一种泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统的制作方法

本发明涉及一种煤矿瓦斯气体安全监测技术领域，尤其涉及一种泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统。

背景技术：

在经济发展和对资源需求量的不断攀升的同时，由于矿井瓦斯超标引起的各类事故屡见不鲜，造成了重大的经济损失和人员伤亡，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。因此必须对井下瓦斯进行有效监控。现有的煤矿瓦斯气体安全监测系统中的瓦斯传感器选择主要有传统的光干涉瓦斯测定器和电化学式瓦斯测定器两种。

传统的光干涉瓦斯测定器，采用白炽灯泡作为光源，利用光波对空气和甲烷折射率不同产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，操作繁琐不利于煤矿对测量数据的管理。

电化学式瓦斯测定器，采用催化燃烧原理，利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起电阻的变化来测定甲烷浓度。其具有检测速度快，读数直观，操作相对方便的优点。但也存在工作温度高，元件易受硫化物、卤素化合物等的影响，降低使用寿命，在缺氧环境下用可燃气体报警器检测时指示值误差较大等缺点。

因此，有必要设计一种更好的煤矿瓦斯气体安全监测系统，以解决上述问题的需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种准确度高，坚固耐用，能实时监测、直观反映监测点瓦斯气体浓度变化的泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统，包括设置于矿井内多个监测点的泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块，及网络连接于所述泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块的网络传输模块及地面监控模块，所述泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块用于采集井下信息并通过所述网络传输模块向所述地面监控模块传输数据；

所述泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块包括防爆壳，所述防爆壳内设有光干涉瓦斯浓度传感器，所述光干涉瓦斯浓度传感器包括壳体，所述壳体设有进气孔和出气孔，所述进气孔用于供采集的瓦斯气体进入，所述进气孔连接于过滤室，所述过滤室连接于隔膜式循环气泵，所述隔膜式循环气泵通过进气管连接于气室，所述气室包括气样室及位于所述气样室两侧与其平行设置的空气室，所述气样室的进口连接于所述进气管，所述气样室的出口通过出气管连接于所述出气孔，所述气室的两端分别设有折光棱镜和平面镜，所述折光棱镜位于所述气室出口的一端，所述平面镜位于所述气室进口的一端，所述平面镜与所述气室端面的平光透镜呈45°角相对放置，所述壳体内还设有聚光镜和反射棱镜，所述聚光镜位于光源和所述平面镜之间，所述反射棱镜位于所述平面镜的出光射线上，所述反射棱镜的出光射线上设置有测微玻璃，所述测微玻璃与所述反射棱镜之间放置有物镜，所述壳体在正对于所述测微玻璃的位置处开设有通光孔，所述通光孔处设有光学镜头，所述光学镜头的端部设有高分辨率线阵CCD。

进一步，所述泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块还包括稳压变压器、图像采集卡、数据转换传输模块、声光报警模块及液晶显示屏，所述稳压变压器用于为所述光干涉瓦斯浓度传感器、所述图像采集卡、所述数据转换传输模块、所述声光报警模块及所述液晶显示屏供电，所述图像采集卡用于采集干涉条纹经所述高分辨率线阵CCD转化的电信号，所述数据转换传输模块用于处理所述图像采集卡采集的电信号，所述液晶显示屏用于显示监测到的瓦斯浓度值，在瓦斯浓度超标的情况下触发所述声光报警模块，发出警报。

进一步，所述地面监控模块包括监控计算机、数据库服务器和打印机，所述监控计算机用于将收到的数据存储在所述数据库服务器中备份，所述监控计算机与所述数据库服务器连接，所述数据库服务器用于存储各监测点的历史数据和报警记录，所述监控计算机与所述打印机相连，所述打印机用于打印所需的各种记录信息。

进一步，所述过滤室包括相互连接的水蒸汽过滤室和二氧化碳过滤室，所述水蒸汽过滤室与所述进气孔相连，所述二氧化碳过滤室与所述隔膜式循环气泵相连。

进一步，所述壳体外设有毛细管，所述毛细管通过空气管道连接于两个所述空气室，用于向所述空气室内通入空气并平衡气压。

进一步，所述出气管上设有放气阀。

进一步，所述平面镜的背面镀有反射膜。

进一步，所述光学镜头包括镜身、镜头和镜片，所述镜头装设在所述镜身靠近所述壳体的一端，所述镜头通过旋转调焦，所述镜片与所述测微玻璃同轴线设置。

进一步，拟定所述测微玻璃与所述镜片之间的距离为u，所述光学镜头焦距为f，所述镜片与所述高分辨率线阵CCD之间的距离为v，则u、f、v之间需满足f＜u＜2f，v＞2f。

进一步，所述隔膜式循环气泵包括隔膜泵和电动马达，所述隔膜泵设有吸气口和出气口，所述吸气口通过管路连接于所述过滤室，所述出气口连接于所述进气管，所述电动马达用于带动所述隔膜泵的膜运动，以改变所述隔膜泵的容积，实现吸气或出气动作。

本发明的有益效果：

在矿井内多个监测点设置泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块，可实现对井下不同区域的实时瓦斯监测，各监测点的瓦斯浓度数据信息均通过网络传输模块传输给地面监控模块，组建成井下瓦斯浓度光纤网络测量系统，实现井下瓦斯浓度的实时监测，可以对数据进行实时采集和同步保存，从而研究井下瓦斯浓度的变化规律；

由光源产生的平行光束通过光干涉瓦斯浓度传感器的光路后变成两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，干涉条纹通过光学镜头被清晰的投射到高分辨率线阵CCD上，并转化为电信号波形图，供数据采集和传输。本发明光干涉瓦斯浓度传感器具有准确度高，坚固耐用，校正容易，易维护，高低浓度均可测量的优点，在矿井内设置该传感器，大大减轻了煤矿瓦斯检测人员的工作量。

附图说明

图1为本发明泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统的原理框图；

图2为图1中泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块的原理框图，实线为信号传输路径，虚线为供电路径；

图3为图1中泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块的结构示意图；

图4为图3中光干涉瓦斯浓度传感器的结构示意图；

图5为图4中光学镜头的剖视图；

图6为图5中光学镜头成像原理示意图；

图7为图4中隔膜式循环气泵的结构示意图；

图中，1—光干涉瓦斯浓度传感器、2—防爆壳、3—稳压变压器、4—图像采集卡、5—数据转换传输模块、6—声光报警模块、7—液晶显示屏、8—壳体、9—进气孔、10—出气孔、11—水蒸汽过滤室、12—二氧化碳过滤室、13—隔膜式循环气泵、14—进气管、15—光源、16—聚光镜、17—平面镜、18—反射棱镜、19—气样室、20—空气室、21—平光透镜、22—空气管道、23—毛细管、24—折光棱镜、25—物镜、26—测微玻璃、27—出气管、28—光学镜头、29—高分辨率线阵CCD、30—镜身、31—镜头、32—镜片、33—隔膜泵、34—电动马达、35—吸气口、36—出气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1，本发明提供一种泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统，包括泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块，网络传输模块及地面监控模块，泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块设置于矿井内多个监测点处，每个监测点处均部署一套泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块，网络传输模块网络连接于多个泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块和地面监控模块，泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块采集井下信息并通过网络传输模块向地面监控模块传输数据，从而实时监测井下瓦斯浓度。

如图2及图3，泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块包括防爆壳2，防爆壳2内设有光干涉瓦斯浓度传感器1，稳压变压器3、图像采集卡4、数据转换传输模块5、声光报警模块6及液晶显示屏7。光干涉瓦斯浓度传感器1用于监测井下监测点处瓦斯浓度，稳压变压器3用于将外接电压经调整后分别为光干涉瓦斯浓度传感器1、图像采集卡4、数据转换传输模块5、声光报警模块6及液晶显示屏7供电，图像采集卡4用于采集光干涉瓦斯浓度传感器1产生的电信号，数据转换传输模块5用于处理图像采集卡4采集的电信号，液晶显示屏7用于显示监测到的瓦斯浓度值，液晶显示屏7上具有电源开关按键和调节按钮，在瓦斯浓度超标的情况下自动触发声光报警模块6，发出警报。

网络传输模块，用于将上述泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块采集的信息传输到地面监控模块。

地面监控模块，用于将经过网络模块所汇集传输的由泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块采集的数据进行实时显示、处理和上传。地面监控模块包括监控计算机、数据库服务器和打印机，监控计算机用于将收到的数据存储在数据库服务器中备份，监控计算机与数据库服务器连接，数据库服务器用于存储各监测点的历史数据和报警记录，监控计算机与打印机相连，打印机用于打印所需的各种记录信息的报表。

如图4，光干涉瓦斯浓度传感器1包括壳体8，壳体8设有进气孔9和出气孔10，进气孔9用于供采集的瓦斯气体进入，进气孔9连接于过滤室，过滤室连接于隔膜式循环气泵13，在本实施例中，过滤室包括相互连接的水蒸汽过滤室11和二氧化碳过滤室12，水蒸汽过滤室11与进气孔9相连，二氧化碳过滤室12与隔膜式循环气泵13相连。隔膜式循环气泵13通过进气管14连接于气室，气室包括气样室19及位于气样室19两侧与其平行设置的空气室20，气样室19的进口连接于进气管14，气样室19的出口通过出气管27连接于出气孔10，出气管27上设有放气阀。壳体8外设有毛细管23，毛细管23通过空气管道22连接于两个空气室20，用于向空气室20内通入空气并自动平衡气压变化，使空气室20和大气连通，且保证空气室20与气样室19具有相同的气压，减少气体扩散作用的影响。

气室的两端面上分别设有平光透镜21，两端外分别设有折光棱镜24和平面镜17，折光棱镜24位于气室出口的一端，平面镜17位于气室进口的一端，平面镜17的背面镀有反射膜，平面镜17与平光透镜21呈45°角相对放置，壳体8内还设有聚光镜16和反射棱镜18，聚光镜16位于光源15和平面镜17之间，光源15为0.3A/2.5V螺口小灯珠，为光干涉瓦斯浓度传感器1提供光源，螺口小灯珠通过稳压变压器3供电。反射棱镜18位于平面镜17的出光射线上，反射棱镜18的出光射线上设置有测微玻璃26，测微玻璃26与反射棱镜28之间放置有物镜25，壳体8在正对于测微玻璃26的位置处开设有通光孔，通光孔处设有光学镜头28，光学镜头28的端部设有高分辨率线阵CCD29。由光源产生的平行光束通过光干涉瓦斯浓度传感器1的光路后变成两束干涉光，该两束干涉光产生明暗相间的干涉条纹，干涉条纹通过特制的光学镜头28被清晰的投射到高分辨率线阵CCD29上，并转化为电信号波形图，供图像采集卡4采集。

如图5，光学镜头28是为避免人工观察目镜时带来的误差，根据光学成像原理特殊加工，安置于反射棱镜18光路上的通光孔处，可以使光干涉瓦斯浓度传感器1的干涉光线清晰、均匀的投射到高分辨率CCD29的感光芯片上。光学镜头28包括镜身30、镜头31和镜片32，镜头31装设在镜身30靠近壳体8的一端，镜头31通过旋转调焦，镜片32与测微玻璃26同轴线设置。在本实施例中，镜身30为铝制，镜头31为钢制，镜片32为玻璃制的，在其它实施例中，三者的材质可以根据需要选择。本实施例中，镜身30是将47mm长，外直径18mm，内直径11mm的铝管加工成长42mm，外直径18mm，内直径15mm和长5mm外直径18mm，内直径11mm两部分；镜头31是将13mm长，外直径15mm，内直径9mm的钢管加工成3mm长，外直径15mm，内直径10mm和9mm长，外直径11mm，内直径10mm及1mm长，外直径11mm，内直径9mm三部分。将镜头31装设在镜身30端部，镜片32采用直径10毫米凸透镜。

如图6，是光学镜头成像原理示意图，拟定测微玻璃26与镜片32之间的距离为u，光学镜头28焦距为f，镜片32与高分辨率线阵CCD29之间的距离为v，则u、f、v之间需满足f＜u＜2f，v＞2f，从而可以清晰均匀的在高分辨率线阵CCD29上投影出倒立放大实像，有利于快速、精准的采集数据。在本实施例中，光线通过测微玻璃26时呈3mm长光带，u＝15mm，f＝8.8mm，v＝49mm。

高分辨率线阵CCD29的积分曝光时间100级可调，范围为10us-1ms。触发模式为内触发或外触发软件编程可选。CCD的图像数据一方面可以通过USB输入到计算机中，另一方面也可以通过同步模拟输出端口由示波器显示或者通过其它采集卡进行采集。同步触发输出端口可以将内触发时的内部时钟信号或者外触发的信号同步输出，可用此信号来触发示波器，该信号与CCD图像的模拟信号同步。利用高分辨率线阵CCD29，可以快速高效采集光干涉条纹并将其转换为电信号波形图；图像信号更清晰直观。

如图7，隔膜式循环气泵13为12V隔膜泵，供电后可持续稳定为光干涉瓦斯浓度传感器1提供监测气体。隔膜式循环气泵13包括隔膜泵33和电动马达34，隔膜泵33设有吸气口35和出气口36，吸气口35通过管路连接于二氧化碳过滤室12的出口，出气口36连接于进气管14，电动马达34带动隔膜泵33的膜运动，以改变隔膜泵33的容积，实现吸气或出气动作，从而向气样室19内泵入瓦斯气体。

本发明泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统在使用时，将泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块放置在井下各监测点，然后通过隔膜式循环气泵13向气样室19内通入瓦斯气体，同时光源发出的光经聚光镜16聚集后，再通过平面镜17经其反射与折射形成两束光，分别通过空气室20和气样室19，再经过折光棱镜24折射后，由空气室20和气样室19穿过再由平面镜17反射和折射，一同射入反射棱镜18，反射棱镜18将竖向的光反射为水平向，再穿过物镜25和测微玻璃26。光在经过上述反射、折射等过程后产生干涉条纹，通过通光孔射入光学镜头28内，根据光学镜头成像原理，干涉条纹以放大倒像形式清晰、均匀的投射到高分辨率线阵CCD29上。经过高分辨率线阵CCD29内部的图像传感器转化为电信号波形图，该波形图经过连接的图像采集卡4、数据转换传输模块5处理，在液晶显示屏7上显示瓦斯浓度，在瓦斯浓度超标情况下直接触发声光报警模块6，发出警报。

泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块采集的数据信息由网络传输模块传输给地面监控模块，通过监控计算机上实现同步显示瓦斯浓度值和同步数据存储。

本发明利用稳压变压器3可同时为不同额定电压的光源15、隔膜循环气泵13供电，利用隔膜循环气泵13可持续稳定为光干涉瓦斯浓度传感器1提供监测气体；利用特制的光学镜头28，更好的将光干涉条纹清晰均匀的投射到高分辨率CCD芯片29上；利用高分辨率线阵CCD29，快速高效采集光干涉条纹并将其转换为电信号波形图，图像信号更清晰直观，且可同步触发输出端口可以将触发的信号同步输出；电信号以数字形式同步显示在液晶显示屏7，当瓦斯浓度超限式直接触发声光报警模块6发出报警；通过网络传输模块，可实现地面监控计算机信号同步显示，减少了处理误差，使得操作过程简单、快速、提高了测量精度；多点采集可实现煤矿瓦斯气体安全监测系统。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明光干涉瓦斯浓度传感器1具有准确度高，坚固耐用，校正容易，易维护，高低浓度均可测量的优点，在矿井内设置该传感器，大大减轻了煤矿瓦斯检测人员的工作量。

(2)在矿井内多个监测点设置泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块，可实现对井下不同区域的实时瓦斯监测，地面工作人员可以利用一台监控计算机连接多台泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度传感器模块，组建井下瓦斯浓度光纤网络测量系统，实现井下瓦斯浓度的实时监测。

(3)不仅可以对数据进行实时采集和同步保存，也可以对数据进行回放、处理、显示和绘制相关曲线，有利于比较同一采样点不同时间段内瓦斯浓度的变化和多个采样点相同时间内瓦斯浓度的变化规律。

(4)利用搭建起来的泵吸式CCD光干涉瓦斯浓度监测系统对多点监测采集的数据，结合有关参数，利用相应软件程序对探索在不同类型巷道内不同风速情况下瓦斯气体的弥散度有很大意义。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。