一種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置及監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置及監(jiān)測方法，包括設置在礦井內、且能夠由光驅動的透明氣泵和柔性光柵；還包括設置在礦井外的光源發(fā)生單元及信號采集處理單元，光源發(fā)生單元發(fā)出的光通過光纜照射到透明氣泵和柔性光柵，光源發(fā)生單元與信號采集處理單元相連，柔性光柵通過光纜與信號采集處理單元相連；在透明氣泵的頂部設有單向閥，透明氣泵底部為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I；柔性光柵下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II。本發(fā)明通過光纖將礦井外光源發(fā)生單元與礦井內透明氣泵和柔性光柵相連，可以對瓦斯氣體進行全光型、低成本的遠程光譜分析，實現對瓦斯多種成份的實時、在線監(jiān)測，礦井內無電子元件的存在，提高了瓦斯氣體監(jiān)測的安全性。
【專利說明】
一種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置及監(jiān)測方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于煤礦安全設備技術領域，涉及一種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置及監(jiān)測方法，具體涉及一種基于光驅動柔性光柵和柔性栗的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在煤炭開采過程中，瓦斯安全已成為限制煤礦產量的重要障礙。因此，可靠、準確、快速、低成本、實時地對瓦斯氣體濃度進行監(jiān)測和預警，對有效預防礦井瓦斯事故至關重要。
[0003]目前，用于監(jiān)測瓦斯氣體(約83%?89%為甲烷氣體)濃度的主要方法有:催化燃燒法、半導體氣敏法、光干涉法、氣相色譜法和紅外光譜法等。半導體氣敏法中，敏感元件容易受到噪聲、有毒氣體等干擾，準確性較低，并且需結合其它監(jiān)測設備進行監(jiān)控;光干涉法濃度指標不直觀，受壓力、溫度、濕度等干擾明顯，尤其易受其他氣體干擾的影響嚴重;氣相色譜法的工作溫度高、穩(wěn)定性和一致性較差，儀器較笨重，難于實現實時、在線檢測，實際應用受到阻礙;熱催化原理監(jiān)測瓦斯，因其價格低廉，易于煤礦大面積使用，應用較多，但是其監(jiān)測成份單一，早期預警功能明顯不足，需要經常校正調零，使用壽命短，且不適合高濃度瓦斯安全檢測等。現有的技術仍不能完全滿足現在煤礦工業(yè)對高靈敏、智能化預警報警的需求。
[0004]紅外光譜法的特點是測量范圍寬、檢測精度高、抗干擾能力強，可遠距離遙測，相比其他方法優(yōu)勢明顯。但目前多基于“單線光譜”測量原理，無法對瓦斯多種成份同時進行監(jiān)測，且瓦斯測量處存在電路短路、放電等安全隱患，裝置價格昂貴，系統(tǒng)較為復雜，難以實現傳感器端處無電子器件、低成本的瓦斯多種成份光譜分析，妨礙其推廣應用。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置及監(jiān)測方法，該裝置結構設計合理，操作簡單，通過該裝置及方法能夠實現對瓦斯氣體濃度進行可靠、準確、快速、低成本的實時監(jiān)測。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現:
[0007]—種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，包括設置在礦井內、且能夠由光驅動的透明氣栗和柔性光柵;還包括設置在礦井外的光源發(fā)生單元及信號采集處理單元，光源發(fā)生單元發(fā)出的光通過光纜照射到透明氣栗和柔性光柵，光源發(fā)生單元與信號采集處理單元交互，柔性光柵通過光纜與信號采集處理單元相連；
[0008]在透明氣栗的頂部設有單向閥，透明氣栗底部為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I;柔性光柵下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II。
[0009]所述光源發(fā)生單元包括寬光譜紅外光源、第一紫外光光源、第一可見光光源、第二紫外光光源及第二可見光光源;其中，寬光譜紅外光源發(fā)出的光通過光纖照射透明氣栗，第一紫外光光源和第一可見光光源發(fā)出的光通過光纖照射透明氣栗底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I;第二紫外光光源和第二可見光光源發(fā)出的光通過光纖照射柔性光柵下端的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II。
[0010]寬光譜紅外光源發(fā)出的光通過光纖照射至透明氣栗后，再射至柔性光柵上。
[0011]當第一紫外光光源或第一可見光光源通過光纖照射透明氣栗底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I時，偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I發(fā)生形變。
[0012]當第二紫外光光源和第二可見光光源發(fā)出的光通過光纖照射柔性光柵下端的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II時，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II發(fā)生形變。
[0013]所述信號采集處理單元包括計算機、探測器及信號調理電路，柔性光柵通過電纜與探測器的輸入端相連，探測器的輸出端與信號調理電路的輸入端相連，信號調理電路的輸出端與計算機相連。
[0014]含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II通過固定件固定于柔性光柵下端。
[0015]本發(fā)明還公開了基于上述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置進行遠程監(jiān)測的方法，包括以下步驟:
[0016]I)打開寬光譜紅外光源，使發(fā)出的光照射柔性氣栗；
[0017]2)打開第一紫外光光源或第一可見光光源，照射透明氣栗底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I發(fā)生形變，透明氣栗吸入礦井內的待測瓦斯氣體，對待測瓦斯氣體進行實時采樣；
[0018]3)待測瓦斯氣體吸收寬光譜紅外光源發(fā)出的光后，打開第二紫外光光源或第二可見光光源，照射柔性光柵下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II發(fā)生形變，柔性光柵柵距變化，得到待測瓦斯氣體多種成份的光譜信息；
[0019]4)柔性光柵將待測瓦斯氣體多種成份的光譜信息通過光纖輸送至信號采集處理單元，實現待測瓦斯氣體的實時監(jiān)測和多種成份光譜分析。
[0020]柔性光柵輸出的光譜信息通過探測器和信號調理電路輸送至計算機，計算得到光譜數據。
[0021]與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:
[0022]本發(fā)明公開的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，包括設置在礦井內、且能夠由光驅動的透明氣栗和柔性光柵;還包括設置在礦井外的光源發(fā)生單元及信號采集處理單元，在透明氣栗的頂部設有單向閥，透明氣栗底部為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I，柔性光柵下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II，利用偶氮苯發(fā)光團的光致順反逆構性，能夠使含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I發(fā)生變形，從而使透明氣栗發(fā)生形變，吸入待測瓦斯氣體，可以通過調節(jié)光源發(fā)出光的光照強度、時間，來控制透明氣栗的變形。同理，利用偶氮苯發(fā)光團的光致順反逆構性，能夠使含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II發(fā)生變形，使柔性光柵的柵距也發(fā)生改變，能夠輸出待測瓦斯氣體多種成份的準確光譜信息。本發(fā)明通過光纖將礦井外光源發(fā)生單元與礦井內透明氣栗和柔性光柵相連，就可以對瓦斯氣體進行全光型、低成本的遠程光譜分析，實現對瓦斯多種成份的實時、在線監(jiān)測，礦井內無電子元件的存在，從而提高了瓦斯氣體監(jiān)測的安全性。
[0023]本發(fā)明公開的基于上述裝置進行煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的方法，寬光譜光源發(fā)出的光照射透明氣栗，利用偶氮苯發(fā)光團的光致順反逆構性發(fā)生變形的方法，兩個紫外光光源和可見光光源的組合分別驅動透明氣栗和柔性光柵的變形和柵距變化，經待測瓦斯氣體吸收后的寬光譜光，通過柔性光柵的柵距變化，獲得待測瓦斯氣體的吸收光譜，使用紅外光譜分析的方法，測定出瓦斯氣體濃度并監(jiān)測瓦斯氣體的多種成份。由于寬光譜光、紫外光、可見光均通過光纖傳輸到礦井內，通過控制紫外光的光照強度、時間等精確調節(jié)柔性光柵的柵距，并利用紅外光譜分析待測瓦斯氣體，礦井內無電子元件的存在，從而提高了瓦斯氣體監(jiān)測的安全性，實現了瓦斯氣體非單一成份的實時、全光型、遠程監(jiān)測。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的基于光驅動柔性光柵和柔性栗的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置示意圖；
[0025]圖2為透明氣栗的結構原理示意圖；其中，(a)為第一紫外光和第一可見光均未打開時，氣栗為初始狀態(tài)；(b)為第一紫外光打開，第一可見光未打開，氣栗吸入待測瓦斯氣體;(C)為第一紫外光關閉，第一可見光打開，氣栗恢復為初始狀態(tài)；
[0026]圖3為柔性光柵的結構原理示意圖，其中，(a)為第二紫外光和第二可見光均未打開時，柔性光柵為初始柵距和縫寬；(b)為第二紫外光打開，第二可見光未打開，柔性光柵的柵距和縫寬變大；(C)為第二紫外光關閉，第二可見光打開，柔性光柵恢復為初始柵距和縫寬。
[0027]其中，I為計算機;2為寬光譜紅外光源;3為透明氣栗;4為待測瓦斯氣體;5為第一紫外光光源;6為第一可見光光源;7為第二紫外光光源;8為第二可見光光源;9為柔性光柵；10為探測器;11為信號調理電路，12為單向閥，13為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I，14為固定件，15為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II。
【具體實施方式】
[0028]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0029]如圖1所示，包括設置在礦井內、且能夠由光驅動的透明氣栗3和柔性光柵9;還包括設置在礦井外的光源發(fā)生單元及信號采集處理單元，光源發(fā)生單元發(fā)出的光通過光纜照射到透明氣栗3和柔性光柵9，光源發(fā)生單元與信號采集處理單元交互，柔性光柵9通過光纜與信號采集處理單元相連；
[0030]在透明氣栗3的頂部設有單向閥12，透明氣栗3底部為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜113；柔性光柵9下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II15。
[0031 ]所述光源發(fā)生單元包括寬光譜紅外光源2、第一紫外光光源5、第一可見光光源6、第二紫外光光源7及第二可見光光源8;其中，寬光譜紅外光源2發(fā)出的光通過光纖照射透明氣栗3，第一紫外光光源5和第一可見光光源6發(fā)出的光通過光纖照射透明氣栗3底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜113;第二紫外光光源7和第二可見光光源8發(fā)出的光通過光纖照射柔性光柵9下端的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1115。
[0032]所述信號采集處理單元包括計算機1、探測器10及信號調理電路11，柔性光柵9通過電纜與探測器10的輸入端相連，探測器10的輸出端與信號調理電路11的輸入端相連，信號調理電路11的輸出端與計算機I相連。
[0033]計算機I與寬光譜紅外光源2相連，礦井外的寬光譜紅外光源2發(fā)出的光通過光纖照射礦井內的透明氣栗3，計算機I與礦井外的第一紫外光光源5、第一可見光光源6相連，單向閥12與透明氣栗3相連，打開第一紫外光光源5，第一紫外光光源5發(fā)出的光通過光纖照射到礦井內的透明氣栗3，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I 13發(fā)生變形，待測瓦斯氣體4通過單向閥12進入透明氣栗3，關閉第一紫外光光源5，打開第一可見光光源6，透明氣栗3恢復原來的形狀，采樣待測瓦斯氣體4。
[0034]計算機I與礦井外的第二紫外光光源7、第二可見光光源8相連，打開第二紫外光光源7，第二紫外光光源8發(fā)出的光通過光纖照射到礦井內的柔性光柵9，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II 15兩端使用固定件14固定，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II 15中偶氮苯份子的構象轉變，有序的偶氮苯液晶基元變?yōu)闊o序，從而發(fā)生變形，柔性光柵9的柵距發(fā)生變化，關閉第二紫外光光源7，打開第二可見光光源8，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II 15中的順式偶氮苯恢復到反式構象，柔性光柵9恢復原來的光柵周期，礦井內的柔性光柵9輸出端與礦井外的探測器10輸入端相連，經信號調理電路11與計算機I相連。
[0035]基于上述公開的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置進行遠程監(jiān)測的方法，以寬光譜紅外光源作為光譜分析的光源，使用寬光譜紅外光源發(fā)出的光照射透明氣栗中的待測瓦斯氣體。然后，第一紫外光光源和第一可見光光源作為驅動光源，驅動透明氣栗，通過調節(jié)光源發(fā)出光的光照強度、時間，來控制光驅動柔性栗的變形。第二紫外光光源和第二可見光光源作為驅動光源，驅動柔性光柵，通過調節(jié)“驅動光強”，實現柔性光柵柵距的連續(xù)改變和精確控制。最后，柔性光柵輸出的光譜信息通過探測器和信號調理電路送入計算機，從而計算出光譜數據，實現待測瓦斯氣體多種成份的光譜分析和實時監(jiān)測。
[0036]具體包括以下步驟:
[0037]I)打開寬光譜紅外光源2，使發(fā)出的光照射柔性氣栗3;
[0038]2)打開第一紫外光光源5或第一可見光光源6，照射透明氣栗3底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I 13，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I 13發(fā)生形變，透明氣栗3吸入礦井內的待測瓦斯氣體4，對待測瓦斯氣體進行實時采樣；
[0039]3)待測瓦斯氣體4吸收寬光譜紅外光源2發(fā)出的光后，打開第二紫外光光源7或第二可見光光源8，照射柔性光柵9下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1115，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1115發(fā)生形變，柔性光柵9柵距變化，得到待測瓦斯氣體多種成份的光譜信息;
[0040]4)柔性光柵9將待測瓦斯氣體多種成份的光譜信息通過光纖輸送至信號采集處理單元，實現待測瓦斯氣體的實時監(jiān)測和多種成份光譜分析。
[0041 ]參見圖2，其中，(a)為第一紫外光和第一可見光均未打開時，氣栗為初始狀態(tài)；(b)為第一紫外光打開，第一可見光未打開，氣栗吸入待測瓦斯氣體；(C)為第一紫外光關閉，第一可見光打開，氣栗恢復為初始狀態(tài)。寬光譜光源2照射透明氣栗3中的待測瓦斯氣體4，寬光譜光經待測瓦斯氣體4吸收，第一紫外光光源5和第一可見光光源6驅動光驅動柔性栗3。參見圖3，其中，(a)為第二紫外光和第二可見光均未打開時，柔性光柵為初始柵距和縫寬；(b)為第二紫外光打開，第二可見光未打開，柔性光柵的柵距和縫寬變大；(C)為第二紫外光關閉，第二可見光打開，柔性光柵恢復為初始柵距和縫寬。第二紫外光光源7和第二可見光光源8發(fā)出的柔性光柵9，柔性光柵9傳輸待測瓦斯氣體4吸收后的寬光譜光的光譜信息到探測器10，探測器10把相應的信號，經信號調理電路11傳輸到計算機I，通過計算機I紅外光譜分析，實時監(jiān)測待測瓦斯氣體4的多種成份。
[0042]以上述依據本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。
【主權項】
1.一種煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，包括設置在礦井內、且能夠由光驅動的透明氣栗(3)和柔性光柵(9);還包括設置在礦井外的光源發(fā)生單元及信號采集處理單元，光源發(fā)生單元發(fā)出的光通過光纜照射到透明氣栗(3)和柔性光柵(9)，光源發(fā)生單元與信號采集處理單元相連，柔性光柵(9)通過光纜與信號采集處理單元相連； 在透明氣栗(3)的頂部設有單向閥(12)，透明氣栗(3)底部為含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1(13);柔性光柵(9)下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜11(15)。2.根據權利要求1所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，所述光源發(fā)生單元包括寬光譜紅外光源(2)、第一紫外光光源(5)、第一可見光光源(6)、第二紫外光光源(7)及第二可見光光源(8);其中，寬光譜紅外光源(2)發(fā)出的光通過光纖照射透明氣栗(3)，第一紫外光光源(5)和第一可見光光源(6)發(fā)出的光通過光纖照射透明氣栗(3)底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1(13);第二紫外光光源(7)和第二可見光光源(8)發(fā)出的光通過光纖照射柔性光柵(9)下端的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜11(15)。3.根據權利要求2所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，寬光譜紅外光源(2)發(fā)出的光通過光纖照射至透明氣栗(3)后，再射至柔性光柵(9)上。4.根據權利要求2所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，當第一紫外光光源(5)或第一可見光光源(6)通過光纖照射透明氣栗(3)底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜I(13)時，偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1(13)發(fā)生形變。5.根據權利要求2所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，當第二紫外光光源(7)和第二可見光光源(8)發(fā)出的光通過光纖照射柔性光柵(9)下端的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II (15)時，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜II (15)發(fā)生形變。6.根據權利要求1所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，所述信號采集處理單元包括計算機(I)、探測器(10)及信號調理電路(11)，柔性光柵(9)通過電纜與探測器(10)的輸入端相連，探測器(10)的輸出端與信號調理電路(11)的輸入端相連，信號調理電路(11)的輸出端與計算機(I)相連。7.根據權利要求1所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置，其特征在于，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜11(15)通過固定件(14)固定于柔性光柵(9)下端。8.基于權利要求2?7中任意一項所述的煤礦瓦斯遠程監(jiān)測的裝置進行遠程監(jiān)測的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)打開寬光譜紅外光源(2)，使發(fā)出的光照射柔性氣栗(3); 2)打開第一紫外光光源(5)或第一可見光光源(6)，照射透明氣栗(3)底部的含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1(13)，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜1(13)發(fā)生形變，透明氣栗(3)吸入礦井內的待測瓦斯氣體(4)，對待測瓦斯氣體進行實時采樣； 3)待測瓦斯氣體(4)吸收寬光譜紅外光源(2)發(fā)出的光后，打開第二紫外光光源(7)或第二可見光光源(8)，照射柔性光柵(9)下端設有含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜11(15)，含偶氮苯發(fā)光團的有機薄膜11(15)發(fā)生形變，柔性光柵(9)柵距變化，得到待測瓦斯氣體多種成份的光譜信息； 4)柔性光柵(9)將待測瓦斯氣體多種成份的光譜信息通過光纖輸送至信號采集處理單元，實現待測瓦斯氣體的實時監(jiān)測和多種成份光譜分析。9.根據權利要求8所述的遠程監(jiān)測的方法，其特征在于，柔性光柵(9)輸出的光譜信息 通過探測器(10)和信號調理電路(11)輸送至計算機(I)，計算得到光譜數據。
【文檔編號】G01N21/01GK105866054SQ201610157941
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】賈書海, 王飛, 唐振華, 汪永林
【申請人】西安交通大學