專利名稱：光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于有害氣體檢測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)與數(shù)字一 體雙模式智能甲烷檢測儀器。
背景技術(shù)：
甲烷是煤礦井下主要的有害氣體，直接威脅著礦井安全生產(chǎn)和礦工生命安 全。甲烷檢測主要是檢測甲烷在空氣中的體積濃度，以掌握井下甲垸濃度情況， 防止甲垸事故的發(fā)生。
目前，我國檢測甲烷的儀器主要有(1)熱催化型甲烷檢測報(bào)警儀。當(dāng)一 定的工作電流通過黑元件(用涂有熱催化劑鉑絲制成)時(shí)，其表面即被加熱到 一定溫度，當(dāng)反應(yīng)室中充以含有甲烷的空氣時(shí)，甲烷接觸到黑元件表面，即在 反應(yīng)室中呈無煙燃燒，放出燃燒熱，使黑元件(鉑絲)的溫度升高，導(dǎo)致鉑絲 的電阻值明顯增加，于是電橋就失去平衡，輸出一定的電壓。在甲垸濃度低于 4%的情況下，電橋輸出的電壓與甲垸濃度基本上呈直線關(guān)系，因此可以根據(jù)測 量電橋輸出電壓的大小測算出甲烷濃度的數(shù)值。其國內(nèi)的代表產(chǎn)品為撫順煤炭 安全儀器廠生產(chǎn)的AQP—l型熱效式甲烷測定器。(2)熱導(dǎo)型甲烷檢測儀。熱 導(dǎo)型甲垸檢測儀的基本原理和結(jié)構(gòu)大體與熱催化型相似，其主要差別是熱導(dǎo) 型甲垸檢測儀的反應(yīng)元件為熱敏元件如熱敏電阻、鉑絲、鎢絲等。當(dāng)反應(yīng)室中
充以含有甲垸的空氣時(shí)，由于甲烷比空氣的熱導(dǎo)率大1.296倍，因而能降低熱 敏元件的溫度，并導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，從而破壞電橋的平衡。代表產(chǎn)品有浙 江奉化電子儀表廠生產(chǎn)的KDD—1型熱導(dǎo)式甲垸測定器，常州紅旗儀表廠生產(chǎn)的 LRD—1型熱導(dǎo)式甲烷測定器。(3)氣敏半導(dǎo)體式甲垸檢測儀。氣敏半導(dǎo)體在加熱到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，當(dāng)有氣體吸附時(shí)，吸附分子首先在表面自由地?cái)U(kuò)散。 其間一部分分子蒸發(fā)， 一部分分子就固定在吸附處。此時(shí)如果材料的功函數(shù)小 于吸附分子的電子親和力，則吸附分子將從材料奪取電子而變成負(fù)離子吸附； 如果材料功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向材料釋放電子而成為正 離子吸附。NOx(氮類氧化物)傾向于負(fù)離子吸附，稱為氧化型氣體。HZ、 C0、碳 氫化合物和酒類傾向于正離子吸附，稱為還原型氣體。氧化型氣體吸附到N型 半導(dǎo)體上，將使載流子減少，從而使材料的電阻率增大。還原型氣體吸附到N 型半導(dǎo)體上，將使載流子增多，材料電阻率下降。根據(jù)這一特性，就可以從阻 值變化的情況得知吸附氣體的種類和濃度。國內(nèi)產(chǎn)品有TONS"GOM氣體報(bào)警 儀，GM3氣體檢測儀等。(4)紅外吸收原理的甲烷檢測儀。紅外吸收型甲垸檢 測儀是利用不同氣體對紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強(qiáng)度與氣體濃度有 關(guān)的規(guī)律來檢測甲烷濃度的。紅外吸收型氣體分析檢測儀一般由紅外輻射源(白 熾燈或者紅外LED)，測量氣樣室，波長選擇裝置(濾光片)，紅外探測裝置 (如熱電探測器，熱電池)組成。如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么 紅外輻射透過被測氣體后，在相應(yīng)譜線處就會(huì)發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻 射被探頭測出，通過測量該譜線處能量的衰減量來得知被測氣體濃度。紅外線 氣體檢測儀的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍寬、選擇性好、防爆性好，尤其是當(dāng)被測氣體濃 度過高時(shí)，不會(huì)像載體催化元件那樣發(fā)生中毒現(xiàn)象。(5)光學(xué)甲烷檢測儀。光 干涉式甲烷檢測儀是我國煤礦井下普遍使用的一種測定甲烷濃度的便攜式儀 器。由于光通過氣體介質(zhì)的折射率與氣體的密度有關(guān)，如果以空氣室和甲垸室 都充入同密度的新鮮空氣時(shí)產(chǎn)生的條紋為基準(zhǔn)(對零)，當(dāng)甲垸室充入含有甲 垸的空氣時(shí)(抽氣測定)，由于空氣室中的新鮮空氣和甲烷室中的含甲烷氣體 的密度不同，引起折射率的變化，光程也就隨之發(fā)生變化，于是干涉條紋產(chǎn)生位移(移動(dòng))，從目鏡可以看到干涉條紋移動(dòng)的距離。由于干涉條紋的位移量與甲烷濃度成正比例關(guān)系，所以根據(jù)干涉條紋的位移量就可以測得甲烷的濃度，從目鏡可以觀察到干涉條紋移動(dòng)后所處的甲垸濃度刻度值，于是便可測得甲烷
濃度。國內(nèi)早期產(chǎn)品以AQG—l型為主。
上述熱催化型甲烷檢測儀是除光干涉甲垸檢測儀外在礦山井下應(yīng)用較普遍的便攜式甲垸檢測儀，但熱催化型甲烷檢測儀存在調(diào)校周期短、易中毒、使用壽命短等無法克服的缺陷。光干涉甲垸檢測儀由于其性能穩(wěn)定、使用壽命長、測量準(zhǔn)確，成為我國煤礦應(yīng)用最普遍的便攜式甲烷檢測儀器。然而，現(xiàn)有的目測型光干涉甲烷檢測儀主要采用人工讀數(shù)的方法，存在著自動(dòng)化程度低、測量
方法繁瑣、讀數(shù)不直觀、人為誤差較大、不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等自身弱點(diǎn)，即(1)
使用目測型光干涉甲烷檢測儀檢測時(shí)，由目鏡中讀出黑基線位移后靠近的某整數(shù)刻度，再轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)螺旋，使黑基線退到該整數(shù)刻度，從微讀數(shù)盤上讀出小數(shù)
位。理論精度達(dá)到0.01%，但是由于關(guān)鍵步驟"使黑基線退到該整數(shù)刻度"為目測，所以實(shí)際測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.01%。 (2)測量方法煩瑣。目測型光干涉甲烷檢測儀是根據(jù)甲烷折射率，并在溫度2(TC和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下標(biāo)定的刻度值的，當(dāng)溫度、氣壓變化較大時(shí)，要做相應(yīng)的校正。此外，檢査前，必須在和待測地點(diǎn)溫度相近的進(jìn)風(fēng)巷中，捏放吸氣球清洗甲烷室。然后校零，防止由于溫差過大引起測量時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。(3)人工讀取數(shù)據(jù)，不方便組成井下自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)在技術(shù)存在的不足，在傳統(tǒng)目測式光干涉甲垸檢測儀基礎(chǔ)上，通過集成高精度分光棱鏡，整合光學(xué)測量和數(shù)字測量兩部分，使儀器一機(jī)兩用，光電互補(bǔ)，提供一種光數(shù)一體雙模式、高度集成、便于攜帶、6頁
既能目測、又能直接數(shù)字顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、自動(dòng)報(bào)警的適于煤礦井下現(xiàn)場使用的便攜式甲烷濃度檢測儀。
本實(shí)用新型是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的的該光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀，包括光源、聚光鏡、反射平面、平行玻璃、氣室、折光棱鏡、反射棱鏡及光譜顯示部件。所述光源采用高亮發(fā)光二極管；在反射棱鏡的平行處設(shè)有一個(gè)分光棱鏡，在分光棱鏡的下方設(shè)有光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)。
所述光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)包括光電傳感器，光電傳感器的視頻信號輸出端與放大濾波電路相連，放大濾波電路通過二值化電路與單片機(jī)相連；單片機(jī)通過光電傳感器驅(qū)動(dòng)電路與光電傳感器相連；單片機(jī)還分別與液晶顯示屏、報(bào)警電路、及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相連；單片機(jī)上設(shè)有溫度傳感器和通訊接口。
本實(shí)用新型在原光干涉甲烷檢測儀的光路中采用了白色LED即高亮發(fā)光二極管，增加高精度分光棱鏡和CCD即高靈敏度光電傳感器； 一部分干涉光經(jīng)分光棱鏡后直接到目鏡，另一部分干涉光經(jīng)分光棱鏡分光后，在單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，照在高靈敏度CCD光電傳感器上轉(zhuǎn)化成視頻數(shù)字信號，然后通過放大濾波和二值化及單片機(jī)的計(jì)算，將對應(yīng)的甲烷濃度顯示在液晶顯示屏上，此時(shí)，通過光譜觀測的甲垸濃度和液晶顯示屏上的甲垸濃度一致，同時(shí)單片機(jī)記憶測定時(shí)間和甲烷濃度值，如果甲烷濃度超限，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了光數(shù)一體雙模式智能甲垸檢測，可隨時(shí)檢測作業(yè)場所的甲垸濃度，數(shù)字和光譜同時(shí)顯示甲烷濃度值，保存歷史數(shù)據(jù)供査詢與上位機(jī)下載，高度智能化。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。參見圖1，本實(shí)用新型的目測式光干涉甲烷檢測部分包括光源l、聚光鏡2、
反射平面3、平行玻璃4、氣室5、折光棱鏡6、反射棱鏡7及光譜顯示部件，其中，光源1采用白色LED即高亮發(fā)光二極管。從圖中可看到，在反射棱鏡7的平行處還設(shè)有一個(gè)半透半反的分光棱鏡8，在分光棱鏡8的下方設(shè)有光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)9。
本實(shí)用新型的工作過程如下光源1發(fā)光，通過聚光鏡2聚光后進(jìn)入反射平面3，光反射后進(jìn)入氣室5，然后到折光棱鏡6反射經(jīng)氣室5在到反射平面3,然后反射到反射棱鏡7，經(jīng)反射棱鏡7反射后的光路后增加分光棱鏡8進(jìn)行分光，一部分光直接進(jìn)入光干涉甲烷檢測儀的目鏡顯示光干涉條紋；另一部分光經(jīng)分光棱鏡8進(jìn)入光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)9，從光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)9的原理框圖中可看到，光源在單片機(jī)及CCD驅(qū)動(dòng)下通過CCD光數(shù)轉(zhuǎn)換的后變成視頻信號，然后經(jīng)放大濾波和二值化后，進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)控制液晶顯示，甲烷超限時(shí)聲光報(bào)警及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)啟動(dòng)。在單片機(jī)上設(shè)置有溫度傳感器和通訊接口，用于測量校正和與上位機(jī)連接。
本實(shí)用新型的工作原理是由光源1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2后，到達(dá)平面鏡3，經(jīng)其前后兩個(gè)表面反射， 一部分光束穿過氣室5下側(cè)的空氣室，由折光棱鏡6將其折回，穿過上側(cè)的空氣室后回到平面鏡3，在其后表面(鍍反射膜)反射，于"0"點(diǎn)附近穿出平面鏡向反射棱鏡7前進(jìn)，經(jīng)偏折后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。另一部分光束折射進(jìn)入平面鏡，在其后表面反射，然后穿過氣室中間的甲垸室，經(jīng)折光棱鏡反射又回到甲垸室，傳播到平面鏡3，于"0"點(diǎn)附近經(jīng)平面鏡反射和上述的部分光束一同進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。這兩束光在物鏡的焦平面上會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。人眼可以通過目鏡觀察到這種干涉條紋，當(dāng)甲垸室與空氣室都充滿相同的氣體時(shí)，干涉條紋的位置不移動(dòng)，但當(dāng)甲垸氣體沖進(jìn)甲烷室后，由于光程差的結(jié)果，干涉條紋會(huì)相對于原位置移動(dòng)一段距離。測量這個(gè)位移量，便可知甲垸在空氣中的含量。
該氣體檢測儀是根據(jù)不同種類及不同濃度的氣體對光的折射率不同而設(shè)計(jì)的。只要預(yù)知某種氣體的折射率，就可以根據(jù)干涉條紋移動(dòng)的距離得知被測氣樣的濃度。如果氣室的長度長，則光束經(jīng)過氣體的路程也長，光干涉條紋的偏移靈敏度就高，反之則低。所以，可以利用改變氣室的不同長度來測定不同濃度的氣樣。
本實(shí)用新型采用半透半反分光棱鏡使干涉圖樣進(jìn)入目測系統(tǒng)的同時(shí)，另一
路照射在光電傳感器件CCD表面,CCD檢測通過干涉條紋移動(dòng)量，經(jīng)放大和濾
波后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)對干涉條紋移動(dòng)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析、計(jì)算、處理后完成顯示、存儲(chǔ)、聲光報(bào)警等功能。
權(quán)利要求1、一種光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀，包括光源、聚光鏡、反射平面、平行玻璃、氣室、折光棱鏡、反射棱鏡及光譜顯示部件；其特征在于所述光源采用高亮發(fā)光二極管；在反射棱鏡的平行處設(shè)有一個(gè)分光棱鏡，在分光棱鏡的下方設(shè)有光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀，其特征在于 所述光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)包括光電傳感器，光電傳感器的視頻信號輸出端與放 大濾波電路相連，放大濾波電路通過二值化電路與單片機(jī)相連；單片機(jī)通過光 電傳感器驅(qū)動(dòng)電路與光電傳感器相連；單片機(jī)還分別與液晶顯示屏、報(bào)警電路、 及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相連；單片機(jī)上設(shè)有溫度傳感器和通訊接口。
專利摘要本實(shí)用新型屬于有害氣體檢測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀。本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有技術(shù)中所存有的測量方法繁瑣、人為誤差較大、不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等問題，提供一種如下的技術(shù)方案該光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀，包括光源、聚光鏡、反射平面、平行玻璃、氣室、折光棱鏡、反射棱鏡及光譜顯示部件。所述光源采用高亮發(fā)光二極管；在反射棱鏡的平行處設(shè)有一個(gè)分光棱鏡，在分光棱鏡的下方設(shè)有光數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)。本實(shí)用新型高度集成、高度智能化，便于攜帶，既能目測、又能直接數(shù)字顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、自動(dòng)報(bào)警。
文檔編號G01N21/45GK201434836SQ20092006424
公開日2010年3月31日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者劉世光, 李軼群, 王海橋, 武 鐘, 陳世強(qiáng), 黃俊杰 申請人:湖南科技大學(xué)