一氧化碳检测装置的制作方法

本实用新型实施例涉及煤矿系统领域，尤其涉及一种一氧化碳检测装置。

背景技术：

井下环境参数检测是矿井安全生产的重中之重，尤其是井下一氧化碳含量直接影响着作业人员的生命安全。严控煤矿事故，重点在于预防和遏制。

目前行业内井下一氧化碳检测主要采用的是电化学原理，电化学原理存在如下问题：响应时间长，一般超过15s；环境适应性差，容易受到环境中水汽、粉尘影响；容易受到环境中背景气如硫化氢、乙炔等的影响，从而导致准确性降低；抗干扰性差，由于输出信号比较小，容易受到井下电磁干扰影响产生误报警。

基于上述问题，现有的一氧化碳检测方法难以满足当前的使用需求。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种一氧化碳检测装置，以实时、可靠地测量矿井中的一氧化碳。

本实用新型实施例提供了一种一氧化碳检测装置，包括：

气体检测模块，所述气体检测模块包括依次连接的激光器、气室单元和光电转换电路，所述激光器用于生成预设波长的激光信号，并将激光信号传输至所述气室单元；所述光电转换电路用于探测经过气室单元后的激光信号，输出电信号；

主控模块，连接所述光电转换电路，用于采集光电转换电路输出的电信号，获得一氧化碳的检测结果；

通信模块，连接所述主控模块，用于将所述一氧化碳的检测结果发送至目标设备；

电源模块，所述电源模块输出第一电压为所述气体检测模块供电，以及输出第二电压为所述主控模块和所述通信模块供电。

可选的，还包括电流驱动模块和温度控制模块，所述电流驱动模块和所述温度控制模块与所述激光器连接，所述电流驱动模块和所述温度控制模块用于对所述激光器进行调制，以控制所述激光器输出所述预设波长的激光信号。

可选的，所述光电转换电路包括光电探测器和信号处理电路，其中，

所述光电探测器用于接收所述激光信号，并将所述激光信号转换为电流信号；

所述信号处理电路用于提取所述电流信号中的二次谐波分量。

可选的，所述通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，其中，

所述无线通信模块包括zigbee通信模块、wifi通信模块、3g/4g/5g通信模块和蓝牙模块中的至少一种，所述主控模块通过所述无线通信模块将所述一氧化碳的检测结果发送至所述目标设备；

所述有线通信模块包括rs485串行总线、can总线和以太网中的至少一种，所述主控模块通过所述有线通信模块与控制主机通信连接，以响应所述控制主机的控制信号进行升级和/或向所述控制主机传输所述一氧化碳的检测结果。

可选的，所述目标设备包括监控平台和移动巡检设备，

所述主控模块通过所述zigbee通信模块，或所述wifi通信模块，或所述3g/4g/5g通信模块向所述监控平台发送所述一氧化碳的检测结果；以及，

通过所述蓝牙模块匹配所述移动巡检设备，并在匹配成功后，将所述一氧化碳的检测结果发送至所述移动巡检设备。

可选的，所述电源模块包括缓启动模块和电压转换模块，所述缓启动模块的输入端连接输入电源，所述缓启动模块的输出端连接所述电压转换模块的输入端，所述电压转换模块输出所述第一电压和所述第二电压。

可选的，所述缓启动模块包括稳压电路、运算放大器和开关电路，所述稳压电路的输入端连接所述输入电源，所述稳压电路的第一输出端连接所述运算放大器的同相输入端；所述运算放大器的反向输入端连接所述缓启动模块的电压输出端；所述运算放大器的输出端连接所述开关电路的控制端；

所述开关电路的输入端连接所述稳压电路的第二输出端，所述开关电路的输出端连接所述缓启动模块的电压输出端；所述开关电路用于根据控制端的信号控制输入端和输出端之间导通或者断开；

所述电压转换模块包括第一电压转换模块和第二电压转换模块，所述第一电压转换模块的输入端连接所述缓启动模块的电压输出端，所述第一电压转换模块的输出端输出所述第一电压；所述第二电压转换模块的输入端连接所述第一电压转换模块的输出端，所述第二电压转换模块的输出端输出所述第二电压。

可选的，所述开关电路包括第一电阻、第二电阻、发光二极管和mos管，其中，

所述发光二极管的负极连接所述运算放大器的输出端，所述发光二极管的正极连接所述mos管的栅极；

所述mos管的第一极连接所述稳压电路的第二输出端，所述mos管的第二极连接所述缓启动模块的电压输出端；

所述第一电阻的第一端连接所述mos管的第一极，所述第一电阻的第二端连接所述mos管的第二极；

所述第二电阻的第一端连接所述发光二极管的正极，所述第二电阻的第二端连接所述稳压电路的第二输出端。

可选的，所述稳压电路包括第一稳压模块和第二稳压模块，所述第一稳压模块的输入端连接所述输入电源，所述第一稳压模块的输出端通过分压电阻连接所述第二稳压模块的输入端；所述第一稳压模块的输出端作为所述稳压电路的第二输出端，所述第二稳压模块的输出端作为所述稳压电路的第一输出端，其中，

所述第一稳压模块包括稳压二极管和整流二极管，所述稳压二极管的负极连接所述第一稳压模块的输入端，所述稳压二极管的正极接地；所述整流二极管的正极连接所述第一稳压模块的输入端，所述整流二极管的负极连接所述第一稳压模块的输出端；

所述第二稳压模块包括稳压芯片、电容、第一比例电阻和第二比例电阻；所述稳压芯片的第一端连接所述第二稳压模块的输入端，所述稳压芯片的第二端接地，所述稳压芯片的基准参考端连接所述第一比例电阻的第一端和所述第二比例电阻的第一端；

所述电容的第一端连接所述稳压芯片的基准参考端，所述电容的第二端接地；

所述第一比例电阻的第二端连接所述第二稳压模块的输出端，所述第二比例电阻的第二端接地。

可选的，还包括显示模块和报警模块，所述显示模块电连接所述主控模块，所述显示模块用于显示所述一氧化碳的当前检测结果和历史检测结果，以及显示由所述主控模块采集的所述电源模块的当前电量信息；

所述报警模块与所述主控模块相连，用于在接收到所述主控模块输出的触发信号时进行声和/或光报警。

本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置，通过设置激光器产生预设波长的激光信号，由气室单元对该预设波长的激光信号进行吸收，吸收后的激光信号被光电转换电路转换为电信号，主控模块处理转换得到的电信号，得到一氧化碳的检测结果，再通过通信模块将一氧化碳的检测结果发送至目标设备，使得目标设备能够实时获取各井下分站的一氧化碳信息。同时，通过内置的电源模块为各功能模块供电，保证了一氧化碳检测装置各能够正常工作。本实用新型实施例采用激光光谱吸收技术不仅实现了对一氧化碳的在线测量，而且通过对激光器进行调制生成对应于一氧化碳吸收波段的窄带激光信号，从而使得检测结果不受背景气干扰，抗干扰性强且提高了对一氧化碳检测的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种一氧化碳检测装置的结构框图；

图2本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图；

图3本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图；

图4本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图；

图5本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图；

图6本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图；

图7为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种一氧化碳检测装置的结构框图。参考图1，该一氧化碳检测装置包括：

气体检测模块10，气体检测模块10包括依次连接的激光器110、气室单元120和光电转换电路130，激光器110用于生成预设波长的激光信号，并将激光信号传输至气室单元120；光电转换电路130用于探测经过气室单元120后的激光信号，输出电信号；

主控模块20，连接光电转换电路130，用于采集光电转换电路130输出的电信号，获得一氧化碳的检测结果；

通信模块30，连接主控模块20，用于将一氧化碳的检测结果发送至目标设备；

电源模块40，电源模块40输出第一电压为气体检测模块10供电，以及输出第二电压为主控模块20和通信模块30供电。

具体地，预设波长对应于一氧化碳气体的吸收波长，主控模块20通过控制激光器110产生预设波长的激光信号，生成窄带激光信号，使得井矿中的一氧化碳能够对所产生的激光信号进行光谱吸收，从而根据吸收前后的激光信号的光强变化可以检测一氧化碳的浓度。预设波长可以为一个波长范围，例如，在中心波长的基础上，给予一定的冗余量。在一个实施例中，预设波长的中心波长为2330nm。

气室单元120用于控制激光信号按照预设的气体路径进行传播，这样经过气室单元120后，根据朗格比尔定律，部分激光信号会被气室单元120中的一氧化碳吸收，从而使得气室单元120输出的激光信号的光强降低，该光强降低的激光信号用于后续确定一氧化碳的浓度。

可选的，气室单元120通常由输入透镜和输出透镜组成。在一个实施例中，气室单元120包括输入光纤、输出光纤和透镜组，从输入光纤中出射的光，经输入透镜准直变为平行光，穿过气室单元120，由输出透镜耦合到输出光纤进行输出。

光电转换电路130用于将探测到的激光信号转换为对应的电信号，然后将电信号输出至主控模块20进行计算以确定一氧化碳的浓度值。

主控模块20基于朗格比尔定律对经由一氧化碳气体吸收后的激光信号与未经吸收时的理想值进行偏差计算，得到一氧化碳的浓度值，即为一氧化碳的检测结果。

通信模块30用于实时向目标设备发送一氧化碳的检测结果，以实现对一氧化碳的在线测量。在一个实施例中，通信模块30包括有线通信模块和无线通信模块，其中，

无线通信模块包括zigbee通信模块、wifi通信模块、3g/4g/5g通信模块和蓝牙模块中的至少一种，主控模块20通过无线通信模块将一氧化碳的检测结果发送至目标设备；

有线通信模块包括rs485串行总线、can总线和以太网中的至少一种，主控模块20通过有线通信模块与控制主机通信连接，以响应控制主机的控制信号进行升级和/或向控制主机传输一氧化碳的检测结果。

具体地，施工现场通常会包括不止一个一氧化碳检测装置，以检测不同位置的一氧化碳的浓度信息。通过在一氧化碳检测装置中设置无线通信模块和有线通信模块，使得布设在不同井下分站的一氧化碳检测装置能够与各个目标设备进行通信组网，形成通信网络，此时，各一氧化碳检测装置相当于网络节点，从而通过所组建的通信网络，目标设备能够实时获取各个井下分站的一氧化碳的浓度信息。

本实施例中，目标设备包括监控平台和移动巡检设备，其中，主控模块20通过zigbee通信模块，或wifi通信模块，或3g/4g/5g通信模块向监控平台发送一氧化碳的检测结果。

同时，主控模块20通过蓝牙模块匹配移动巡检设备，并在匹配成功后，将一氧化碳的检测结果发送至移动巡检设备。例如，当瓦检员手持瓦检仪到达监测地点时，一氧化碳检测装置通过内置的蓝牙模块与瓦检仪自动连接，在连接成功后，一氧化碳检测装置将一氧化碳浓度值传输给瓦检仪，实现无线智能巡检。

通过在一氧化碳检测装置中配置多种无线通信模块，使得一氧化碳检测装置可以根据所布设的位置、与目标设备的远近、当前位置的网络状态等多种因素进行综合判断并进行自动选择，保证一氧化碳检测装置能够连接至通信网络，实现与目标设备间的可靠通信。

可选的，一氧化碳检测装置中的主控模块20可以基于有线通信模块与控制主机进行通信，以响应控制主机的软件升级指令，实现主控模块20软件的在线升级。

本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置，通过设置激光器产生预设波长的激光信号，由气室单元对该预设波长的激光信号进行吸收，吸收后的激光信号被光电转换电路转换为电信号，主控模块处理转换得到的电信号，得到一氧化碳的检测结果，再通过通信模块将一氧化碳的检测结果发送至目标设备，使得目标设备能够实时获取各井下分站的一氧化碳信息。同时，通过内置的电源模块为各功能模块供电，保证了一氧化碳检测装置各能够正常工作。本实用新型实施例采用激光光谱吸收技术不仅实现了对一氧化碳的在线测量，而且通过对激光器进行调制生成对应于一氧化碳吸收波段的窄带激光信号，从而使得检测结果不受背景气干扰，抗干扰性强且提高了对一氧化碳检测的准确性。

可选的，图2为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。在上述实施例的基础上，参考图2，该一氧化碳检测装置还包括：电流驱动模块50和温度控制模块60，电流驱动模块50和温度控制模块60与激光器110连接，电流驱动模块50和温度控制模块60用于对激光器110进行调制，以控制激光器110输出预设波长的激光信号。

具体地，激光器110为可调谐的半导体激光器，半导体激光器典型地可包括：具有有源增益区和谐振腔的光源；选频器件，用于改变和选择目标波长；以及，能够稳定输出设定波长的输出装置。

电流驱动模块50和温度控制模块60与激光器110相连，使得主控能够通过电流驱动模块50和温度控制模块60驱动半导体激光器生成具有预设波长的激光信号。

可选的，继续参考图2，在上述实施例的基础上，光电转换电路130包括光电探测器和信号处理电路，其中，

光电探测器用于接收激光信号，并将激光信号转换为电流信号；

信号处理电路用于提取电流信号中的二次谐波分量。

具体地，光电探测器是光路和电路的衔接点，用于将探测到的激光信号换换为电流信号，完成光电转换。

信号处理电路用于对电流信号进行滤波处理后提取电流信号中的二次谐波分量，因为二次谐波分量反映了信号的幅度变化，因而主控通过对信号处理电路输出的二次谐波分量进行幅值处理，可以计算出一氧化碳的浓度。

可选的，在光电探测器和信号处理电路之间还设置有前置放大电路，用于对光电探测器输出的电流信号进行放大处理，相应地，信号处理电路根据放大后的电流信号进行信号处理。

可选的，图3为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。在上述实施例的基础上，参考图3，电源模块40包括缓启动模块410和电压转换模块420，缓启动模块410的输入端连接输入电源vin，缓启动模块410的输出端连接电压转换模块420的输入端，电压转换模块420输出第一电压vout1和第二电压vout2。

具体地，缓启动模块410用于在一氧化碳检测装置上电启动时，为各功能模块提供大电流保护，防止上电瞬间产生的大电流损坏各功能模块。缓启动模块410对输出电压进行跟随检测，当输出电压达到电压转换模块420的启动需求电压时，缓启动模块410完成启动，此时电压转换模块420开始正常工作。

电压转换模块420输出第一电压vout1和第二电压vout2两种电压，用于为不同的器件供电。可选的，本实施例中的第一电压vout1为+5v电压，第二电压vout2为+3.3v电压。

可选的，图4为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。在上述实施例的基础上，参考图4，缓启动模块410包括稳压电路411、运算放大器u1和开关电路412，稳压电路411的输入端连接输入电源vin，稳压电路411的第一输出端连接运算放大器u1的同相输入端；运算放大器u1的反向输入端连接缓启动模块410的电压输出端；运算放大器u1的输出端连接开关电路412的控制端；

开关电路412的输入端连接稳压电路411的第二输出端，开关电路412的输出端连接缓启动模块410的电压输出端；开关电路412用于根据控制端的信号控制输入端和输出端之间导通或者断开；

电压转换模块420包括第一电压转换模块和第二电压转换模块，第一电压转换模块的输入端连接缓启动模块410的电压输出端，第一电压转换模块的输出端输出第一电压vout1；第二电压转换模块的输入端连接第一电压转换模块的输出端，第二电压转换模块的输出端输出第二电压vout2。

具体地，稳压电路411用于对输入电压进行稳压处理，为用电器件提供稳定的供电电压。本实施例中，稳压电路411的第一输出端和第二输出端具有不同的输出电压，以分别为运算放大器u1和开关电路412供电。

当缓启动模块410的输出电压低于启动电压转换模块420的设定电压时，运算放大器u1输出高电平，此时连接在运算放单器输出端的开关电路412不工作，缓启动模块410的输出电压达不到电压转换模块420的启动电压，因而无法启动电压转换电路；当缓启动模块410的输出电压高于上述设定电压时，运算放大器u1输出低电平，此时连接在运算放大器u1输出端的开关电路412开始工作，缓启动电路完成启动，稳压电路411的第二输出端通过开关电路412输出稳定电压为电压转换电路供电，电源模块40正常工作。

电压转换模块420中的第一电压转换模块输出电压一方面为第二电压转换模块供电，另一方面为气体检测模块10供电。第二电压转换模块输出的第二电压vout2为一氧化碳检测装置中的其他部件和/或模块供电。第一电压转换模块和第二电压转换模块可使用集成器件实现，在一个实施例中，第一电压转换模块为lm7805型电源芯片，第二电压转换模块为xc6209f332型线性电源。

可选的，图5为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。在上述实施例的基础上，参考图5，开关电路412包括第一电阻r1、第二电阻r2、发光二极管led1和mos管q1，其中，

发光二极管led1的负极连接运算放大器u1的输出端，发光二极管led1的正极连接mos管q1的栅极；

mos管q1的第一极连接稳压电路411的第二输出端，mos管q1的第二极连接缓启动模块410的电压输出端；

第一电阻r1的第一端连接mos管q1的第一极，第一电阻r1的第二端连接mos管q1的第二极；

第二电阻r2的第一端连接发光二极管led1的正极，第二电阻r2的第二端连接稳压电路411的第二输出端。

具体地，第一电阻r1起限流作用，用于限制上电启动时的大电流。第二电阻r2用于保护发光二极管led1。

发光二极管led1的负极连接运算放大器u1的输出端，这样，当运算放大器u1输出高电平时，发光二极管led1处于截止状态，因而开关电路412处于关闭状态。当运算放大器u1输出低电平时，此时发光二极管led1导通，相应地，与其连接的mos管q1导通，此时稳压电路411的第二电压输出端的输出电压通过mos管q1输出至电压转换模块420，为电压转换模块420正常供电。

可选的，图6为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。在上述实施例的基础上，参考图6，稳压电路411包括第一稳压模块和第二稳压模块，第一稳压模块的输入端连接输入电源vin，第一稳压模块的输出端通过分压电阻r5连接第二稳压模块的输入端；第一稳压模块的输出端作为稳压电路411的第二输出端，第二稳压模块的输出端作为稳压电路411的第一输出端，其中，

第一稳压模块包括稳压二极管z1和整流二极管d1，稳压二极管z1的负极连接第一稳压模块的输入端，稳压二极管z1的正极接地；整流二极管d1的正极连接第一稳压模块的输入端，整流二极管d1的负极连接第一稳压模块的输出端；

第二稳压模块包括稳压芯片z2、电容、第一比例电阻r3和第二比例电阻r4；稳压芯片z2的第一端连接第二稳压模块的输入端，稳压芯片z2的第二端接地，稳压芯片z2的基准参考端连接第一比例电阻r3的第一端和第二比例电阻r4的第一端；

电容的第一端连接稳压芯片z2的基准参考端，电容的第二端接地；

第一比例电阻r3的第二端连接第二稳压模块的输出端，第二比例电阻r4的第二端接地。

具体地，第一稳压模块通过稳压二极管z1将输入电压进行稳压后输出，再通过整流二极管d1输出直流供电信号。

第二稳压模块用于向运算放大器u1提供稳定的基准电压，保证运算放大器u1得以正常工作。稳压芯片z2的输出电压即为第二稳压模块的输出电压。通过调节第一比例电阻r3和第二比例电阻r4的比值，可以调节稳压芯片z2的输出电压。在本实施例的一可选实施方式中，稳压芯片z2采用tl431型稳压芯片，通过调节设置第一比例电阻r3和第二比例电阻r4的阻值比为1:1，使得稳压芯片z2输出+5v电压作为运算放大器u1的基准电压。

可选的，图7为本实用新型实施例提供的另一种一氧化碳检测装置的结构框图。在上述实施例的基础上，参考图7，还包括显示模块70和报警模块80，显示模块70电连接主控模块20，显示模块70用于显示一氧化碳的当前检测结果和历史检测结果，以及显示由主控模块20采集的电源模块40的当前电量信息；

报警模块80与主控模块20相连，用于在接收到主控模块20输出的触发信号时进行声和/或光报警。

具体地，显示模块70例如可以为显示屏，通过配置显示屏，可以方便现场工作人员及时查看当前一氧化碳的浓度信息。显示模块70的显示内容可以根据需求进行调整和定制，例如，可以显示当前一氧化碳数值、一氧化碳的历史数值、报警阈值、电源模块40的电量值、工作状态和通信状态等。

报警模块80例如可以为蜂鸣器和/或发光二极管，以进行蜂鸣报警和/或发光报警。报警模块80可按照不同的等级进行报警，以方便现场工作人员进行区分。在一个可选的实施方式中，报警级别分为4级，一氧化碳浓度越高，报警级别越高，最高级别为1级报警。例如，当一氧化碳浓度达到一级浓度阈值时，主控模块20输出第一等级报警触发信号，此时，报警模块80可按照急促的声音进行高频报警。报警方式可以进行施工标准进行调节，本实施例对此不作限定。

在上述实施例的基础上，可选的，本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置还包括存储模块，存储模块主要用于存储传感器标定数值、报警值、历史数据等。历史数据可包含历史报表和历史曲线。历史曲线例如可以为以时间为横坐标，以一氧化碳值为纵坐标进行展示。

在上述实施例的基础上，可选的，本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置具备自诊断功能，当诊断结果表明存在传感器存储芯片故障、或者光路故障、或者通信故障等故障时，都会通过主控模块输出相应的故障提示信息。

在上述实施例的基础上，可选的，本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置具备标校提醒功能，当传感器第一次标校后会自动进行时间记录，在达到固定日期前进行标校提醒，例如，在达到规定日期前3天进行标校提醒。

在上述实施例的基础上，可选的，本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置具备伪数据识别功能，具体地，传感器内部存储有传感器数值波动模型，当传感器由于外界干扰或其他原因产生异常数据时，传感器会根据所存储的传感器数值波动模型进行数据识别，剔除伪数据，确保一氧化碳检测结果的准确性。

本实用新型实施例提供的一氧化碳检测装置，基于激光光谱吸收技术对一氧化碳进行在线检测，相比于传统的电化学测量方法，具有测量线性好和抗干扰能力强的优点；同时因为采用非接触测量，还具有使用寿命长的优点。通过在一氧化碳检测装置中配置有线通信模块和无线通信模块，使得一氧化碳检测装置具有多种通信方式与目标设备进行数据交互，并且能够实时响应控制主机的升级指令，进行在线升级，可极大提升设备的使用效率。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。