一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法技术方案

一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，属于气体测量领域，本发明专利技术提供一种有毒有害气体三维浓度测试装置及测量方法，包括有毒有害气体感知模块，用于测量封闭空间中各处有毒有害气体的浓度信号；数据转换模块，用于接收传感器的电压信号并将其转化为数字量发送至数据处理模块；数据处理模块，利用插值法计算待测空间的气体浓度数据；显示模块，利用图形化界面展示气体分布状态；电源模块，用于转换电压为系统各部分供电。本发明专利技术使用多个有毒有害气体感知模块排布在空间中检测气体浓度，在数据处理模块中植入插值法计算出待测空间的气体浓度值，使得本发明专利技术能有效检测出气体的三维分布情况，适用于实验室，化工厂等场景的有毒有害气体检测。的有毒有害气体检测。的有毒有害气体检测。

【技术实现步骤摘要】
一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法


[0001]本专利技术涉及一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，属于气体测量


技术介绍

[0002]现如今，有关化学、生物、核废料或爆炸物泄露的事故频发，这类危险物质一旦泄露将对环境以及公共健康产生巨大威胁，而且一些有毒有害气体无色无味，难以察觉，如何快速高效地对这类危险区域进行实时监测成为当前需要解决的技术难题。
[0003]常用气体分布测量方法有，人员身着防护装备手持测量仪进入危险区域进行探测，这种方法危险系数较高，易造成人员伤亡且探测范围有限，易产生漏报、误报，造成更大经济财产损失。利用无人机，机器人搭载气体传感器进入危险区域测量是现在常用方法，这种方法的优点是危险系数低，对机器人进行路径规划让其进入危险区域进行全方位探测，但因气体扩散受多种因素影响，如风速，温度，气体密度等，机器人移动至下一位置时要花费时间，其上一位置的气体分布数据可能已经改变，而机器人已将改变前的数据发送至上位机，这样就无法保证测得数据的实时性与准确性。在区域内布置多个传感器节点，让各个传感器节点同时将数据传输至的上位机可保证数据的实时性，但上述三种方法均为二维气体分布测量方法，气体扩散方向不可能只沿单一平面散布，若要精确了解气体分布情况，就要对气体进行三维测量。
[0004]想要实现三维气体分布测量，就要采集Z轴方向的气体浓度数据，可以在机器人上搭载机械臂等装置来实现，但这种方法仍然无法改变数据传输实时性差的缺点，若要实现同步测量，就要考虑将二维传感器网络扩散至三维即在Z轴方向上增加适量传感器，只要布局合理就可实现对有毒有害气体分布情况的三维测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种三维有毒有害气体测量系统及方法。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种三维有毒有害气体测量系统及其测试方法，包括有毒有害气体感知模块，用于获取危险区域内有毒有害气体浓度信息；数据转换模块，用于接收气体传感器的模拟信号并将其转换为数字信号并将其发送至数据处理模块；数据处理模块，接收数据转换模块发送的数字信号同时进行计算，基于计算结果推算出气体在空间中各个位置的分布情况，数据显示模块,用于显示气体分布情况气体浓度以及浓度超标报警等信息。
[0008]进一步地，所述有毒有害气体感知模块包括MQ
‑
3乙醇传感器、六针传感器替换插座与 MP2359电压转换芯片；MQ
‑
3乙醇传感器所用气敏材料为在空气中导电率较低的二氧化锡；当传感器所处环境中存在酒精蒸气时，传感器电导率随酒精气体浓度增大而增大。六针传感器插座可替换不同型号的气体传感器，使系统的检测范围不局限于一种气体，可根
据场景不同选择相应传感器，提升系统的灵活性。MP2359电压转换芯片可以将12V电源电压转化至3.3V对传感器进行供电，该芯片转换效率高且具有过流保护与温保护，使环路更为稳定。
[0009]进一步地，所述数据转换模块，所用转换芯片为AD7076，该芯片是一种低功耗、电荷再分配逐次逼近型模数转换器，最高具有8路高速AD采样通道，在进行模数转换时，首先将RANGE引脚与逻辑低电平相连，此时芯片的输入范围为5V，再将引脚CONVST A与 CONVST B短接在一起施加一个转换开始信号让所有通道同时采集。每个数据转换模块有4 片AD7606共32路采集通道，整套系统需要6个数据转换模块共192路数据转换通道采集每个传感器的模拟信号。
[0010]进一步地，所述数据转换模块还具有2线
‑
4线译码器，该芯片型号为74HC139，用于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，其作用是进行片选。每块数据转换模块包括4片AD7606，进行片选要4种状态，即00、01、10、11，只需将芯片引脚2A0与 2A1作为输入端，引脚1A0与1A1接逻辑高电平，输出端即可依次控制4片AD进行数据转换，方便数据处理模块对数据进行处理。
[0011]进一步地，所述数据转换模块包括逻辑或门，所用芯片型号为74HC32，当AD芯片工作时，引脚BUSY会产生一个高电平，只有在所有AD芯片停止工作时，逻辑或门才会输出休眠信号，告知主控芯片所有采集动作已停止，让系统进入休眠状态。
[0012]进一步地，所述数据处理模块，主控芯片为STM32F429,用于接收数据转换模块发出的数字量，得到各气体传感器的浓度输数据后，需对空白区域进行推算，将空间网格化，选择一处待测点与其周围8枚传感器构成一个立方体，假定使用左手坐标系Z轴朝上，计算待测点与各个传感器在坐标轴上的位置权值，采用公式(1)：
[0013][0014]在x方向上对四条棱边进行四次插值，计算每条边上的四个点C
00
、C
01
、C
10
、C
11
的值，采用公式(2)：
[0015][0016]其中V[x
n
，y
n
，z
n
](n为整数)表示在(x
n
，y
n
，z
n
)处气体的浓度值,再沿y轴方向进行插值，采用公式(3)：
[0017][0018]最后沿z轴插值，采用公式(4)：
[0019]C＝c0(1
‑
z
d
)+c1z
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]根据以上推导，待测点气体浓度值C的完整公式为：
[0021]C＝V[x0，y0，z0](1
‑
x
d
)(1
‑
y
d
)(1
‑
z
d
)+V[x1，y0，z0]x
d
(1
‑
y
d
)(1
‑
z
d
) +V[x0，y0，z1](1
‑
x
d
)(1
‑
y
d
)z
d
+V[x1，y0，z1]x
d
(1
‑
y
d
)z
d +V[x0，y1，z0](1
‑
x
d
)y
d
(1
‑
z
d
)+V[x1，y1，z0]x
d
y
d
(1
‑
z
d
) +
V[x0，y1，z1](1
‑
x
d
)y
d
z
d
+V[x0，y1，z1]x
d
y
d
z
d
[0022]由于这种排列方式具有周期性，除了边界本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，其特征在于，包括：有毒有害气体感知模块，用于测量封闭空间中有毒有害气体的浓度信号，并将传感器数据发送至数据转换模块；数据转换模块，用于接收气体传感器测得的模拟信号，将所获模拟信号转换为数字信号，对AD芯片进行片选，根据AD芯片工作情况向数据处理模块发出状态指令；数据处理模块，接受数据转换模块发送的气体浓度数字量，利用插值法进行数据处理，计算出待测区域内的气体浓度，得出密闭空间内气体的分布情况；数据显示模块，利用图形化界面更为清晰地展示气体分布状态；电源模块，将电压转换为各芯片所需的不同电压，为系统供电。2.根据权利要求1所述的一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，其特征在于，所述有毒有害气体感知模块包括MQ
‑
3乙醇传感器、六针传感器替换插座与MP2359电压转换芯片；MQ
‑
3乙醇传感器所用气敏材料为在空气中导电率较低的二氧化锡；当传感器所处环境中存在酒精蒸气时，传感器电导率随酒精气体浓度增大而增大。六针传感器插座可替换不同型号的气体传感器，使系统的检测范围不局限于一种气体，可根据场景不同选择相应传感器，提升系统的灵活性。MP2359电压转换芯片可以将12V电源电压转化至3.3V对传感器进行供电，该芯片转换效率高且具有过流保护与温保护，使环路更为稳定。3.根据权利要求1所述的一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，其特征在于，数据转换模块将传感器模拟信号转化为数字信号，所用转换芯片为AD7076，该芯片是一种低功耗、电荷再分配逐次逼近型模数转换器，最高具有8路高速AD采样通道，在进行模数转换时，首先将RANGE引脚与逻辑低电平相连，此时芯片的输入范围为5V，再将引脚CONVST A与CONVST B短接在一起施加一个转换开始信号让所有通道同时采集。每个数据转换模块有4片AD7606共32路采集通道，整套系统需要6个数据转换模块共192路数据转换通道采集每个传感器的模拟信号。4.根据权利要求3所述的一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，其特征在于，每个数据转换模块还具有2线
‑
4线译码器，该芯片型号为74HC139，用于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，其作用是进行片选。每块数据转换模块包括4片AD7606，进行片选需要4种状态，即00、01、10、11，只需将芯片引脚2A0与2A1作为输入端，引脚1A0与1A1接逻辑高电平，输出端即可依次控制4片AD进行数据转换，方便数据处理模块对数据进行处理。5.根据权利要求4所述的一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，其特征在于所述数据转换模块还包括逻辑或门，所用芯片型号为74HC32，当AD芯片工作时，引脚BUSY会产生一个高电平，只有在所有AD芯片停止工作时，逻辑或门才会输出休眠信号，告知数据处理模块所有采集动作已停止，让系统进入休眠状态。6.根据权利要求5所述的一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，其特征在于，所述的数据处理模块所用主控芯片围为STM32F429，该芯片采用Crotex M4内核，最高主频为180MHz，由于传感器无法探测密闭空间中每一处的气体含量，需要主控芯片根据传感器测得的某一点或多个点的气体浓度数据推算出这些点周围区域的气体分布情况，将空间网格化，选择一处待测点与其周围8枚传感器构成一个立方体，假定使用左手坐标系Z轴朝上，计算待测点与各个传感器在坐标轴上的位置权值，采用公式(1)：
在x方向上对四条棱边进行四次插值，计算每条边上的四个点C
00
、C
01
、...

【专利技术属性】
技术研发人员：施云波，牛昊东，王天，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：