[发明专利]单光束非色散红外气体感应器以及含有单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔

说明书

技术领域

本发明涉及一种单光束非色散红外气体感应器，主要用于探测、预警矿井中危险气体状况，属于气体应用领域。 

本发明还涉及一种采用上述单光束非色散红外气体感应器的矿工头盔。 

背景技术

最近几十年，非色散红外（NDIR）探测技术逐步在气体分析行业的气体探测方面得到应用。非色散红外探测技术的工作原理是光谱吸收法：通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化，因而具有高度的选择特性。当一束光强为输入光的平行光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer-Lambert定律，即可推算出相应的浓度。由此可知，基于非色散红外探测技术的气体分析器是利用待测气体分子在红外波段的特征吸收谱线，实现相应气体浓度的快速准确检测。另外，非色散红外探测技术中的“非色散”是通过采用色散元件（该色散元件通常是指窄带滤光器或红外透射滤波器，而不是指棱镜或衍射光栅这类的分散元件）实现的，采用色散元件的目的在于能够测量到与待测气体强吸收带一致的特殊波段上的辐射。 

因此，非色散红外探测技术具有测量快速准确、灵敏度高、工作稳定、操作容易、工作寿命长等优点，在气体分析行业被看作是最好的气体测量方法之一。但是，现阶段基于非色散红外探测技术制造的非色散红外气体感应器在矿工开采过程中仍然未得到广泛应用，理由如下： 

第一、现有的非色散红外气体感应器对于矿工开采的气体监测来说，质量并不可靠： 

矿工在低下矿井中工作时，一般需要配备个人甲烷（CH4）感应器以及个人露点（水蒸气）感应器。配备个人甲烷（CH4）感应器的目的是矿工在煤矿等矿物开采过程中遇到或打开所谓的“甲烷包”时，能预先探测到接近爆炸极限水平的气体浓度。由于甲烷没有气味，如果不配备个人甲烷感应器，当有“甲烷包”被打开时，在地下工作的矿工就没有办法获得这种致命情况的警示。如果矿工未注意到这种危险的工作环境，继续挖掘煤矿床，从而煤矿会跟往常一样产生火花。最终，在迅速达到甲烷的最低爆炸极限后，就会在地下引发爆炸。配备个人露点（水蒸气）感应器的目的是矿工在开采（煤或其他矿物）过程中遇到地下储水池时，能探测到其工作区域空气中水蒸气的急剧上升，当所探测到的水蒸气压上升速率超过了一定的无法解释的高水准，则应立即警示矿工小心遇到地下“储水池”，从而留意到潜在的洪水危险，避免继续挖掘作业带来的事故，否则在矿工不知道他们挖到了储水池并继续挖掘的情况下，可能会发生洪水。一旦洪水真的发生，不仅是离洪水极近的工人会被溺亡，就连附件矿区的工人也可能会被溺亡。而且，部分或全部地下工作隧道的洪水以及随后的必要清理行动都会给受灾矿区带来沉重的财务负担。 

但是，目前使用的气体感应器，即便是基于非色散红外探测技术制造的非色散红外气体感应器，质量也不是很可靠，常常在使用一段时间后就会出现输出漂移，因此，为保证该非色散红外气体感应器的测量准确度以及灵敏度，往往每隔半年或者一年就需要进行重新校准维护服务，增加使用成本； 

第二、现有的非色散红外气体感应器尺寸太大 

非色散红外气体感应器在刚面世时，其长、宽、高三维尺寸都达数英寸，近几年，随着相关科学技术进步，其三维尺寸得到大幅缩减，但是，将这种非色散红外气体感应器应用于矿工开采过程中的气体监测用具来说，尺寸还是较大，还需进一步减小。为使其能够在矿工开采过程中得到广泛应用，应该将其尺寸缩减至拇指大小； 

第三、现有的非色散红外气体感应器造价太高 

40年前，一个非色散红外气体感应器（如医用CO2）可以卖到超过1万美元一个；直到二十世纪90年代早期，非色散红外气体感应器（如CO2）的销售单价才降到了500美元以下；如今，非色散红外气体感应器（如CO2）的销售 单价大约为200美元，表明该类感应器的单个生产成本已降到了50美元左右或更低。但是，将非色散红外气体感应器作为矿工开采过程中的气体监测用具来说，其造价仍然太高；对于该用途，非色散红外甲烷或露点（水蒸气）气体感应器的单个生产成本必须降到10美元以下。 

发明内容