一种矿用三组分红外气体传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种矿用三组分红外气体传感器，包括混气装置、采样气室、红外光源、四元组合探测器、光源驱动模块、信号调理模块、微处理器模块、浓度显示模块和LoRa无线通讯模块；所述混气装置上端设有混气装置进气口，在混气装置进气口处安装保护罩，所述混气装置内部装有小功率风扇；混气装置下端设置有混气装置出气口，所述混气装置出气口与采样气室进气口相连接；所述采样气室上端左侧设置有采样气室进气口，下端右侧设置有采样气室出气口，下端左侧安装红外光源，在红外光源处设有反光杯；所述四元组合探测器安装于采样气室右上方，并于采样气室左右两侧各设置一个直角反射器。本实用新型专利技术能够实现三种矿井气体的同时监测，测量精度高。

A Mining Three-Component Infrared Gas Sensor

The utility model relates to a three-component infrared gas sensor for mining, which comprises a mixing device, a sampling chamber, an infrared light source, a quaternary combination detector, a light source driving module, a signal conditioning module, a microprocessor module, a concentration display module and a LoRa wireless communication module. The upper end of the mixing device is provided with an air inlet of a mixing device, and a protective cover is installed at the air inlet of the mixing device. The air mixing device is internally equipped with a small power fan; the lower end of the air mixing device is equipped with an air outlet of the air mixing device, which is connected with the air inlet of the sampling chamber; the upper left side of the sampling chamber is equipped with an air inlet of the sampling chamber, the lower right side is equipped with an air outlet of the sampling chamber, the lower left side is equipped with an infrared light source, and the four reflecting cups are arranged at the infrared light source. The element combination detector is mounted on the upper right side of the sampling chamber, and a right-angle reflector is arranged on both sides of the sampling chamber. The utility model can realize simultaneous monitoring of three kinds of mine gas, and has high measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种矿用三组分红外气体传感器
本技术涉及红外气体传感领域，具体涉及一种矿用三组分红外气体传感器。
技术介绍
近年来，煤炭事业发展迅速，煤矿安全问题关系到重大的生命财产损失，安全监测更是重中之重。矿井气体主要包含甲烷、二氧化碳、二氧化硫等。甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。二氧化碳中毒主要表现为头痛、恶心、心跳加速等，严重时可能导致缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。二氧化硫易造成为头痛、流泪、畏光、咳嗽，咽喉灼痛等，严重时可在数小时内发生肺水肿，吸入极高浓度可引起反射性声门痉挛而致窒息。矿井气体浓度过高也亦造成燃烧与爆炸。因此，分析研究煤焦气化过程中的多组分气体具有重要意义。对于矿井气体的检测，常用的传感器有催化燃烧式、半导体式、电化学式等，这些方法存在着测量精度差，检测范围窄，易受背景气体的干扰等缺点。上世纪八十年代初，国内开始使用红外气体分析方法，初期红外光源采用电机机械进行调制，采用薄膜电容微音器作为探测器，所设计的红外气体传感器功耗大、稳定性差且成本较高。现阶段，随着电子技术的进步，红外气体传感器开始采用电调制光源、新型探测器及低功耗单片机系统，使得仪器具有选择性好、稳定性高、灵敏度高、检测快速等优点。目前，非分光红外(NDIR)气体传感器得到较大发展，但仍存在许多的不足。首先，现有方案中，红外气体传感器前端采样气室普遍采用直射式设计。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律可知，红外光路越长，则气体对红外光的吸收越充分。因此，气室过短会影响气体测量精度，但是在直射式气室中，通过增加气室长度来延长光路，会增大整个传感装置的体积，不利于仪器小型化。其次，目前存在的红外传感器大多数只能测试一种气体，无法对多种气体进行准确的定性识别和定量检测，因此不能满足同时检测多种矿井气体的需求。第三，矿井气体检测的过程中，气体中存在较多灰尘、水汽等杂质，这些杂质直接进入气室，会影响红外光源以及热释电探测器的正常工作，进而影响气体检测精度，还易缩短传感器寿命。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的缺陷，本技术提供了一种能实现对三种矿井气体同时检测的红外气体传感器以及混气装置。本技术提供的技术方案是：一种矿用三组分红外气体传感器，包括混气装置、采样气室、红外光源、四元组合探测器、光源驱动模块、信号调理模块、微处理器模块、浓度显示模块和LoRa无线通讯模块；所述混气装置上端设有混气装置进气口，在混气装置进气口处安装保护罩，所述混气装置内部装有两个小功率风扇，用于气体的均匀混合，防止气体的局部堆积；混气装置下端设置有混气装置出气口，所述混气装置出气口与采样气室进气口相连接；所述采样气室上端左侧设置有采样气室进气口，下端右侧设置有采样气室出气口，下端左侧安装红外光源，在红外光源处设有反光杯，使红外光平行射出，射向反光镜，经反射镜反射后，接着射向气室左右两侧设置的直角反射器，红外光经过直角反射器反射后最终被所述四元组合探测器所接收，所述四元组合探测器安装于采样气室右上方。进一步的，红外气体传感器用于甲烷、二氧化碳以及二氧化硫的检测。进一步的，所述混气装置上端设有三个进气口，以实现各气体的独立输入。进一步的，所述保护罩包含防水透气膜以及防尘膜。进一步的，所述信号调理模块包括信号放大模块以及信号滤波去噪模块。进一步的，所述微处理器模块采用MSP430F149单片机，单片机内置ADC模块。进一步的，所述LoRa无线通讯模块与微处理器模块相连，同时完成红外气体传感装置与PC机的信息交互。进一步的，所述四元组合探测器包含三个测量通道和一个参比通道。有益效果：1.本技术采用四元组合探测器，单一光源对应四光路，简化了检测装置，并实现了三种矿井气体的同时监测；引入一条参比通道，能够在一定程度上消除环境变化及光源抖动等外界因素引起的测量干扰，提高气体测量精度。2.本技术在采样气室前端加入混气装置，一方面有利于气体的充分混合，避免气体局部堆积而引起的测量不精准，另一方面，矿井中含有大量的水汽、灰尘等杂质，在混气装置的进气口添加有防护罩，可有效防止杂质的进入，经过混气装置过滤的气体再输入采样气室，可避免杂质对光源以及探测器的影响，提高测量精度，延长传感器的使用寿命。3.本技术设计了新型的采样气室，通过引入两块直角反射器，可以实现光路的八次反射，可在一定的气室空间内，有效延长光程，并控制气室体积，有利于整个传感装置的小型化。4.本技术设置有浓度显示模块，可以方便矿井内实时读取气体浓度信息，另外的，还设置有LoRa无线通讯模块，能够在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，可以让工作人员不用到达现场便可实时读取矿井内的气体浓度信息。附图说明图1为本技术的混气装置结构图。图2为本技术的采样气室结构图。图3位本技术信号处理系统示意图。图中：1-混气装置进气口A，2-混气装置进气口B，3-混气装置进气口C，4-防护罩，5-甲烷气体分子，6-二氧化碳气体分子，7-混气装置，8-混气装置出气口，9-二氧化硫气体分子，10-小功率电扇，11-采样气室进气口，12-采样气室，13-光路通道，14-四元组合探测器，15-直角反射器A，16-采样气室出气口，17-反光杯，18-红外光源，19-反射镜，20-直角反射器B。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术作进一步说明。如图1所示，本技术在采样气室12前端设置有混气装置7，气体检测开始后，从混气装置进气口A1、混气装置进气口B2和混气装置进气口C3通入待测气体，其中，留有三个进气口，可以实现多路气体的同时输入。气体经过进气口处的防护罩4过滤后方可通入混气室，其中防护罩4中包含防尘膜和防水透气膜，用以过滤水汽、灰尘等杂质。混气装置内部设置有两个小功率风扇10，传感器开始工作后，小功率风扇10开始运转，可保证气体的均匀混合。气体均匀混合后，由混气装置出气口8排出，接着送入采样气室12。结合图2，气体由采样气室进气口11进入采样气室12。采样气室进气口11设置于采样气室上壁左端，采样气室出气口16设置于采样气室下壁右端，可保证气体在经过整个气室后才被排出。采样气室12左下端安装有红外光源18，红外光源18的辐射范围在2μm-16μm，可以满足甲烷、二氧化碳、二氧化硫三种气体的检测要求。红外光源18处设置有一反光杯17，用以红外光的平行射出。反光杯17与水平面呈45°角放置，经反光杯17反射后的红外光接着射向反光镜19，反光镜19也与水平面呈45°角放置，这样，经反射镜18反射后的光线呈水平射出，接着射向直角反射器15。根据光路传播原理，红外光在经过两个直角反射器反射八次后，最终被四元组合探测器14接收。两个直角反射器实现了光路的多次反射，可在一定的气室空间内，有效延长光程，并控制气室体积，有利于整个传感装置的小型化。所述四元组合探测器14包含三个测量通道与一个参比通道。甲烷、二氧化碳、二氧化硫分别对3.3μm，4.26μm，7.45μm的红外光处有强吸收作用。因此，测量通道包含可透过3.3μm，4.26μm，7.45μm红外光的滤光片，用于三种气体的检测。参比通道采用与三种待测气体无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿用三组分红外气体传感器，其特征在于：包括混气装置、采样气室、红外光源、四元组合探测器、光源驱动模块、信号调理模块、微处理器模块、浓度显示模块和LoRa无线通讯模块；所述混气装置上端设有混气装置进气口，在混气装置进气口处安装保护罩，所述混气装置内部装有两个小功率风扇，用于气体的均匀混合，防止气体的局部堆积；混气装置下端设置有混气装置出气口，所述混气装置出气口与采样气室进气口相连接；所述采样气室上端左侧设置有采样气室进气口，下端右侧设置有采样气室出气口，下端左侧安装红外光源，在红外光源处设有反光杯，使红外光平行射出，射向反光镜，经反射镜反射后，接着射向气室左右两侧设置的直角反射器，红外光经过直角反射器反射后最终被所述四元组合探测器所接收，所述四元组合探测器安装于采样气室右上方。

【技术特征摘要】
1.一种矿用三组分红外气体传感器，其特征在于：包括混气装置、采样气室、红外光源、四元组合探测器、光源驱动模块、信号调理模块、微处理器模块、浓度显示模块和LoRa无线通讯模块；所述混气装置上端设有混气装置进气口，在混气装置进气口处安装保护罩，所述混气装置内部装有两个小功率风扇，用于气体的均匀混合，防止气体的局部堆积；混气装置下端设置有混气装置出气口，所述混气装置出气口与采样气室进气口相连接；所述采样气室上端左侧设置有采样气室进气口，下端右侧设置有采样气室出气口，下端左侧安装红外光源，在红外光源处设有反光杯，使红外光平行射出，射向反光镜，经反射镜反射后，接着射向气室左右两侧设置的直角反射器，红外光经过直角反射器反射后最终被所述四元组合探测器所接收，所述四元组合探测器安装于采样气室右上方。2.根据权利要求1所述的一种矿用三组分红外气体传感器，其特征在于：红外气体传感器用于甲烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，赵勇毅，沈婉，赵正杰，丁蓉，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32