专利名称：光数一体双模式智能甲烷检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于有害气体检测设备技术领域，具体涉及一种光学与数字一 体双模式智能甲烷检测仪器。
背景技术：
甲烷是煤矿井下主要的有害气体，直接威胁着矿井安全生产和矿工生命安 全。甲烷检测主要是检测甲烷在空气中的体积浓度，以掌握井下甲垸浓度情况， 防止甲垸事故的发生。
目前，我国检测甲烷的仪器主要有(1)热催化型甲烷检测报警仪。当一 定的工作电流通过黑元件(用涂有热催化剂铂丝制成)时，其表面即被加热到 一定温度，当反应室中充以含有甲烷的空气时，甲烷接触到黑元件表面，即在 反应室中呈无烟燃烧，放出燃烧热，使黑元件(铂丝)的温度升高，导致铂丝 的电阻值明显增加，于是电桥就失去平衡，输出一定的电压。在甲垸浓度低于 4%的情况下，电桥输出的电压与甲垸浓度基本上呈直线关系，因此可以根据测 量电桥输出电压的大小测算出甲烷浓度的数值。其国内的代表产品为抚顺煤炭 安全仪器厂生产的AQP—l型热效式甲烷测定器。(2)热导型甲烷检测仪。热 导型甲垸检测仪的基本原理和结构大体与热催化型相似，其主要差别是热导 型甲垸检测仪的反应元件为热敏元件如热敏电阻、铂丝、钨丝等。当反应室中
充以含有甲垸的空气时，由于甲烷比空气的热导率大1.296倍，因而能降低热 敏元件的温度，并导致其电阻发生变化，从而破坏电桥的平衡。代表产品有浙 江奉化电子仪表厂生产的KDD—1型热导式甲垸测定器，常州红旗仪表厂生产的 LRD—1型热导式甲烷测定器。(3)气敏半导体式甲垸检测仪。气敏半导体在加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散。 其间一部分分子蒸发， 一部分分子就固定在吸附处。此时如果材料的功函数小 于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附； 如果材料功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正 离子吸附。NOx(氮类氧化物)倾向于负离子吸附，称为氧化型气体。HZ、 C0、碳 氢化合物和酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体。氧化型气体吸附到N型 半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到N 型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。根据这一特性，就可以从阻 值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。国内产品有TONS"GOM气体报警 仪，GM3气体检测仪等。(4)红外吸收原理的甲烷检测仪。红外吸收型甲垸检 测仪是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有 关的规律来检测甲烷浓度的。红外吸收型气体分析检测仪一般由红外辐射源(白 炽灯或者红外LED)，测量气样室，波长选择装置(滤光片)，红外探测装置 (如热电探测器，热电池)组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么 红外辐射透过被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐 射被探头测出，通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度。红外线 气体检测仪的优点是测量范围宽、选择性好、防爆性好，尤其是当被测气体浓 度过高时，不会像载体催化元件那样发生中毒现象。(5)光学甲烷检测仪。光 干涉式甲烷检测仪是我国煤矿井下普遍使用的一种测定甲烷浓度的便携式仪 器。由于光通过气体介质的折射率与气体的密度有关，如果以空气室和甲垸室 都充入同密度的新鲜空气时产生的条纹为基准(对零)，当甲垸室充入含有甲 垸的空气时(抽气测定)，由于空气室中的新鲜空气和甲烷室中的含甲烷气体 的密度不同，引起折射率的变化，光程也就随之发生变化，于是干涉条纹产生位移(移动)，从目镜可以看到干涉条纹移动的距离。由于干涉条纹的位移量与甲烷浓度成正比例关系，所以根据干涉条纹的位移量就可以测得甲烷的浓度，从目镜可以观察到干涉条纹移动后所处的甲垸浓度刻度值，于是便可测得甲烷
浓度。国内早期产品以AQG—l型为主。
上述热催化型甲烷检测仪是除光干涉甲垸检测仪外在矿山井下应用较普遍的便携式甲垸检测仪，但热催化型甲烷检测仪存在调校周期短、易中毒、使用寿命短等无法克服的缺陷。光干涉甲垸检测仪由于其性能稳定、使用寿命长、测量准确，成为我国煤矿应用最普遍的便携式甲烷检测仪器。然而，现有的目测型光干涉甲烷检测仪主要采用人工读数的方法，存在着自动化程度低、测量
方法繁琐、读数不直观、人为误差较大、不能存储数据等自身弱点，即(1)
使用目测型光干涉甲烷检测仪检测时，由目镜中读出黑基线位移后靠近的某整数刻度，再转动微调螺旋，使黑基线退到该整数刻度，从微读数盘上读出小数
位。理论精度达到0.01%，但是由于关键步骤"使黑基线退到该整数刻度"为目测，所以实际测量精度远远低于0.01%。 (2)测量方法烦琐。目测型光干涉甲烷检测仪是根据甲烷折射率，并在温度2(TC和标准大气压条件下标定的刻度值的，当温度、气压变化较大时，要做相应的校正。此外，检査前，必须在和待测地点温度相近的进风巷中，捏放吸气球清洗甲烷室。然后校零，防止由于温差过大引起测量时出现零点漂移现象。(3)人工读取数据，不方便组成井下自动记录和存储数据。
发明内容
本实用新型的目的是针对现在技术存在的不足，在传统目测式光干涉甲垸检测仪基础上，通过集成高精度分光棱镜，整合光学测量和数字测量两部分，使仪器一机两用，光电互补，提供一种光数一体双模式、高度集成、便于携带、6页
既能目测、又能直接数字显示、存储数据、自动报警的适于煤矿井下现场使用的便携式甲烷浓度检测仪。
本实用新型是通过如下的技术方案来实现上述目的的该光数一体双模式智能甲烷检测仪，包括光源、聚光镜、反射平面、平行玻璃、气室、折光棱镜、反射棱镜及光谱显示部件。所述光源采用高亮发光二极管；在反射棱镜的平行处设有一个分光棱镜，在分光棱镜的下方设有光数转换及显示系统。
所述光数转换及显示系统包括光电传感器，光电传感器的视频信号输出端与放大滤波电路相连，放大滤波电路通过二值化电路与单片机相连；单片机通过光电传感器驱动电路与光电传感器相连；单片机还分别与液晶显示屏、报警电路、及数据存储器相连；单片机上设有温度传感器和通讯接口。
本实用新型在原光干涉甲烷检测仪的光路中采用了白色LED即高亮发光二极管，增加高精度分光棱镜和CCD即高灵敏度光电传感器； 一部分干涉光经分光棱镜后直接到目镜，另一部分干涉光经分光棱镜分光后，在单片机的驱动下，照在高灵敏度CCD光电传感器上转化成视频数字信号，然后通过放大滤波和二值化及单片机的计算，将对应的甲烷浓度显示在液晶显示屏上，此时，通过光谱观测的甲垸浓度和液晶显示屏上的甲垸浓度一致，同时单片机记忆测定时间和甲烷浓度值，如果甲烷浓度超限，单片机将驱动报警电路。本实用新型实现了光数一体双模式智能甲垸检测，可随时检测作业场所的甲垸浓度，数字和光谱同时显示甲烷浓度值，保存历史数据供査询与上位机下载，高度智能化。
图1是本实用新型的结构原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。参见图1，本实用新型的目测式光干涉甲烷检测部分包括光源l、聚光镜2、
反射平面3、平行玻璃4、气室5、折光棱镜6、反射棱镜7及光谱显示部件，其中，光源1采用白色LED即高亮发光二极管。从图中可看到，在反射棱镜7的平行处还设有一个半透半反的分光棱镜8，在分光棱镜8的下方设有光数转换及显示系统9。
本实用新型的工作过程如下光源1发光，通过聚光镜2聚光后进入反射平面3，光反射后进入气室5，然后到折光棱镜6反射经气室5在到反射平面3,然后反射到反射棱镜7，经反射棱镜7反射后的光路后增加分光棱镜8进行分光，一部分光直接进入光干涉甲烷检测仪的目镜显示光干涉条纹；另一部分光经分光棱镜8进入光数转换及显示系统9，从光数转换及显示系统9的原理框图中可看到，光源在单片机及CCD驱动下通过CCD光数转换的后变成视频信号，然后经放大滤波和二值化后，进入单片机，由单片机控制液晶显示，甲烷超限时声光报警及数据存储启动。在单片机上设置有温度传感器和通讯接口，用于测量校正和与上位机连接。
本实用新型的工作原理是由光源1发出的光经聚光镜2后，到达平面镜3，经其前后两个表面反射， 一部分光束穿过气室5下侧的空气室，由折光棱镜6将其折回，穿过上侧的空气室后回到平面镜3，在其后表面(镀反射膜)反射，于"0"点附近穿出平面镜向反射棱镜7前进，经偏折后进入望远镜系统。另一部分光束折射进入平面镜，在其后表面反射，然后穿过气室中间的甲垸室，经折光棱镜反射又回到甲垸室，传播到平面镜3，于"0"点附近经平面镜反射和上述的部分光束一同进入望远镜系统。这两束光在物镜的焦平面上会产生干涉条纹。人眼可以通过目镜观察到这种干涉条纹，当甲垸室与空气室都充满相同的气体时，干涉条纹的位置不移动，但当甲垸气体冲进甲烷室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离。测量这个位移量，便可知甲垸在空气中的含量。
该气体检测仪是根据不同种类及不同浓度的气体对光的折射率不同而设计的。只要预知某种气体的折射率，就可以根据干涉条纹移动的距离得知被测气样的浓度。如果气室的长度长，则光束经过气体的路程也长，光干涉条纹的偏移灵敏度就高，反之则低。所以，可以利用改变气室的不同长度来测定不同浓度的气样。
本实用新型采用半透半反分光棱镜使干涉图样进入目测系统的同时，另一
路照射在光电传感器件CCD表面,CCD检测通过干涉条纹移动量，经放大和滤
波后进入单片机，单片机对干涉条纹移动量进行转换、分析、计算、处理后完成显示、存储、声光报警等功能。
权利要求1、一种光数一体双模式智能甲烷检测仪，包括光源、聚光镜、反射平面、平行玻璃、气室、折光棱镜、反射棱镜及光谱显示部件；其特征在于所述光源采用高亮发光二极管；在反射棱镜的平行处设有一个分光棱镜，在分光棱镜的下方设有光数转换及显示系统。
2、 根据权利要求l所述的光数一体双模式智能甲烷检测仪，其特征在于 所述光数转换及显示系统包括光电传感器，光电传感器的视频信号输出端与放 大滤波电路相连，放大滤波电路通过二值化电路与单片机相连；单片机通过光 电传感器驱动电路与光电传感器相连；单片机还分别与液晶显示屏、报警电路、 及数据存储器相连；单片机上设有温度传感器和通讯接口。
专利摘要本实用新型属于有害气体检测设备技术领域，具体涉及一种光数一体双模式智能甲烷检测仪。本实用新型为解决现有技术中所存有的测量方法繁琐、人为误差较大、不能存储数据等问题，提供一种如下的技术方案该光数一体双模式智能甲烷检测仪，包括光源、聚光镜、反射平面、平行玻璃、气室、折光棱镜、反射棱镜及光谱显示部件。所述光源采用高亮发光二极管；在反射棱镜的平行处设有一个分光棱镜，在分光棱镜的下方设有光数转换及显示系统。本实用新型高度集成、高度智能化，便于携带，既能目测、又能直接数字显示、存储数据、自动报警。
文档编号G01N21/45GK201434836SQ20092006424
公开日2010年3月31日 申请日期2009年4月29日 优先权日2009年4月29日
发明者刘世光, 李轶群, 王海桥, 武 钟, 陈世强, 黄俊杰 申请人:湖南科技大学