一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法

1.本发明涉及一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法，属于气体测量技术领域。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明的技术方案：
7.一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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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[xn，yn，zn](n为整数)表示在(xn，yn，zn)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-zd)+c1zdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(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-xd)(1-yd)(1-zd)+v[x1，y0，z0]xd(1-yd)(1-zd) +v[x0，y0，z1](1-xd)(1-yd)zd+v[x1，y0，z1]xd(1-yd)z
d +v[x0，y1，z0](1-xd)yd(1-zd)+v[x1，y1，z0]xdyd(1-zd) +
v[x0，y1，z1](1-xd)ydzd+v[x0，y1，z1]xdydzd[0022]
由于这种排列方式具有周期性，除了边界位置所有待测点都具有与此相同的排列方式，故可以根据此公式计算出除边界外所有待测点的气体浓度值，对于边界处在x轴方向上的待测空间，我们只需采用公式(2)在x轴方向上进行插值即可求出待测点的气体浓度值，以此类推，在y轴以及z轴方向上的待测空间可分别采用公式(3)和公式(4)进行计算。
[0023]
得到气体在空间中的分布状况后数据处理模块驱动显示模块进行显示，当接收到休眠信号后控制电源以及显示模块进入待机模式，降低系统功耗。
[0024]
进一步地，所述显示模块尺寸为800mm*480mm液晶显示屏,采400m soc处理器，屏幕运行速度更快，上电即可运行内置矢量抗锯齿字体。数据处理模块将气体浓度值与色深一一对应并发送至显示模块利用图形化界面显示当前气体分布情况，除了显示气体分布情况，还可显示气体浓度，温湿度以及报警信号。
[0025]
进一步地，所述电源模块,是一种开关电源，采用pwm波控制开关通断时间进而实现调压整流的目的，在调整开关通断时会有较高的能量耗散，但时间很短，因此比较节省能源，相较于线性电源产生废热较少，开关电源尺寸要小，重量较轻。
附图说明
[0026]
图1是本发明三维有毒有害气体测量系统图；
[0027]
图2是本发明三维有毒有害气体测量系统传感器排布图；
[0028]
图3是控制流程图；
[0029]
图4是气体分布图；
具体实施方式
[0030]
下面对本发明的技术方案进行清楚的描述，显而易见，所述实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部。基于本发明中的设计结构和创意，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所提出的其他实施例都在本发明保护的范围内。
[0031]
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
[0032]
结合图1图2说明本实施方式，本实施方式的一种三维有毒有害气体检测系统及其测试方法包括有毒有害气体感知模块(2)，数据转换模块(7)，数据处理模块(8)，显示模块(9)以及电源模块(10)，考虑到系统的整体功耗与实际应用情况，传感器不可能遍布整个空间，要使用相对较少的传感器利用传感器间的关系推算出空白区域的气体分布情况，这就对传感器的排布方式提出一定要求，具体排布方式如图2所示，我们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)；
[0033][0034]
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的值c00,c01,c10,c11采用公式(2)：
[0035][0036]
其中v[xn，yn，zn](n为整数)表示在(xn，yn，zn)处气体的浓度值
[0037]
再沿y轴方向进行插值，采用公式(3)：
[0038][0039]
最后沿z轴插值，采用公式(4)：
[0040]
c＝c0(1-zd)+c1zdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0041]
根据以上推导，待测点气体浓度值c的完整公式为：
[0042]
c＝v(x0，y0，z0](1-xd)(1-yd)(1-zd)+v[x1，y0，z0]xd(1-yd)(1-zd) +v[x0，y0，z1](1-xd)(1-yd)zd+v[x1，y0，z1]xd(1-yd)z
d +v[x0，y1，z0](1-xd)yd(1-zd)+v[x1，y1，z0]xdyd(1-zd) +v[x0，y1，z1](1-xd)ydzd+v[x0，y1，z1]xdydzd[0043]
由于这种排列方式具有周期性，除了边界位置所有待测点都具有与此相同的排列方式，故可以根据此公式根据计算出除边界外所有待测点的气体浓度值，对于边界处在x轴方向上的待测空间，我们只需采用公式(2)在x轴方向上进行插值即可求出待测空间处的气体浓度值，以此类推，在y轴以及z轴方向上的待测空间可分别采用公式(3)和公式(4)进行计算。
[0044]
为验证该方法以及系统可行性，需利用实验进行测试，具体测试方法为将传感器放置于尺寸为80cm长，60cm宽，40cm高的测试箱(1)内。在测试箱的一侧有圆形的空气排气口 (4)，测试箱底部有进气口(6)。使用乙醇蒸汽作为测试气体，并使用流量控制装置控制乙醇蒸汽的流量，流量控制装置由恒流速机台(13)、注射器(12)、汽化器(11)组成。在注射器(12) 中装入液体乙醇，并安装于恒流速机台(13)之上。设定恒流速机台(13)的进样速度，使单位时间内恒定体积的液体乙醇流入注射器针头。针头外部由汽化器(11)包围。汽化器(11)为大功率电阻，通电后发热，即可令针头中的液体乙醇气化，并从针尖喷出，通过进气口(6)进入测试箱。
[0045]
乙醇传感器(3)使用mq-3型。这种传感器所使用的气敏材料为二氧化sno2，其在空气中电导率较低，而乙醇蒸汽会显著提高其电导率，对外表现为其自身电阻值下降，故可用于测量乙醇蒸汽浓度。
[0046]
因网格中所用传感器数量较多，传感器(3)的性能一致性对测量结果影响较大，故在实际测量前应先对所有传感器(3)进行老化处理，并加以校准。首先将所有传感器(3)安装至测试箱(1)中，保持测试箱最大通风量，并将所有传感器(3)通电，静置三日，完成传感器(3)的老化过程。
[0047]
实验开始时，吹入空气，检查气体测试箱(1)密封情况，确认气体测试箱(1)无泄漏后为系统上电，为传感器(3)进行预热，观察传感器(3)输出数值，待稳定后启动恒流速机台(13)与汽化器(11)，向测试箱(1)内通入定量乙醇蒸汽，读出传感器(3)数值，读数完成后，打开通风设备(5)将测试箱(1)内残留乙醇蒸汽排出，观察传感器(3)读数，待其完全恢复后再进行下次实验。
[0048]
气体分布图4所示，浅色格子代表该处气体浓度高，颜色越暗气体浓度越低，通过气体分布图可以清楚直观地了解气体在空间内的分布情况。
[0049]
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。