CN207742140U - 一种自供电式矿井有害气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及气体传感领域，提供了一种自供电式矿井有害气体检测装置。包括传感部件和显示部件，所述传感部件包括外壳、负摩擦层和正摩擦层，所述显示部件包括整流桥、分压电阻和6个LED。本实用新型采用导电高分子材料作为摩擦和传感材料，构建了一种自供电式的矿井有害气体传感器，在室温下实现气体传感，不需要电源、电缆等为传感器供电，解决传感器供电问题，并且将摩擦发电过程和气体传感过程结合在同一过程中，一步实现风能到电能的转化和传感两个过程。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体传感领域，特别涉及一种自供电式矿井有害气体检测装置。
背景技术
我国是一个资源大国，资源开采工作对于我国的经济发展十分关键。近年来，日益频发的瓦斯爆炸等重大矿山事故引起了各矿山和国家管理部门的高度重视。矿井安全事故频发，主要原因是矿山地势险峻，地下电量供给不足，导致检测装置的停工，地下气体成分不确定。一旦地下产生易燃易爆气体不自知而这时恰巧产生了摩擦电火花，就会造成危险，酿就悲剧。
矿井有害气体监测系统是矿井通风系统建设的重要环节，通过对井下风速、风压、温度及有毒有害气体浓度和种类等信息的监测，有助于实时与现场保持联系，实现事故的及时监测与处理，有效提高下作业环境的安全性。
现在矿井中使用的监测系统是分布式安装，每个探测模块都需要电缆供电和传输信号，非常不方便，而且检测气体时需要将气体加热到较高温度进行催化燃烧，存在安全隐患。同时，在高流速通风气流的存在下，若矿井有害气体浓度较高，容易与其它物理摩擦产生电火花，引发爆炸。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自供电式矿井有害气体检测装置。采用导电高分子材料作为摩擦和传感材料，构建了一种自供电式的矿井有害气体传感器，在室温下实现气体传感，不需要电源、电缆等为传感器供电，解决传感器供电问题，并且将摩擦发电过程和气体传感过程结合在同一过程中，一步实现风能到电能的转化和传感两个过程。
具体技术方案如下：
一种自供电式矿井有害气体检测装置，包括传感部件和显示部件，所述传感部件包括外壳、负摩擦层和正摩擦层，所述外壳呈长方体形，材质为绝缘体，外壳前侧中央位置开设有凹槽；所述负摩擦层包括相连接的固定片和振动膜，振动膜材质为介电材料，所述固定片插入凹槽，另一端振动膜处于自由状态；所述正摩擦层包括顶部摩擦层和底部摩擦层，材质为导电高分子，分别贴于所述外壳内上下表面；所述显示部件包括整流桥、分压电阻和6个LED，整流桥与6个LED串联， LED分别并联不同阻值的分压电阻。
所述固定片的材料可以为铜、铁、铝、镍、金、银、铅、碳纤维或石墨烯中的任意一种。
所述振动膜材质为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯中的任意一种，厚度为50μm。
所述负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨或感性耦合等离子体刻蚀。
所述导电高分子可以为聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚对二甲苯或聚噻吩中的任意一种，化学状态为本征态、氧化态、还原态、掺杂态或去掺杂态中的任意一种。
所述外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
所述检测装置可用于对一氧化碳、二氧化氮、硫化氢、甲烷、氨气等矿井有害气体的检测。
本方法的优点是：
1、传统风驱运摩擦纳米发电机是用铜电极和聚四氟乙烯摩擦，单纯用来发电。本实用新型将对气体没有响应的铜电极换成了有响应的导电聚合物聚苯胺，由于聚苯胺还可以检测气体，因此本实用新型发电机发出来的电就成为了一个气体检测信号，把发电器件应用到了气体传感领域。
2、本实用新型的检测装置首次将摩擦发电效应用于矿井有害气体检测领域，包括传感部件和显示部件，传感部件包括外壳、负摩擦层和正摩擦层，其功能是将风能转换为带有气体成份信息的电能信号并输出给显示部件。显示部件由一个包含整流桥、电阻和LED的电路组成，其功能是将对电信号进行分析和处理，并通过点亮LED将电信号携带的气体成份信息显示出来。实现了将气流动能一步转化为带有气氛环境信息的电能输出信号。相对于传统的矿井有害气体检测装置，本实用新型的检测装置在工作时不需要外部电源，避免在矿井中分布式安装检测器时的电缆铺设，节约能源和成本，安装也更加方便。
3、本实用新型的检测装置振动膜在器件中作为动态摩擦发电材料，需要优良的柔性和负摩擦性，在力-电能量转化过程中起到重要作用。经多次实验对比，最终选用材质为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯中的任意一种，耐腐性、抗疲劳性和介电性能，电负性高，价格优廉。
4、本实用新型的检测装置正摩擦层的导电高分子选用聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚对二甲苯或聚噻吩中的任意一种，化学状态为本征态、氧化态、还原态、掺杂态或去掺杂态中的任意一种。在导电的同时还作为静态摩擦材料和气敏材料，兼备导电性、气敏性和正电极性。电导率及表面状态易受外界环境影响，可以在室温下对多种矿井有害气体进行检测，在工作时不要需高温加热，只要在矿井中有高流速通风气流存在时就可以自供电地进行气体检测，更加安全可靠。
5、本实用新型的检测装置首次将摩擦发电原理与气敏原理结合在同一过程中。实用新型所用的聚苯胺薄膜是一种高导电性聚苯胺，在其高分子链中有质子酸掺杂。而当有害气体与聚苯胺接触时，其中的-H键或-OH键会与聚苯胺链中的N原子发生交联反应，防碍分子构象的重排列，阻止分子链中的电荷输运和电子迁移。此另，一些分子较小的有害气体还可以渗透进聚苯胺薄膜内部，造成聚苯胺链彭胀，减小有效接触面积。通过这两种机制的结合，导致矿井有害气体成份可以调制摩擦发电效应的大小，从而实现对不同气体作出特异性响应。
6、本实用新型的检测装置可用于对一氧化碳、二氧化氮、硫化氢、甲烷、氨气等多种矿井有害气体的检测,而传统装置每种只能检测一种特定气体。
7、本实用新型的检测装置相比于传统装置，具有响应值高、灵敏性好、线性度高、恢复速度快、可循环使用等多项优点。
8、本实用新型的检测装置具有气敏响应值不受气流速度影响的优点，适合在不同通风状况的矿井中使用。
附图说明
图1为自供电式矿井有害气体检测装置立体图；
图2为自供电式矿井有害气体检测装置的侧视图；
图3为自供电式矿井有害气体检测装置负摩擦层的结构示意图；
图4为自供电式矿井有害气体检测装置工作示意图；
图5为实施例1自供电式矿井有害气体检测装置在空气气流中和有害气体气流中的工作对比图；
图6为实施例1流速为12m/s的干燥气流通过时自供电式矿井有害气体检测装置最大输出的交流电信号图，其中(a)为输出短路电流(b)为输出开路电压输出短路电流(c)为整流短路电流(d) 为整流开路电压；
图7为实施例2-7不同材料作为振动膜，流速为12m/s的干燥气流通过时自供电式矿井有害气体检测装置的短路输出电流，其中(a) 为聚乙烯(b)为聚氯乙烯(c)为聚酰亚胺(d)为聚四氟乙烯(e) 为聚二甲基硅氧烷(f)为聚对苯二甲酸乙二醇脂
图8为显示部件的电路图。
图中，1—外壳；2—顶部摩擦层；3—固定片；4—振动膜；5—底部摩擦层；6—凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明，但本实用新型的保护范围不受附图和实施例所限。
图1为自供电式矿井有害气体检测装置立体图，图2为自供电式矿井有害气体检测装置的侧视图，图3为自供电式矿井有害气体检测装置负摩擦层的结构示意图，如图所示，自供电式矿井有害气体检测装置包括传感部件和显示部件，所述传感部件包括外壳1、负摩擦层和正摩擦层，所述外壳1呈长方体形，材质为绝缘体，外壳1前侧中央位置开设有凹槽6；所述负摩擦层包括相连接的固定片3和振动膜 4，振动膜4材质为介电材料，所述固定片3插入凹槽6，另一端振动膜4处于自由状态；所述正摩擦层包括顶部摩擦层2和底部摩擦层 5，材质为导电高分子，分别贴于所述外壳1内上下表面；所述显示部件包括整流桥、电阻和LED，显示部件包括整流桥、分压电阻和6 个LED，整流桥与6个LED串联，LED分别并联不同阻值的分压电阻。
图8为显示部件的电路图，如图所示，传感部件产生的携有气体信息的交流电信号首先通过整流桥，将交流信号变为直流，然后依次通过6个串联绿光LED，每个LED分别并联不同阻值的分压电阻，当其它条件不变时，电信号的大小随气体浓度改变，则点亮LED个数不同。
图4为自供电式矿井有害气体检测装置工作示意图，如图所示，使用时本实用新型自供电式矿井有害气体检测装置时，将该装置安装在矿里的通风巷道里，顶部与底部正摩擦材料分别与电流表的正负极相连。在初始状态时，振动膜由于重力作用与下电极接触，由于摩擦发电效应，电子由聚苯胺表面向振动膜表面转移，导致在下电极表面积累成正电荷层，而在振动膜表面积累成负电荷层。当气流通过腔体时，会引发振动膜与下电极分离并逐渐上升，此时由于静电感应原理，正电荷将由下电极向上电极流动，在外电路中形成正向电流。当振动膜与上电极全面接触并产生摩擦发电效应，正电荷完全聚集在上电极表面。当振动膜向下运动时，正电荷由上电极向下电极移动并在外电路形成反向电流。由于颤振原理，振动膜膜会在腔体内作出周期内上下往复运动，从而在外电路中形成稳定的周期性电信号。当气流中含有可以与电极反应的气体时，会通过影响电极的表面效应，改变摩擦发电的输出电量，因此当气流中所含矿井有害气体的浓度和种类不同时，所观测的电流信号也不同，可以由电流信号的大小检测出气流中所含气体的种类和浓度，达到有害气体检测的目的。
实施例1
固定片的材料为铜；振动膜材质为聚四氟乙烯，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨；导电高分子可以为聚苯胺本征态；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
图5为实施例1自供电式矿井有害气体检测装置在空气气流中和有害气体气流中的工作对比图，如图所示，聚苯胺薄膜是一种高导电性聚苯胺，在其高分子链中有质子酸掺杂，有害气体与聚苯胺接触时，其中的-H键或-OH键会与聚苯胺链中的N原子发生交联反应，防碍分子构象的重排列，阻止分子链中的电荷输运和电子迁移，从而降低摩擦电输出。此另，一些分子较小的有害气体还可以渗透进聚苯胺薄膜内部，造成聚苯胺链彭胀，减小有效接触面积，导致输出电量降低。
图6为实施例1流速为12m/s的干燥气流通过时自供电式矿井有害气体检测装置最大输出的交流电信号图，如图所示，当流速为 12m/s的干燥气流通过腔体时，其最大输出的交流电信号如图6所示。测量到的短路电流峰值约1.4μA，开路电压峰值约26V。将电信号通过整流桥后，可输出稳定的直流信号，峰值基本保持不变。
实施例2
固定片的材料为铁；振动膜材质为聚乙烯，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为感性耦合等离子体刻蚀；导电高分子可以为聚吡咯，化学状态为氧化态；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
实施例3
固定片的材料为镍；振动膜材质为聚氯乙烯，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨；导电高分子可以为聚乙炔，化学状态为本征态；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
实施例4
固定片的材料为银；振动膜材质为聚酰亚胺，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨；导电高分子为氧化态聚对二甲苯；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
实施例5
固定片的材料为石墨烯；振动膜材质为聚四氟乙烯，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨；导电高分子为掺杂态聚噻吩；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
实施例6
固定片的材料为铅；振动膜材质为聚二甲基硅氧烷，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨；导电高分子为氧化态聚苯胺；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
实施例7
固定片的材料为铝；振动膜材质为聚对苯二甲酸乙二醇脂，厚度为50μm；负摩擦层表面经过纳米化处理，其处理方法为手工砂纸打磨；导电高分子为本征态聚苯胺；外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
图7为实施例2-7不同材料作为振动膜，流速为12m/s的干燥气流通过时自供电式矿井有害气体检测装置的短路输出电流，如图所示， PTFE和PDMS的输出电量明显优于其它材料，但由于PDMS制备麻烦，价格较高且容易损坏，因此PTFE作为振动膜优选材料。
Claims (7)
1.一种自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：包括传感部件和显示部件，所述传感部件包括外壳、负摩擦层和正摩擦层，所述外壳呈长方体形，材质为绝缘体，外壳前侧中央位置开设有凹槽；所述负摩擦层包括相连接的固定片和振动膜，振动膜材质为介电材料，所述固定片插入凹槽，另一端振动膜处于自由状态；所述正摩擦层包括顶部摩擦层和底部摩擦层，材质为导电高分子，分别贴于所述外壳内上下表面；所述显示部件包括整流桥、分压电阻和6个LED，整流桥与6个LED串联，LED分别并联不同阻值的分压电阻。
2.根据权利要求1所述的自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：所述固定片的材料可以为铜、铁、铝、镍、金、银、铅、碳纤维或石墨烯中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：所述振动膜材质为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯中的任意一种，厚度为50μm。
4.根据权利要求1所述的自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：所述负摩擦层表面经过纳米化处理。
5.根据权利要求1所述的自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：所述导电高分子可以为聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚对二甲苯或聚噻吩中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：所述外壳采用3D打印技术或冲压注塑技术制作。
7.根据权利要求1所述的自供电式矿井有害气体检测装置，其特征在于：所述检测装置可用于对一氧化碳、二氧化氮、硫化氢、甲烷、氨气矿井有害气体的检测。
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