新型矿用红外瓦斯传感器的光学系统设计

智慧矿山瓦斯监测系统设计设计方案设计方案：智慧矿山瓦斯监测系统一、概述智慧矿山瓦斯监测系统是基于物联网和数据分析技术的一种矿山瓦斯监测和预警系统，通过传感器采集矿井内的瓦斯浓度、温度、湿度等数据，并将数据传输至云平台进行实时分析和监测，实现对矿井瓦斯情况的全方位监测和实时预警。

二、系统组成1. 传感器模块：使用多种类型的传感器，包括瓦斯浓度传感器、温度传感器、湿度传感器等，对矿井内的瓦斯情况进行感知和监测。

2. 数据传输模块：使用物联网技术，将传感器采集到的数据传输至云平台，并确保数据传输的高效、稳定。

3. 云平台：通过云平台对传感器采集到的数据进行实时分析和处理，利用数据挖掘和机器学习技术，实现瓦斯情况的预测和预警。

4. 控制中心：接收云平台发送的预警信息，并对矿井进行紧急处理措施，以确保矿工的安全。

三、系统特点1. 实时监测：通过传感器对矿井的瓦斯情况进行实时监测，及时掌握矿井内瓦斯浓度的变化情况。

2. 多维数据分析：通过云平台对传感器采集到的数据进行分析，从多个维度综合评估瓦斯情况，提高预测的准确性。

3. 智能预警：云平台利用数据挖掘和机器学习技术，可以自动判断瓦斯情况是否达到预警水平，给出合理的预警信息。

4. 移动监控：运用移动终端，可以随时随地监测矿井瓦斯情况，并接收到预警信息，有助于及时采取应对措施。

5. 可扩展性强：系统可以根据实际需要，灵活地增减传感器和监测点的数量，适应不同规模的矿井。

四、系统工作原理1. 传感器采集：传感器实时监测矿井内的瓦斯浓度、温度、湿度等数据，并将数据传输给数据传输模块。

2. 数据传输：数据传输模块使用物联网技术，将传感器采集到的数据传输至云平台，确保数据传输的高效、稳定。

3. 数据分析：云平台对传感器采集到的数据进行实时分析和处理，利用数据挖掘和机器学习技术，从多个维度综合评估瓦斯情况。

4. 预警处理：云平台根据数据分析结果，判断瓦斯情况是否达到预警水平，如果达到预警水平，发送预警信息给控制中心。

专利名称：红外光学瓦斯探测仪
专利类型：实用新型专利
发明人：张文栋,刘俊,熊继军,薛晨阳,文丰,谭秋林,李强龙申请号：CN200520024087.2
申请日：20050515
公开号：CN2800267Y
公开日：
20060726
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型为一种红外光学瓦斯探测仪，涉及煤矿井下瓦斯探测装置。

本实用新型解决现有的瓦斯探测装置所用的传感器大多需要短期内校准，而且容易产生误报警等问题。

该红外光学瓦斯探测仪包含瓦斯敏感红外探测器和后续信号处理电路，瓦斯敏感红外探测器包含柱状空心管，柱状空心管的管壁上开有通气孔，柱状空心管的两端开有固定孔，一端的固定孔内固定有红外发光管，另一端的固定孔内固定有双通道滤波红外传感器；后续信号处理电路包含单片机和与单片机信号输出端相连的显示、报警电路；后续信号处理电路还包含双通道滤波红外传感器的被测输出信号和基准输出信号的处理电路、比较电路和红外发光管的调制驱动电路。

该探测仪提高了探测的准确性。

申请人：中北大学
地址：030051 山西省太原市尖草坪区学院路3号
国籍：CN
代理机构：山西太原科卫专利事务所
代理人：朱源
更多信息请下载全文后查看。

《基于无线传感器网的矿井瓦斯监测系统的设计与研究》篇一一、引言矿井瓦斯监测是保障矿工安全、预防瓦斯事故的重要手段。

随着无线传感器网络（WSN）技术的快速发展，其在矿井瓦斯监测系统中的应用日益广泛。

本文旨在设计并研究一种基于无线传感器网的矿井瓦斯监测系统，以提高矿井安全监测的效率和准确性。

二、系统设计1. 系统架构本系统采用分层式结构设计，包括感知层、网络层和应用层。

感知层负责采集瓦斯浓度、温度、湿度等环境参数；网络层通过无线传感器网络将感知层的数据传输至应用层；应用层则负责数据处理、存储和展示。

2. 无线传感器网络设计无线传感器网络是本系统的核心部分，采用ZigBee等低功耗无线通信技术，实现节点间的数据传输。

网络拓扑结构采用星型和网状型相结合的方式，以提高网络的稳定性和可靠性。

同时，为降低能耗，节点采用休眠和唤醒机制，仅在需要传输数据时处于工作状态。

3. 数据采集与处理数据采集采用高精度传感器，实时监测矿井内的瓦斯浓度、温度、湿度等参数。

数据处理采用数字信号处理技术，对原始数据进行滤波、去噪和校正，以提高数据的准确性和可靠性。

同时，系统支持数据存储和远程传输，方便后续分析和应用。

三、关键技术研究1. 无线通信技术无线传感器网络的通信距离、通信速度和稳定性是本系统的关键技术之一。

采用ZigBee等低功耗无线通信技术，可实现节点间的长距离、低功耗通信，满足矿井环境下的通信需求。

2. 数据融合与优化算法为提高数据的准确性和可靠性，本系统采用数据融合与优化算法。

通过融合多个节点的数据，消除误差和干扰，提高数据的整体质量。

同时，采用优化算法对数据处理过程进行优化，降低能耗，延长节点使用寿命。

四、系统实现与测试1. 系统实现本系统采用模块化设计，便于后续维护和扩展。

硬件部分包括传感器节点、网关节点、数据中心等；软件部分包括数据采集、传输、处理、存储和展示等模块。

通过软硬件协同工作，实现矿井瓦斯的实时监测和数据传输。

第29卷　第4期河北理工大学学报(自然科学版)Vol 129　No 142007年11月Journa l of Hebe i Polytechn ic Un iver sity (N atur a l Science Editi on )Nov .2007文章编号:167420262(2007)0420020206新型矿用红外瓦斯检测仪的研制刘思伟,李一男,王汝琳(中国矿业大学(北京)信息与电气工程系,北京,100083)关键词:煤矿;红外吸收;瓦斯;检测仪摘　要:介绍了一种新型矿用红外瓦斯检测仪的工作原理、结构及实验研究的结果,并对该仪器的一些关键技术和硬、软件设计进行了讨论。

中图分类号:T D 712+55　文献标识码:A 0　引言矿井瓦斯是多种可燃、可爆气体的总称,其主要成分是甲烷(CH 4),它是煤矿安全生产的最大威胁。

在我国,煤矿安全事故中瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50%,给国家造成了巨大的经济损失和精神损失,所以研究与开发新型的瓦斯传感器,并制造出精确的检测仪就显得尤为重要。

当今国内普遍采用热催化元件以及光学干涉法检测瓦斯,但这些检测仪存在检测精度较低,检测范围窄,对于高浓度气体会得到致命的错误信息,寿命短,维护困难等问题,并不能很好地解决我国煤矿现存的问题。

而红外瓦斯检测仪使用红外传感器作为检测核心,使仪器具有检测精度高,检测浓度范围较宽,使用寿命长等优点,对保证我国煤矿安全生产有很重要的意义。

鉴于以上原因,笔者对新型红外瓦斯检测仪进行了研制。

1　红外型检测原理111　基本原理不同气体对红外光有着不同的吸收光谱。

某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关,利用这一原理可以测量甲烷的浓度。

当某物质受到红外光束照射时,该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转换为另一种能量,即分子的振动和转动能量。

在吸收过程中,分子的振动频率与分子的特性有关,辐射只是在这些频率对应的波长处被吸收。

科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界0前言中国煤炭产量占世界的35%,矿难死亡人数却占世界的80%,而这些事故中80%的事故时由瓦斯爆炸引起的。

做好对瓦斯浓度的检测是预防瓦斯事故在煤矿安全预防中的重要环节,为此国家对煤炭安全生产提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的十二字方针。

为保证煤炭企业能够进行安全稳定生产,做好煤矿井中瓦斯气体的实时、快速、精确的浓度检测是十分必要的[1-2]。

目前矿井中瓦斯的监测采用定点监测的方式,放置瓦斯检测仪会随着采掘面的变化而放置的,但对于前期作业的人员来说,这些定点的瓦斯检测仪起不到保护的作用。

为保证人员安全,需要给工人设计出便携的瓦斯检测仪,让工人随身携带,随时监测瓦斯浓度,实现前期预警。

常用的瓦斯检测仪,按检测原理可分为:载体催化型、热导型、气敏半导体型和红外型。

载体催化型精度高、稳定性好,但选择性差、寿命短;热导型的结构简单,但对低浓度瓦斯反应不准确,易受水蒸汽和氧气的影响;气敏半导体型具有灵敏度高、能耗少、寿命长等的优点,但选择性差,测量范围窄;红外型的精度和灵敏度高、选择性好,但缺点是光路和电路复杂,价格昂贵。

在煤矿复杂的环境条件下,由于红外传型的光路复杂,且易受环境干扰,很少在便携式瓦斯检测仪用红外检测技术,造成现有便携式瓦斯检测仪或选择性差、或精度低、或寿命短等缺点。

本设计采用特殊的设计方法设计出了便携式矿用红外瓦斯检测仪,克服了红外技术在矿井下面使用的缺点,提高了便携式矿用红外瓦斯检测仪的性能。

1系统设计1.1总体设计系统以单片机为核心,通过红外瓦斯传感器将瓦斯浓度传递给单片机,单片机将接收到的数据进行显示、判读报警,同时可以将数据通过UART通信端口传递。

其硬件框图如图1所示。

图1系统的硬件框图红外传感器采用用双探测器、双光源的传感器,由于其自带串行口输出,整个系统不需要A/D。

《基于无线传感器网的矿井瓦斯监测系统的设计与研究》篇一一、引言矿井瓦斯是煤炭生产过程中潜在的重要危险源之一，有效的监测和管理对于确保煤矿安全生产具有重要意义。

然而，传统的有线传感器网络在矿井环境下存在着诸多问题，如安装布线困难、维护成本高、系统扩展性差等。

因此，本研究旨在设计并研究一种基于无线传感器网的矿井瓦斯监测系统，以提高煤矿的安全监测水平和系统运行效率。

二、系统设计（一）硬件设计1. 传感器节点：采用无线通信技术的瓦斯传感器节点，用于实时监测矿井内瓦斯的浓度和温度等参数。

传感器节点需具备体积小、低功耗、抗干扰能力强等特点。

2. 网关节点：负责收集传感器节点的数据，并通过无线方式将这些数据传输到主控中心。

网关节点需具有数据中继、数据融合等功能。

3. 主控中心：主控中心是整个系统的核心，负责接收、存储和分析网关节点传输的数据，实现对矿井瓦斯浓度的实时监控和预警。

（二）软件设计1. 通信协议：设计适用于无线传感器网络的通信协议，保证数据传输的实时性和可靠性。

通信协议需考虑数据包格式、通信方式、纠错机制等方面。

2. 数据处理与存储：对收集到的数据进行处理和分析，提取瓦斯浓度等关键参数，并实时存储和展示数据。

此外，系统应具备历史数据存储功能，方便后续分析和决策。

3. 用户界面：设计直观易用的用户界面，方便操作人员实时查看矿井瓦斯浓度、温度等参数，以及接收系统发出的预警信息。

三、系统实现（一）传感器节点的布置与优化根据矿井的实际环境和瓦斯分布情况，合理布置传感器节点，确保监测的全面性和准确性。

同时，通过优化传感器节点的布局和数量，降低系统成本和能耗。

（二）无线通信网络的构建与优化构建稳定的无线通信网络，实现传感器节点与网关节点之间的数据传输。

通过优化网络拓扑结构、信道分配和功率控制等手段，提高网络的稳定性和可靠性。

（三）主控中心的设计与实现主控中心采用高性能的计算机或服务器作为硬件平台，运行专门的监控软件实现数据的接收、存储和分析等功能。

光学瓦斯测仪课件 (一)
光学瓦斯测仪是矿井安全生产中不可或缺的重要仪器，是矿山井下安
全生产的重要监测手段。

本文将从光学瓦斯测仪的基本原理、核心部
件和使用方法等方面进行阐述。

一、基本原理
光学瓦斯测仪利用激光原理，在环境中喷射红外激光束，当遇到可燃
气体后，能够吸收一部分激光，从而使激光能量的传播路径发生变化。

测量仪通过检测激光发射前后的差异，来判断环境中的可燃气体浓度。

二、核心部件
光学瓦斯测仪主要由激光器、控制器、光路反射镜、接收器、显示器
等组成。

其中，激光器提供了红外激光束，光路反射镜用于控制激光
束的方向，接收器负责检测激光束的反射情况并返回控制器进行处理，显示器是显示气体浓度值。

三、使用方法
1.在使用光学瓦斯测仪测试气体浓度时，必须先保证环境干燥、无尘、无烟雾，避免对仪器的误差影响。

2.在使用前需要对仪器进行预热，通常预热10~15分钟左右即可进入
正常使用的状态。

3.为了保证测量的准确性，应该选择与环境相同的自然进风口对气体
进行采样检测。

4.在测量过程中，应随时观察仪表的显示数值，及时发现气体泄漏、
积聚等异常情况。

5.测量结束后，应及时清理仪器，注意及时更换电池，以保证下次的
正常使用。

总之，光学瓦斯测仪是一种重要的矿井安全监测仪器，在矿山生产中
的功能非常重要。

通过本文的介绍，我们对光学瓦斯测仪的基础原理、核心部件以及使用方法有了更清晰的认识，相信这对于广大矿工和安
全监控人员来说是非常有益的。