[发明专利]一种基于色散光谱分析与人工智能的气体检测方法及装置

说明书

本发明公开了一种根基于色散光谱分析与人工智能的气体检测方法及装置，包括光源、第一聚光镜、检测气室、第二聚光镜、色散元件、感光元件及微控制单元，其中，检测气室用于密封待测气体；光源用于发出被待测气体特征吸收和折射的光；第一聚光镜用于调直光源所发出的光，第二聚光镜用于调直透过检测气室的光；色散元件用于将检测气室透过的光色散；感光元件用于将光信号转换为图像信号；微控制单元用于接收感光元件的图像信号，对图像信号综合计算，得到待测气体的浓度结果。本发明同时可检测多种气体，稳定性高；测量精度高，响应时间快；充分考虑水汽、粉尘、气压、温度的影响；无需调校；结构简单，成本较低；功耗低；易于小型化。

技术领域

本发明涉及气体浓度分析领域，具体涉及一种基于色散光谱分析与人工智能的气体检测方法及装置。

背景技术

煤炭是我国重要的基础能源,占全国一次能源消费的70％左右,在国民经济中具有重要的战略地位，改革开放以来,煤炭工业取得了长足发展,产量持续增长,生产技术水平逐步提高,安全生产条件有所改善,但仍然存在着增长方式粗放、安全事故多发等问题,特别是安全事故多发问题令人关注和痛心。在安全事故产生原因中，其中有很大的占比与气体环境相关,主要是空气中有毒有害气体浓度超标以及氧气量不足等，我国煤矿事故总量过高,其中瓦斯事故比例高,人员伤亡大,在特大事故中80％以上是瓦斯事故,因瓦斯事故造成的死亡人数占事故总死亡人数的近1/3。因此,预防瓦斯事故是我们工作的重中之重。瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。有时单独指甲烷。它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。瓦斯气体无色、无味。瓦斯难溶于水,不助燃也不能维持呼吸,达到一定浓度时,能使人因缺氧而窒息,并能发生燃烧或爆炸。瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。由于甲烷气体直接威胁矿井安全生产和矿工生命安全，所以检测甲烷在空气中的体积浓度,以掌握井下瓦斯情况,防止瓦斯事故的发生尤为重要。目前，应用于矿山的甲烷传感器从探头的原理上主要分为下面几类：

催化燃烧利用元件测量在其表面甲烷燃烧反应放出的热量的原理，即燃烧使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值就上升。测量铂丝电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。由于采购成本低，催化原理甲烷传感器现在目前在煤矿领域使用最为广泛。但是有以下不足:可以对大部分的可燃气体产生响应；至少在8-10％的氧气环境下才能正常工作；容易引起传感器的中毒和抑制；高浓度气体容易对传感器造成损坏，量程一般为0～4％Vol；需要定期标校；使用寿命短；探头功耗大。

红外吸收利用甲烷气体分子对特定波长的红外光吸收原理，光谱吸收量与浓度呈线性关系，通过测量光谱吸收量得出气体浓度。红外甲烷传感器价格适中，并具备以下优点：不会中毒和抑制；不受氧气浓度的影响；不会待高浓度可燃气损坏；使用寿命较长一般在2～3年。

不足：除了容易受到热变化、压力变化的影响以外，由于滤光片无法精确的滤出气体检；测的波长的光，而是保留一段波长范围的光，并且也包含了水汽的吸收光谱，所以红外甲烷传感器在测量时，易受水汽的干扰。从近年在矿山实际推广的红外甲烷传感器使用情况来看，水汽干扰易影响到其准确性；虽然有采取去除水汽方法或补偿算法，但是效果仍不理想。

激光光谱以激光器为红外光谱发射源，采用可调谐激光光谱技术(TDLAS)精确控制激光波长，利用甲烷气体分子对特定波长的红外光吸收原理，光谱吸收量与浓度呈线性关系，通过测量光谱吸收量得出气体浓度，其具备以下优点:稳定性极高；测量精度高，响应时间快；不受其他气体和水汽的影响；不会中毒和抑制；不受氧气浓度的影响；调校周期长；使用寿命长；缺点：价格贵，影响大规模推广。

光干涉式甲烷传感器基于光干涉原理，利用不同浓度甲烷对气体折射率影响的不同，产生干涉条纹的移动，通过测量该干涉条纹的移动量得到当前甲烷浓度值。具备以下优点：测量数据稳定检测范围广使用期限长无易损原件，

缺点：易受环境温度影响；易受氧气浓度影响；易受水汽影响；易受气压影响；影响因素存在非线性关系，难于补偿。