光层)反射到出光口(图中可见光转换部12的右侧)。如本实施例中所示，第一反光层117与透光平坦层116之间的接触面与基底112之间的夹角为锐角，即该接触面朝向出光端倾斜，压敏半导体发出的光透过二氧化硅后再通过第一反光层的表面反射到出光端，将二氧化硅设置成倾斜可以增大光出射。可选地，该反光层可以采用柔性材料制备，也可以采用刚性材料制备，只要在与透光平坦层接触面能够反光即可。例如仍可以采用二氧化硅制备，但在与透光平坦层接触面上设置反光材料即可。可选地，可以在金属导电部113靠近透光平坦层116的一侧设置用于保护透光平坦层116的柔性保护层115，柔性保护层115例如可以采用聚酰亚胺制备，由于聚酰亚胺是柔性材料，在压力作用下可以塌缩，从而防止了二氧化硅116与金属导体113之间直接接触挤压导致二氧化硅116被破坏。
图4为一个预警组结构示意图，图5为图4所示预警组的正视图，图6为图4所示预警组的侧视图。实现时，在陶瓷基板112上刻蚀出多排凹坑，利用掩膜板和蒸镀工艺将压敏半导体114和金属导体113分别蒸镀到陶瓷基板112的凹坑上(先后顺序不限)，增强压敏半导体114、金属导体113与陶瓷基板112之间的结合力，提升结合强度，防止受岩石压力作用导致各个位置之间出现流变。
在图4所示预警组中包括三个预警子组111，每个预警子组111包括n个压敏半导体发光器件114和n+1个金属导电部113。每个预警组中包括的预警子组数量，以及每个预警子组包括的半导体发光器件数量可以根据需要进行设置，本公开对此不做限制。在本实施例中，一个预警子组中的多个半导体发光器件串联连接，各个预警子组并联连接，多个预警组之间也采用并联连接，以避免有半导体发光器件发生损坏后，影响预警照明装置整体使用。
图7为本公开实施例预警照明装置组实现预警塌方示意图，如图7所示，将多个预警照明装置组合为一个预警照明装置组打入岩石内设定区域内，实现对该区域内多个方向的预警。例如可以采用9个预警照明装置分别从中部、上、下、左、右、左上、右上、左下、右下等9个方向打入岩石内部组合成一个预警照明装置组组。具体数量可根据需要设置，本文对此不做限制。当隧道和矿洞内岩体所受应力F处于正常或低于设置的最高安全塌方应力值(即岩石塌方临界安全应力)时，预警照明装置在矿洞内正常发光，用于为隧道或矿洞进行照明。当岩石所受应力F等于或大于设置的最高安全塌方应力值时，此时压敏半导体发光器件的带隙受压强改变，在通电情况下发出不同颜色的光来对隧道或矿洞内工人实时报警，减小人员伤亡。
可以根据需要设置该预警照明装置的岩体的塌方临界安全应力设置预警组中压敏半导体发光器件中压敏半导体的材料、以及各组成部分的尺寸(用于保证压强，例如压敏半导体与透光平坦层的接触面积)，以保证在受到塌方临界安全应力时，该压敏半导体发光器件能够改变出光颜色。
例如当岩石所受的应力突变方向为竖直向下方向时，预警照明装置组中最上方的预警照明装置感应到应力突变，进行变色提示，根据该预警照明装置的位置即可判断出应力突变方向或可能塌方方向。同理，组内其余不同方向的预警照明装置也分别对应于不同方向的应力突变和塌方方向预警。通过上述的预警提示灯组来实现对应力突变和塌方方向的实时监测，为工人提示危险可能来临方向的同时还可以为后续塌方方向和塌方原因的精确检测提供便利。
本公开实施例利用压敏半导体结合简单的电路结构实现对塌方的实时监测，可以提前进行塌方预警，解决无法实时监测塌方的问题，降低人员伤亡和财产损失，并且降低塌方检测的成本。使用多个预警照明装置的组合来实时监测岩石应力突变方向，可以实现精细塌方检测。
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)
1.一种预警照明装置，其特征在于，用于对岩体进行塌方预警，所述警照明装置包括预警段和出光段，所述预警段被打入岩体内部，所述预警段包括至少一个预警组和可见光转换部，所述至少一个预警组内包括至少一个预警子组，所述至少一个预警子组包括基底，设置在基底上的至少一个压敏半导体发光器件，所述压敏半导体发光器件用于在感应到压力变化时改变发射光线的颜色，所述可见光转换部用于将所述压敏半导体发光器件发射的光线转变为可见光；所述至少一个预警子组包括基底，以及在基底上间隔设置的多个压敏半导体发光器件和金属导电部，每个压敏半导体发光器件的两侧分别与一个金属导电部连接，所述预警子组两端的金属导电部分别与导线连接；所述基底为陶瓷基底，所述陶瓷基底上刻蚀有多排凹坑，所述压敏半导体发光器件和金属导电部设置在所述陶瓷基底的凹坑上，以提升结合强度；
当岩体所受应力处于正常水平或小于设置的岩石塌方临界安全应力时，预警照明装置正常照明；当岩石所受应力临近或大于预设岩石塌方临界安全应力时，预警照明装置中的半导体带隙受应力改变从而改变发光颜色，从而实现实时预警。
2.根据权利要求1所述的预警照明装置，其特征在于，所述至少一个预警子组中，所述压敏半导体发光器件和金属导电部远离基底的一侧设置有透光平坦层。
3.根据权利要求2所述的预警照明装置，其特征在于，所述金属导电部靠近透光平坦层的一侧设置柔性保护层。
4.根据权利要求2所述的预警照明装置，其特征在于，在透光平坦层远离基底的一侧，还设置有第一反光层，所述透光平坦层与第一反光层的接触面与所述基底之间的夹角小于90°。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的预警照明装置，其特征在于，所述至少一个预警组内包括多个预警子组，所述多个预警子组并联连接。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的预警照明装置，其特征在于，所述预警照明装置内包括多个预警组，所述多个预警组并联连接。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的预警照明装置，其特征在于，所述压敏半导体发光器件为砷化铝镓、铟镓砷、磷化铟镓、砷化铟和铟镓砷磷中的一种或多种。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的预警照明装置，其特征在于，所述可见光转换部为非线性晶体，用于将压敏半导体发光器件发射的光线倍频，转变为可见光。
9.根据权利要求8所述的预警照明装置，其特征在于，所述非线性晶体为低温相偏硼酸钡或三硼酸锂。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的预警照明装置，其特征在于，所述预警照明装置还包括壳体，所述壳体采用柔性材料制备。
11.根据权利要求10所述的预警照明装置，其特征在于，所述壳体内壁设置有第二反光层。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的预警照明装置，其特征在于，在所述预警照明装置中所述预警组远离可见光转换部的位置设置反光装置。
13.一种预警照明装置组，其特征在于，包括多个如权利要求1-12中所述的预警照明装置。
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