專利名稱：紅外光學(xué)瓦斯探測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種煤礦井下瓦斯探測裝置，具體為一種紅外光學(xué)瓦斯探測儀。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的瓦斯探測裝置都是利用熱催化原理、化學(xué)原理的氣敏傳感器以及相應(yīng)的后續(xù)信號(hào)處理電路來實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛忍綔y。而這類傳感器大多需要短期內(nèi)校準(zhǔn)，而且容易產(chǎn)生誤報(bào)警，因此，使用的可靠性相對(duì)較差。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型解決現(xiàn)有的瓦斯探測裝置所用的傳感器大多需要短期內(nèi)校準(zhǔn)，而且容易產(chǎn)生誤報(bào)警等問題，提供一種紅外光學(xué)瓦斯探測儀。并只以提供該瓦斯探測儀的硬件結(jié)構(gòu)為目的。
本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的紅外光學(xué)瓦斯探測儀，包含瓦斯敏感紅外探測器和后續(xù)信號(hào)處理電路，瓦斯敏感紅外探測器包含柱狀空心管，柱狀空心管的管壁上開有通氣孔，柱狀空心管的兩端開有固定孔，一端的固定孔內(nèi)固定有紅外發(fā)光管，另一端的固定孔內(nèi)固定有雙通道濾波紅外傳感器；后續(xù)信號(hào)處理電路包含單片機(jī)和與單片機(jī)信號(hào)輸出端相連的顯示、報(bào)警電路；后續(xù)信號(hào)處理電路還包含雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路、比較電路和紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路；雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路包含前置放大電路、與前置放大電路相連的由鎖相放大芯片構(gòu)成的鎖相放大電路；紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路包含脈沖信號(hào)發(fā)生電路、與脈沖信號(hào)發(fā)生電路輸出端相連的信號(hào)放大電路，信號(hào)放大電路的一路輸出端LEDWAVE與紅外發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接有紅外發(fā)光管，信號(hào)放大電路的另一路輸出端REFWAVE與雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路中的鎖相放大芯片的參考輸入端相連；比較電路由比較器構(gòu)成，經(jīng)雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路處理后的被測輸出信號(hào)、基準(zhǔn)輸出信號(hào)通過比較器的輸入端進(jìn)入比較器，比較器的輸出端與單片機(jī)的信號(hào)輸入端相連。
雙通道濾波紅外傳感器是現(xiàn)有的公知產(chǎn)品(可選用TPS2534G5G20型號(hào))。其內(nèi)有窄帶濾光片、集成的光電轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大電路；窄帶濾光片只允許兩個(gè)特定波長的(紅外)光線通過。理論上已知，紅外光在波長3.3μm處對(duì)甲烷(瓦斯氣體的主要成份)氣體有很大的吸收峰，而其它波長的紅外光通過甲烷氣體后峰值幾乎沒有變化。因此，本實(shí)用新型所選用的雙通道濾波紅外傳感器只允許波長3.3μm和其它任一波長(4.0μm)的紅外光通過并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，與3.3μm波長的紅外光對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)作為被測輸出信號(hào)，與另一波長的紅外光對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)作為基準(zhǔn)輸出信號(hào)，通過對(duì)兩輸出信號(hào)的比較可反映出3.3μm波長的紅外光通過瓦斯氣體后其峰值的變化量，并將變化量值輸入單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，進(jìn)而計(jì)算出瓦斯氣體的濃度，達(dá)到瓦斯探測的目的。
傳感器輸出的信號(hào)很微弱，而且其內(nèi)混雜有大量的噪聲干擾信號(hào)。為此，本實(shí)用新型將紅外發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以調(diào)制，使紅外發(fā)光管發(fā)出一定頻率的脈沖光，并以紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為參考信號(hào)在后續(xù)的鎖相放大電路中對(duì)傳感器的輸出信號(hào)(被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào))進(jìn)行鎖相放大，使與紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位一致的信號(hào)放大輸出，濾掉噪聲干擾信號(hào)，以此提高輸出信號(hào)的信噪比，使紅外光學(xué)瓦斯探測儀具有相當(dāng)?shù)奶綔y精度。
煤礦井下含有瓦斯的空氣從瓦斯敏感紅外探測器管壁上的通氣孔進(jìn)入探測器內(nèi)，探測器一端的紅外發(fā)光管發(fā)出的脈沖光(選用特定的紅外發(fā)光管，其發(fā)出的紅外光的波長在3.0μm-5.0μm之間)經(jīng)過探測器內(nèi)的瓦斯氣體，并被另一端的雙通道濾波紅外傳感器感知并產(chǎn)生兩路信號(hào)輸出(一路是對(duì)應(yīng)于3.3μm波長的被測輸出信號(hào)，一路是對(duì)應(yīng)于4.0μm波長基準(zhǔn)輸出信號(hào))，兩路信號(hào)經(jīng)前置放大、鎖相放大后在比較電路中進(jìn)行比較，比較電路的輸出信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)在相應(yīng)軟件的支持下，對(duì)比較電路的輸出信號(hào)進(jìn)行分析判斷，該輸出信號(hào)值達(dá)到或超過設(shè)定的臨界值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示報(bào)警電路進(jìn)行顯示報(bào)警。
本實(shí)用新型所述的紅外光學(xué)瓦斯探測儀以瓦斯敏感紅外探測器作為敏感元件，解決了現(xiàn)有瓦斯探測儀的氣敏傳感器需頻繁人工校準(zhǔn)、容易老化的問題，同時(shí)通過合理設(shè)計(jì)的后續(xù)信號(hào)處理電路，提高了探測的準(zhǔn)確性。該紅外光學(xué)瓦斯探測儀結(jié)構(gòu)新穎、合理，體積小，便于攜帶，使用方便。


圖1為本實(shí)用新型所述紅外光學(xué)瓦斯探測儀的瓦斯敏感紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型所述紅外光學(xué)瓦斯探測儀的后續(xù)信號(hào)處理電路的原理圖；圖3為封裝殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3的俯視圖；圖5為圖3的左視圖；圖6為封裝殼體的蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖2中各同號(hào)線端相連。
具體實(shí)施方式
紅外光學(xué)瓦斯探測儀，包含瓦斯敏感紅外探測器和后續(xù)信號(hào)處理電路，瓦斯敏感紅外探測器包含柱狀空心管1，柱狀空心管的管壁上開有通氣孔2，柱狀空心管的兩端開有固定孔3、4，一端的固定孔3內(nèi)固定有紅外發(fā)光管，另一端的固定孔4內(nèi)固定有雙通道濾波紅外傳感器；后續(xù)信號(hào)處理電路包含單片機(jī)U11和與單片機(jī)信號(hào)輸出端相連的顯示、報(bào)警電路；后續(xù)信號(hào)處理電路還包含雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)TPS2和基準(zhǔn)輸出信號(hào)TPS3的處理電路、比較電路和紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路；雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路包含前置放大電路、與前置放大電路相連的由鎖相放大芯片U2、U3構(gòu)成的鎖相放大電路；紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路包含脈沖信號(hào)發(fā)生電路、與脈沖信號(hào)發(fā)生電路輸出端相連的信號(hào)放大電路，信號(hào)放大電路的一路輸出端LEDWAVE與紅外發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接有紅外發(fā)光管IR715，信號(hào)放大電路的另一路輸出端REFWAVE與雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路中的鎖相放大芯片U2、U3的參考輸入端相連；比較電路由比較器U12構(gòu)成，經(jīng)雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路處理后的被測輸出信號(hào)、基準(zhǔn)輸出信號(hào)通過比較器U12的輸入端進(jìn)入比較器，比較器U12的輸出端RU與單片機(jī)的信號(hào)輸入端相連。
雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路中的鎖相放大芯片U2、U3選用AD630。鎖相放大電路的輸出端還連接有由芯片U5(LM324)構(gòu)成的放大跟隨電路和由芯片U6(AD8138)、U7(AD8310)構(gòu)成的對(duì)數(shù)運(yùn)放電路，對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步的放大處理。比較器U12選用AD623型號(hào)。紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路中的脈沖信號(hào)發(fā)生電路由振蕩信號(hào)發(fā)生芯片U16(ICL8038)構(gòu)成，信號(hào)放大電路由放大芯片U19(LM324)構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)電路由恒流驅(qū)動(dòng)芯片U17(MAX1916)、U18(MAX1659)構(gòu)成。上述所涉及的各集成芯片所配置的外圍電路是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，在此未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。所述的顯示、報(bào)警電路是連接于單片機(jī)信號(hào)輸出端的由三極管驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管和蜂鳴器。
瓦斯敏感紅外探測器的柱狀空心管的兩端的固定孔3、4開在柱狀空心管的底部，同時(shí)，柱狀空心管紅外發(fā)光管一端的內(nèi)腔制成半凹鏡形狀，另一端制成與水平成45度角的平面。這樣，增加聚光性，保證紅外光在柱狀空心管內(nèi)集中傳輸，傳感器能更好地感知紅外光。還可在柱狀空心管的內(nèi)壁鍍上一層銅或金，以進(jìn)一步增加內(nèi)壁的反光性能。
瓦斯敏感紅外探測器的柱狀空心管上的通氣孔2上粘貼納米薄膜。用于過濾塵埃、灰塵，有利于適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境。
將瓦斯敏感紅外探測器和后續(xù)信號(hào)處理電路封裝在一個(gè)殼體內(nèi)(殼體的一側(cè)面上開有通氣孔)，并用玻璃或塑質(zhì)材料將探測器和電路部分隔開，以減少塵粒對(duì)電路的損壞。
權(quán)利要求1.一種紅外光學(xué)瓦斯探測儀，包含瓦斯敏感紅外探測器和后續(xù)信號(hào)處理電路，其特征為瓦斯敏感紅外探測器包含柱狀空心管(1)，柱狀空心管的管壁上開有通氣孔(2)，柱狀空心管的兩端開有固定孔(3)、(4)，一端的固定孔(3)內(nèi)固定有紅外發(fā)光管，另一端的固定孔(4)內(nèi)固定有雙通道濾波紅外傳感器；后續(xù)信號(hào)處理電路包含單片機(jī)(U11)和與單片機(jī)信號(hào)輸出端相連的顯示、報(bào)警電路；后續(xù)信號(hào)處理電路還包含雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)(TPS2)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)(TPS3)的處理電路、比較電路和紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路；雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路包含前置放大電路、與前置放大電路相連的由鎖相放大芯片(U2)、(U3)構(gòu)成的鎖相放大電路；紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路包含脈沖信號(hào)發(fā)生電路、與脈沖信號(hào)發(fā)生電路輸出端相連的信號(hào)放大電路，信號(hào)放大電路的一路輸出端(LEDWAVE)與紅外發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接有紅外發(fā)光管(IR715)，信號(hào)放大電路的另一路輸出端(REFWAVE)與雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路中的鎖相放大芯片(U2)、(U3)的參考輸入端相連；比較電路由比較器(U12)構(gòu)成，經(jīng)雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路處理后的被測輸出信號(hào)、基準(zhǔn)輸出信號(hào)通過比較器(U12)的輸入端進(jìn)入比較器，比較器(U12)的輸出端(RU)與單片機(jī)的信號(hào)輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)瓦斯探測儀，其特征為瓦斯敏感紅外探測器的柱狀空心管的兩端的固定孔(3)、(4)開在柱狀空心管的底部，同時(shí)，柱狀空心管紅外發(fā)光管一端的內(nèi)腔制成半凹鏡形狀，另一端制成與水平成45度角的平面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的紅外光學(xué)瓦斯探測儀，其特征為瓦斯敏感紅外探測器的柱狀空心管上的通氣孔(2)上粘貼納米薄膜。
專利摘要本實(shí)用新型為一種紅外光學(xué)瓦斯探測儀，涉及煤礦井下瓦斯探測裝置。本實(shí)用新型解決現(xiàn)有的瓦斯探測裝置所用的傳感器大多需要短期內(nèi)校準(zhǔn)，而且容易產(chǎn)生誤報(bào)警等問題。該紅外光學(xué)瓦斯探測儀包含瓦斯敏感紅外探測器和后續(xù)信號(hào)處理電路，瓦斯敏感紅外探測器包含柱狀空心管，柱狀空心管的管壁上開有通氣孔，柱狀空心管的兩端開有固定孔，一端的固定孔內(nèi)固定有紅外發(fā)光管，另一端的固定孔內(nèi)固定有雙通道濾波紅外傳感器；后續(xù)信號(hào)處理電路包含單片機(jī)和與單片機(jī)信號(hào)輸出端相連的顯示、報(bào)警電路；后續(xù)信號(hào)處理電路還包含雙通道濾波紅外傳感器的被測輸出信號(hào)和基準(zhǔn)輸出信號(hào)的處理電路、比較電路和紅外發(fā)光管的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路。該探測儀提高了探測的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01N21/17GK2800267SQ20052002408
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月15日
發(fā)明者張文棟, 劉俊, 熊繼軍, 薛晨陽, 文豐, 譚秋林, 李強(qiáng)龍 申請(qǐng)人:中北大學(xué)