CN202047867U

CN202047867U - 一种瓦斯浓度实时检测系统

Info

Publication number: CN202047867U
Application number: CN2011200923352U
Authority: CN
Inventors: 陈放; 仇润鹤; 钱坤; 吕朝; 安朝辉
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2021-04-01

Abstract

本实用新型涉及一种瓦斯浓度实时检测系统，包括位于井上的中心计算机控制模块，中心计算机控制模块分别连接显示模块、报警模块以及网关，网关连接基站，基站连接接收天线，其特征在于，还包括位于井下的光纤检测模块，光纤检测模块连接认知无线通信发射模块，认知无线通信发射模块连接浓度显示模块和语音提示模块。本实用新型应用了认知无线通信发射模块，突破了有线传输模式维护不便和成本高的缺点。和现有无线传感网中无线通信模块相比，认知模块的传输距离和发射功率完全可以达到矿井的要求，从而整个矿井的通信畅通，而非某个巷道的通信畅通。

Description

一种瓦斯浓度实时检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种瓦斯浓度实时检测系统，属于电子技术和煤矿安全技术领域。

背景技术

我国是世界煤炭生产和消费大国，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，也是制约煤矿安全生产的主要矛盾，为预防爆炸事故发生，通过对煤矿重大瓦斯爆炸事故预防与监控技术的研究，开发出新的煤矿瓦斯预测系统成为预防瓦斯事故的重要保障措施。目前绝大多数煤矿的瓦斯监测仪通常采用干式、湿式气敏元件、热电阻瓦斯传感器半导体气敏元件等作为瓦斯检测敏感元件，普遍存在响应时间长、测量范围有限、存在零点漂移及调零困难等缺点。矿井瓦斯监测系统一般由传感器、监测分站及地面监测站等部分组成，传感器、监测分站之间通常都采用有线方式如光缆、电力线缆或信号线缆等传输信号，使得整个监测系统的布线复杂，给安装维护和检修工作带来不便，也不利于煤矿信息化技术的推广和发展。采用固定方式通信，可能适用于矿井的某一段巷道环境，但整个矿井的通信效果差，存在可靠性差、造价高、方式单一等缺点。而采用无线通信方式，煤矿井下隧道无线传播环境恶劣，电磁波在巷道中传输存在路径损耗、阴影衰落和多径衰落等现象，其中多径衰落造成选择性衰落现象对电磁波的传播影响严重，巷道壁的截面形状、粗糙度、倾斜度岩石成分等因素影响无线电波在巷道空间的传输，而煤矿巷道特性各不相同，真正适于传输的频段也是有限的。因此目前对巷道无线电波的传播特性没有统一的传播模型。很多研究只是针对于特定的巷道得出的结论：有隧道的固有传播中，绕射效应起着重要作用；对于平直而不受阻挡的隧道，频率越高传播越理想，但如果有拐角和叉道口存在，则最好的性能出现于70-150 MHz 频段；只要有拐角存在，且有效的传播距离就很难超过250 m；在弯曲隧道中，频率越高，越不利电磁波的传输。矿井生产对建立一个良好的无线通信系统有迫切的要求。

国内外都广泛开展了瓦斯监控系统的研究。固定的井下监控系统比较多，如审定公告日为2009年07月08日、公开号为 CN10147042的中国专利“基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置”主要利用光纤气体传感器通过直接铺设光纤把信息传输出去。针对传统的固定通信方式，利用无限局域网、Zigbee无线蓝牙、无线多跳Mesh网等无线网络传统方式成为了研究的热点。如审定公告日为2009年11月4日、公开号为CN201340651的中国专利“矿井下人员指纹识别与瓦斯动态检测系统”，主要基于IEEE802.15.4协议为基础的无线传感网络技术将指纹识别模块和瓦斯检测模块的信息传输到地面监测站；为了简化现有Zigbee技术的复杂性，审定公告日为2009年12月9日、公开号为CN201358816的中国专利“基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全检测检测系统”，采用了无线多跳Mesh网略和低功耗远距离Super_Zigbee数据传输技术。审定公告日为2009年09月16日、公开号为CN201311406的中国专利“实时显示与远程监控的瓦斯检测装置”采用了红外遥感技术对数据采集模块获得的信息进行传输。现有的无线通信模块的通信效果较差。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种通信效果较好的矿井下瓦斯浓度的实时检测系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种瓦斯浓度实时检测系统，包括位于井上的中心计算机控制模块，中心计算机控制模块分别连接显示模块、报警模块以及网关，网关连接基站，基站连接接收天线，其特征在于，还包括位于井下的光纤检测模块，光纤检测模块连接认知无线通信发射模块，认知无线通信发射模块连接浓度显示模块和语音提示模块。

优选地，所述的光纤检测模块包括光纤气体传感器，光纤气体传感器包括气室，气室的一端设有反射镜，气室的另一端设有射入光纤和射出光纤，气室上还设有气体入口和气体出口，射入光纤连接半导体激光器，射出光纤连接光电转换电路，光电转换电路连接前置放大器，前置放大器连接锁相器，锁相器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器。

优选地，所述的认知无线通信发射模块包括DSP模块，DSP模块的输入端分别连接电源、光纤检测模块和ARM模块，DSP模块的输出端分别连接浓度显示模块、语音提示模块、ARM模块、FPGA模和上变频器，FPGA模块连接上变频器。

本实用新型在检测瓦斯浓度时具有检测周期短，响应迅速，低零点漂移的特点，在瓦斯浓度信号采集后，不仅让矿井下工作人员实时的看到瓦斯浓度信息，而且能够克服矿井下某些巷道下恶劣的通信环境将信号实时的传输到地面检测站，保持整个矿井的通信顺畅。地面检测站在捕获到信号后，通过解调信号，获取瓦斯浓度信息，做出相应的响应，以达到让矿井下的工人及时撤到安全区域的目的。同时，通过地面检测站可以防止违规开采的情况的发生。和现有无线传感网中无线通信模块相比，认知模块的传输距离和发射功率完全可以达到矿井的要求，从而整个矿井的通信畅通，而非某个巷道的通信畅通。

附图说明

图1为光纤气体传感器结构示意图；

图2为瓦斯浓度实时检测系统结构示意图；

图3为光纤检测模块结构示意图；

图4为认知无线通信发射模块硬件结构图；

图5为认知无线通信发射模块软件流程图。

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本实用新型。

实施例

如图2所示，为瓦斯浓度实时检测系统结构示意图，所述的瓦斯浓度实时检测系统包括位于井上的中心计算机控制模块，中心计算机控制模块分别连接显示模块、报警模块以及网关，网关连接基站，基站连接接收天线，还包括位于井下的光纤检测模块，光纤检测模块连接认知无线通信发射模块，认知无线通信发射模块连接浓度显示模块和语音提示模块。光纤检测模块，认知无线通信发射模块、声光报警模块、浓度显示模块、语音提示模块位于矿井下面，并将上述几个模块集中在一起，既可以放在矿井作业工人的安全帽上，构成移动式检测终端。也可以将这几个模块放置在所要开采的各个巷道中，形成固定式的检测终端。基站、网关、中心计算机控制模块、显示模块、报警模块位于矿井上部。首先光纤检测模块获得的瓦斯浓度信息传送到认知无线通信发射模块后，一方面认知无线通信模块对瓦斯浓度信息处理后，通过天线发送出去，另一方面直接将信息通过D/A转换直接传送到浓度信息显示模块、语音提示模块。语音提示模块不仅在瓦斯浓度超过门限值报警，而且能够在危险情况下，语音提示有效的救助信息，帮助矿井下的新员工迅速逃生。基站收到来自矿井底部的认知无线通信发射模块的信息，经过集合分发通过网关传送到地面监控站的中心计算机控制模块。这里网关负责协议的转换，由矿井下的认知无线电通信网转换到计算机网。中心计算机监控模块和基站之间采用光纤连接，加快信息的传输，让地面监控人员及时的了解矿井下的情况。中心计算机控制模块除了有显示模块外，连接报警模块非常有必要，因为认为的疏忽会造成严重的后果，而报警模块的加入，减少了人为因素的风险。

如图3所示，为光纤检测模块结构示意图，所述的光纤检测模块包括光纤气体传感器，如图1所示，为光纤气体传感器结构示意图。光纤气体传感器包括气室，气室的一端设有反射镜，气室的另一端设有射入光纤和射出光纤，气室上还设有气体入口和气体出口，射入光纤连接半导体激光器，射出光纤连接光电转换电路，光电转换电路连接前置放大器，前置放大器连接锁相器，锁相器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器。光纤气体传感器的原理是当某种物质受到光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分能量并将其转换为分子的震动和转动能量。不同气体分子结构不同，对应于不同的吸收光谱；同一种气体不同浓度时，在同一吸收峰位置的吸收强度也不同。光通过被测气体以后由于气体的吸收会使光的强度发生衰减，输出光强可用Beer - Lambert 定律给出：

式中，

为出射光强，

为入射光强，

为吸收系数，

为气体浓度，

为光通过气体的长度。由此我们可以通过测量光强度的损耗计算气体的浓度。吸收路径的长度

对传感器测量灵敏度的有很大的影响，尽可能的增加吸收路径的长度，尤其是气体浓度较大时，更有利于提高传感器测量的灵敏度。采用发射时气室增加了吸收路径的长度。

半导体激光器选用分布反馈式半导体激光器，它是具有优良选频特性的单纵模激光器，而且能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制在普通半导体激光器中常见的模式跳变，大大改善了噪音特性。另外光纤传感中，外界环境因素对分布反馈式半导体激光器的激射光波长和谱线稳定性的影响会导致传感器的精度降低，因此采用相应的温控电路来保证光源的稳定。溫控光路的基本思想是根据分布反馈式半导体激光器内置的热敏电阻的变化驱动制冷器工作，保证分布反馈式半导体激光器管芯的温度保持不变，使得分布反馈式半导体激光器输出功率稳定。光纤气体传感器根据光强的变化得到瓦斯浓度信息，而光信号成为了瓦斯浓度信息的载体。经过光电转换电路（选用光电二极管），光信号被转变为电信号。由于系统中要探测的光电流信号很微弱，前置放大器的增益必须很高。另外采用压缩前置放大器的频带通带的方法来降低噪声，可以提高检测时信号的动态范围。锁相器的作用是将光电转换后的电信号里反映气体浓度的二倍频信号取出，以便于后续的信号处理。滤波器滤除不必要的频率成分，信号经A/D转换后变为数字信号。

如图4所示，为认知无线通信发射模块硬件结构图，所述的认知无线通信发射模块包括DSP模块，DSP模块的输入端分别连接电源、光纤检测模块和ARM模块，DSP模块的输出端分别连接浓度显示模块、语音提示模块、ARM模块、FPGA模和上变频器，FPGA模块连接上变频器。DSP模块选用TI公司的13TMS320VC5509A，主要负责与ARM模块和FPGA模块的数据交换以及上电后对板上的部分芯片进行初始化操作。ARM模块选用ST公司的STR710FZ2，它是基于工业标准ARM7TDMI内核设计的，主要完成矿井下频谱信息的感知、管理。FPGA模块选用Altera公司的Cyclone2系列，型号为EP2C50F484C8，负责对基带信号进行调制。数字上变频器(DDS)选用了AD公司的AD9857，主要负责实现对FPGA输出信号的数字上变频和正交变换；电源模块输出整板所需要的各种电压，主要使用的芯片是LT1117、LT1764EQ，输入为+5V和-5V电压，输出为数字电压3.3V、1.2V、1.6V、1.8V，模拟电压3.3V。DSP模块的一个串口连接光纤检测模块中的A/D转换器，一个串口连接浓度信息显示模块，一个语音串口连接语音提示模块。

在本系统中，主要的功能由DSP模块、ARM模块和FPGA模块实现，DSP模块的主要功能分为三个方面，首先，在上电时对系统上的相关芯片进行初始化操作，如串口、数字上变频器。其次，对光纤检测模块发出的数据进行处理，包括交织，组帧等工作，将数据处理成适合在信道上传输的形式后发送给FPGA进行调制。另外DSP模块还需要和ARM模块进行交互，完成基于认知无线电的通信控制。ARM模块的主要作用是寻找频谱空洞，提供频谱信息和发现干扰能够合理退避。FPGA模块主要完成对矿井下信息的调制工作。

如图5所示，为认知无线通信发射模块软件流程图。首先，DSP模块会初始化各个芯片，同时电源对各个芯片也开始上电，出现通信需求。ARM模块通过对频谱进行探测，与DSP模块进行信息交互。若存在可用频谱，DSP模块对瓦斯浓度信息进行编码，经FPGA模块调制和数字上变频器发射出去。若不存在可用频谱，通信会终止，连接认知通信发射模块的语音提示模块会发出语音提示。当通信建立的过程中遇到干扰，会重新返回ARM模块，ARM模块会继续搜索可用频谱，以达到通信的目的。认知无线通信发射模块一方面将瓦斯浓度信息经过编码调制后发送到地面上基站中，另一方面会将信息传输到浓度信息显示模块，根据不同的情况触发浓度显示模块和语音提示模块。地面上的基站经过网关处理由光缆实时的传输到地面检测站。地面检测站的中心计算机控制模块根据从井下传送过来的瓦斯浓度信息做出相应的动作，比如瓦斯浓度过高时发出警报提示，开采时瓦斯浓度突然跳变的报警提示等。

Claims

1.一种瓦斯浓度实时检测系统，包括位于井上的中心计算机控制模块，中心计算机控制模块分别连接显示模块、报警模块以及网关，网关连接基站，基站连接接收天线，其特征在于，还包括位于井下的光纤检测模块，光纤检测模块连接认知无线通信发射模块，认知无线通信发射模块连接浓度显示模块和语音提示模块。

2.如权利要求1所述的瓦斯浓度实时检测系统，其特征在于，所述的光纤检测模块包括光纤气体传感器，光纤气体传感器包括气室（1），气室（1）的一端设有反射镜（6），气室（1）的另一端设有射入光纤（4）和射出光纤（5），气室（1）上还设有气体入口（2）和气体出口（3），射入光纤（4）连接半导体激光器，射出光纤（5）连接光电转换电路，光电转换电路连接前置放大器，前置放大器连接锁相器，锁相器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器。

3.如权利要求1所述的瓦斯浓度实时检测系统，其特征在于，所述的认知无线通信发射模块包括DSP模块，DSP模块的输入端分别连接电源、光纤检测模块和ARM模块，DSP模块的输出端分别连接浓度显示模块、语音提示模块、ARM模块、FPGA模和上变频器，FPGA模块连接上变频器。