一种煤矿瓦斯远程监测的装置及监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿瓦斯远程监测的装置及监测方法，包括设置在矿井内、且能够由光驱动的透明气泵和柔性光栅；还包括设置在矿井外的光源发生单元及信号采集处理单元，光源发生单元发出的光通过光缆照射到透明气泵和柔性光栅，光源发生单元与信号采集处理单元相连，柔性光栅通过光缆与信号采集处理单元相连；在透明气泵的顶部设有单向阀，透明气泵底部为含偶氮苯发光团的有机薄膜I；柔性光栅下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜II。本发明通过光纤将矿井外光源发生单元与矿井内透明气泵和柔性光栅相连，可以对瓦斯气体进行全光型、低成本的远程光谱分析，实现对瓦斯多种成份的实时、在线监测，矿井内无电子元件的存在，提高了瓦斯气体监测的安全性。
【专利说明】
一种煤矿瓦斯远程监测的装置及监测方法
技术领域
[0001]本发明属于煤矿安全设备技术领域，涉及一种煤矿瓦斯远程监测的装置及监测方法，具体涉及一种基于光驱动柔性光栅和柔性栗的煤矿瓦斯远程监测的装置及方法。
【背景技术】
[0002]在煤炭开采过程中，瓦斯安全已成为限制煤矿产量的重要障碍。因此，可靠、准确、快速、低成本、实时地对瓦斯气体浓度进行监测和预警，对有效预防矿井瓦斯事故至关重要。
[0003]目前，用于监测瓦斯气体(约83%?89%为甲烷气体)浓度的主要方法有:催化燃烧法、半导体气敏法、光干涉法、气相色谱法和红外光谱法等。半导体气敏法中，敏感元件容易受到噪声、有毒气体等干扰，准确性较低，并且需结合其它监测设备进行监控;光干涉法浓度指标不直观，受压力、温度、湿度等干扰明显，尤其易受其他气体干扰的影响严重;气相色谱法的工作温度高、稳定性和一致性较差，仪器较笨重，难于实现实时、在线检测，实际应用受到阻碍;热催化原理监测瓦斯，因其价格低廉，易于煤矿大面积使用，应用较多，但是其监测成份单一，早期预警功能明显不足，需要经常校正调零，使用寿命短，且不适合高浓度瓦斯安全检测等。现有的技术仍不能完全满足现在煤矿工业对高灵敏、智能化预警报警的需求。
[0004]红外光谱法的特点是测量范围宽、检测精度高、抗干扰能力强，可远距离遥测，相比其他方法优势明显。但目前多基于“单线光谱”测量原理，无法对瓦斯多种成份同时进行监测，且瓦斯测量处存在电路短路、放电等安全隐患，装置价格昂贵，系统较为复杂，难以实现传感器端处无电子器件、低成本的瓦斯多种成份光谱分析，妨碍其推广应用。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种煤矿瓦斯远程监测的装置及监测方法，该装置结构设计合理，操作简单，通过该装置及方法能够实现对瓦斯气体浓度进行可靠、准确、快速、低成本的实时监测。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0007]—种煤矿瓦斯远程监测的装置，包括设置在矿井内、且能够由光驱动的透明气栗和柔性光栅;还包括设置在矿井外的光源发生单元及信号采集处理单元，光源发生单元发出的光通过光缆照射到透明气栗和柔性光栅，光源发生单元与信号采集处理单元交互，柔性光栅通过光缆与信号采集处理单元相连；
[0008]在透明气栗的顶部设有单向阀，透明气栗底部为含偶氮苯发光团的有机薄膜I;柔性光栅下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜II。
[0009]所述光源发生单元包括宽光谱红外光源、第一紫外光光源、第一可见光光源、第二紫外光光源及第二可见光光源;其中，宽光谱红外光源发出的光通过光纤照射透明气栗，第一紫外光光源和第一可见光光源发出的光通过光纤照射透明气栗底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜I;第二紫外光光源和第二可见光光源发出的光通过光纤照射柔性光栅下端的含偶氮苯发光团的有机薄膜II。
[0010]宽光谱红外光源发出的光通过光纤照射至透明气栗后，再射至柔性光栅上。
[0011]当第一紫外光光源或第一可见光光源通过光纤照射透明气栗底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜I时，偶氮苯发光团的有机薄膜I发生形变。
[0012]当第二紫外光光源和第二可见光光源发出的光通过光纤照射柔性光栅下端的含偶氮苯发光团的有机薄膜II时，含偶氮苯发光团的有机薄膜II发生形变。
[0013]所述信号采集处理单元包括计算机、探测器及信号调理电路，柔性光栅通过电缆与探测器的输入端相连，探测器的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端与计算机相连。
[0014]含偶氮苯发光团的有机薄膜II通过固定件固定于柔性光栅下端。
[0015]本发明还公开了基于上述的煤矿瓦斯远程监测的装置进行远程监测的方法，包括以下步骤:
[0016]I)打开宽光谱红外光源，使发出的光照射柔性气栗；
[0017]2)打开第一紫外光光源或第一可见光光源，照射透明气栗底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜I，含偶氮苯发光团的有机薄膜I发生形变，透明气栗吸入矿井内的待测瓦斯气体，对待测瓦斯气体进行实时采样；
[0018]3)待测瓦斯气体吸收宽光谱红外光源发出的光后，打开第二紫外光光源或第二可见光光源，照射柔性光栅下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜II，含偶氮苯发光团的有机薄膜II发生形变，柔性光栅栅距变化，得到待测瓦斯气体多种成份的光谱信息；
[0019]4)柔性光栅将待测瓦斯气体多种成份的光谱信息通过光纤输送至信号采集处理单元，实现待测瓦斯气体的实时监测和多种成份光谱分析。
[0020]柔性光栅输出的光谱信息通过探测器和信号调理电路输送至计算机，计算得到光谱数据。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0022]本发明公开的煤矿瓦斯远程监测的装置，包括设置在矿井内、且能够由光驱动的透明气栗和柔性光栅;还包括设置在矿井外的光源发生单元及信号采集处理单元，在透明气栗的顶部设有单向阀，透明气栗底部为含偶氮苯发光团的有机薄膜I，柔性光栅下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜II，利用偶氮苯发光团的光致顺反逆构性，能够使含偶氮苯发光团的有机薄膜I发生变形，从而使透明气栗发生形变，吸入待测瓦斯气体，可以通过调节光源发出光的光照强度、时间，来控制透明气栗的变形。同理，利用偶氮苯发光团的光致顺反逆构性，能够使含偶氮苯发光团的有机薄膜II发生变形，使柔性光栅的栅距也发生改变，能够输出待测瓦斯气体多种成份的准确光谱信息。本发明通过光纤将矿井外光源发生单元与矿井内透明气栗和柔性光栅相连，就可以对瓦斯气体进行全光型、低成本的远程光谱分析，实现对瓦斯多种成份的实时、在线监测，矿井内无电子元件的存在，从而提高了瓦斯气体监测的安全性。
[0023]本发明公开的基于上述装置进行煤矿瓦斯远程监测的方法，宽光谱光源发出的光照射透明气栗，利用偶氮苯发光团的光致顺反逆构性发生变形的方法，两个紫外光光源和可见光光源的组合分别驱动透明气栗和柔性光栅的变形和栅距变化，经待测瓦斯气体吸收后的宽光谱光，通过柔性光栅的栅距变化，获得待测瓦斯气体的吸收光谱，使用红外光谱分析的方法，测定出瓦斯气体浓度并监测瓦斯气体的多种成份。由于宽光谱光、紫外光、可见光均通过光纤传输到矿井内，通过控制紫外光的光照强度、时间等精确调节柔性光栅的栅距，并利用红外光谱分析待测瓦斯气体，矿井内无电子元件的存在，从而提高了瓦斯气体监测的安全性，实现了瓦斯气体非单一成份的实时、全光型、远程监测。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的基于光驱动柔性光栅和柔性栗的煤矿瓦斯远程监测的装置示意图；
[0025]图2为透明气栗的结构原理示意图；其中，(a)为第一紫外光和第一可见光均未打开时，气栗为初始状态；(b)为第一紫外光打开，第一可见光未打开，气栗吸入待测瓦斯气体;(C)为第一紫外光关闭，第一可见光打开，气栗恢复为初始状态；
[0026]图3为柔性光栅的结构原理示意图，其中，(a)为第二紫外光和第二可见光均未打开时，柔性光栅为初始栅距和缝宽；(b)为第二紫外光打开，第二可见光未打开，柔性光栅的栅距和缝宽变大；(C)为第二紫外光关闭，第二可见光打开，柔性光栅恢复为初始栅距和缝宽。
[0027]其中，I为计算机;2为宽光谱红外光源;3为透明气栗;4为待测瓦斯气体;5为第一紫外光光源;6为第一可见光光源;7为第二紫外光光源;8为第二可见光光源;9为柔性光栅；10为探测器;11为信号调理电路，12为单向阀，13为含偶氮苯发光团的有机薄膜I，14为固定件，15为含偶氮苯发光团的有机薄膜II。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0029]如图1所示，包括设置在矿井内、且能够由光驱动的透明气栗3和柔性光栅9;还包括设置在矿井外的光源发生单元及信号采集处理单元，光源发生单元发出的光通过光缆照射到透明气栗3和柔性光栅9，光源发生单元与信号采集处理单元交互，柔性光栅9通过光缆与信号采集处理单元相连；
[0030]在透明气栗3的顶部设有单向阀12，透明气栗3底部为含偶氮苯发光团的有机薄膜113；柔性光栅9下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜II15。
[0031 ]所述光源发生单元包括宽光谱红外光源2、第一紫外光光源5、第一可见光光源6、第二紫外光光源7及第二可见光光源8;其中，宽光谱红外光源2发出的光通过光纤照射透明气栗3，第一紫外光光源5和第一可见光光源6发出的光通过光纤照射透明气栗3底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜113;第二紫外光光源7和第二可见光光源8发出的光通过光纤照射柔性光栅9下端的含偶氮苯发光团的有机薄膜1115。
[0032]所述信号采集处理单元包括计算机1、探测器10及信号调理电路11，柔性光栅9通过电缆与探测器10的输入端相连，探测器10的输出端与信号调理电路11的输入端相连，信号调理电路11的输出端与计算机I相连。
[0033]计算机I与宽光谱红外光源2相连，矿井外的宽光谱红外光源2发出的光通过光纤照射矿井内的透明气栗3，计算机I与矿井外的第一紫外光光源5、第一可见光光源6相连，单向阀12与透明气栗3相连，打开第一紫外光光源5，第一紫外光光源5发出的光通过光纤照射到矿井内的透明气栗3，含偶氮苯发光团的有机薄膜I 13发生变形，待测瓦斯气体4通过单向阀12进入透明气栗3，关闭第一紫外光光源5，打开第一可见光光源6，透明气栗3恢复原来的形状，采样待测瓦斯气体4。
[0034]计算机I与矿井外的第二紫外光光源7、第二可见光光源8相连，打开第二紫外光光源7，第二紫外光光源8发出的光通过光纤照射到矿井内的柔性光栅9，含偶氮苯发光团的有机薄膜II 15两端使用固定件14固定，含偶氮苯发光团的有机薄膜II 15中偶氮苯份子的构象转变，有序的偶氮苯液晶基元变为无序，从而发生变形，柔性光栅9的栅距发生变化，关闭第二紫外光光源7，打开第二可见光光源8，含偶氮苯发光团的有机薄膜II 15中的顺式偶氮苯恢复到反式构象，柔性光栅9恢复原来的光栅周期，矿井内的柔性光栅9输出端与矿井外的探测器10输入端相连，经信号调理电路11与计算机I相连。
[0035]基于上述公开的煤矿瓦斯远程监测的装置进行远程监测的方法，以宽光谱红外光源作为光谱分析的光源，使用宽光谱红外光源发出的光照射透明气栗中的待测瓦斯气体。然后，第一紫外光光源和第一可见光光源作为驱动光源，驱动透明气栗，通过调节光源发出光的光照强度、时间，来控制光驱动柔性栗的变形。第二紫外光光源和第二可见光光源作为驱动光源，驱动柔性光栅，通过调节“驱动光强”，实现柔性光栅栅距的连续改变和精确控制。最后，柔性光栅输出的光谱信息通过探测器和信号调理电路送入计算机，从而计算出光谱数据，实现待测瓦斯气体多种成份的光谱分析和实时监测。
[0036]具体包括以下步骤:
[0037]I)打开宽光谱红外光源2，使发出的光照射柔性气栗3;
[0038]2)打开第一紫外光光源5或第一可见光光源6，照射透明气栗3底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜I 13，含偶氮苯发光团的有机薄膜I 13发生形变，透明气栗3吸入矿井内的待测瓦斯气体4，对待测瓦斯气体进行实时采样；
[0039]3)待测瓦斯气体4吸收宽光谱红外光源2发出的光后，打开第二紫外光光源7或第二可见光光源8，照射柔性光栅9下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜1115，含偶氮苯发光团的有机薄膜1115发生形变，柔性光栅9栅距变化，得到待测瓦斯气体多种成份的光谱信息;
[0040]4)柔性光栅9将待测瓦斯气体多种成份的光谱信息通过光纤输送至信号采集处理单元，实现待测瓦斯气体的实时监测和多种成份光谱分析。
[0041 ]参见图2，其中，(a)为第一紫外光和第一可见光均未打开时，气栗为初始状态；(b)为第一紫外光打开，第一可见光未打开，气栗吸入待测瓦斯气体；(C)为第一紫外光关闭，第一可见光打开，气栗恢复为初始状态。宽光谱光源2照射透明气栗3中的待测瓦斯气体4，宽光谱光经待测瓦斯气体4吸收，第一紫外光光源5和第一可见光光源6驱动光驱动柔性栗3。参见图3，其中，(a)为第二紫外光和第二可见光均未打开时，柔性光栅为初始栅距和缝宽；(b)为第二紫外光打开，第二可见光未打开，柔性光栅的栅距和缝宽变大；(C)为第二紫外光关闭，第二可见光打开，柔性光栅恢复为初始栅距和缝宽。第二紫外光光源7和第二可见光光源8发出的柔性光栅9，柔性光栅9传输待测瓦斯气体4吸收后的宽光谱光的光谱信息到探测器10，探测器10把相应的信号，经信号调理电路11传输到计算机I，通过计算机I红外光谱分析，实时监测待测瓦斯气体4的多种成份。
[0042]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【主权项】
1.一种煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，包括设置在矿井内、且能够由光驱动的透明气栗(3)和柔性光栅(9);还包括设置在矿井外的光源发生单元及信号采集处理单元，光源发生单元发出的光通过光缆照射到透明气栗(3)和柔性光栅(9)，光源发生单元与信号采集处理单元相连，柔性光栅(9)通过光缆与信号采集处理单元相连； 在透明气栗(3)的顶部设有单向阀(12)，透明气栗(3)底部为含偶氮苯发光团的有机薄膜1(13);柔性光栅(9)下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜11(15)。2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，所述光源发生单元包括宽光谱红外光源(2)、第一紫外光光源(5)、第一可见光光源(6)、第二紫外光光源(7)及第二可见光光源(8);其中，宽光谱红外光源(2)发出的光通过光纤照射透明气栗(3)，第一紫外光光源(5)和第一可见光光源(6)发出的光通过光纤照射透明气栗(3)底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜1(13);第二紫外光光源(7)和第二可见光光源(8)发出的光通过光纤照射柔性光栅(9)下端的含偶氮苯发光团的有机薄膜11(15)。3.根据权利要求2所述的煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，宽光谱红外光源(2)发出的光通过光纤照射至透明气栗(3)后，再射至柔性光栅(9)上。4.根据权利要求2所述的煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，当第一紫外光光源(5)或第一可见光光源(6)通过光纤照射透明气栗(3)底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜I(13)时，偶氮苯发光团的有机薄膜1(13)发生形变。5.根据权利要求2所述的煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，当第二紫外光光源(7)和第二可见光光源(8)发出的光通过光纤照射柔性光栅(9)下端的含偶氮苯发光团的有机薄膜II (15)时，含偶氮苯发光团的有机薄膜II (15)发生形变。6.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，所述信号采集处理单元包括计算机(I)、探测器(10)及信号调理电路(11)，柔性光栅(9)通过电缆与探测器(10)的输入端相连，探测器(10)的输出端与信号调理电路(11)的输入端相连，信号调理电路(11)的输出端与计算机(I)相连。7.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯远程监测的装置，其特征在于，含偶氮苯发光团的有机薄膜11(15)通过固定件(14)固定于柔性光栅(9)下端。8.基于权利要求2?7中任意一项所述的煤矿瓦斯远程监测的装置进行远程监测的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)打开宽光谱红外光源(2)，使发出的光照射柔性气栗(3); 2)打开第一紫外光光源(5)或第一可见光光源(6)，照射透明气栗(3)底部的含偶氮苯发光团的有机薄膜1(13)，含偶氮苯发光团的有机薄膜1(13)发生形变，透明气栗(3)吸入矿井内的待测瓦斯气体(4)，对待测瓦斯气体进行实时采样； 3)待测瓦斯气体(4)吸收宽光谱红外光源(2)发出的光后，打开第二紫外光光源(7)或第二可见光光源(8)，照射柔性光栅(9)下端设有含偶氮苯发光团的有机薄膜11(15)，含偶氮苯发光团的有机薄膜11(15)发生形变，柔性光栅(9)栅距变化，得到待测瓦斯气体多种成份的光谱信息； 4)柔性光栅(9)将待测瓦斯气体多种成份的光谱信息通过光纤输送至信号采集处理单元，实现待测瓦斯气体的实时监测和多种成份光谱分析。9.根据权利要求8所述的远程监测的方法，其特征在于，柔性光栅(9)输出的光谱信息 通过探测器(10)和信号调理电路(11)输送至计算机(I)，计算得到光谱数据。
【文档编号】G01N21/01GK105866054SQ201610157941
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】贾书海, 王飞, 唐振华, 汪永林
【申请人】西安交通大学