便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀，包括設(shè)置于檢測區(qū)左右兩側(cè)的分析系統(tǒng)和反射系統(tǒng)，分析系統(tǒng)包括由左至右依次設(shè)置的反射鏡、第一準(zhǔn)直擴束透鏡和第二準(zhǔn)直擴束透鏡，反射鏡、第一準(zhǔn)直擴束透鏡、第二準(zhǔn)直擴束透鏡與反射系統(tǒng)光束入射部分處于同一條光路上，分析系統(tǒng)還包括由左至右設(shè)置的接收光纖頭和聚焦透鏡，接收光纖頭、聚焦透鏡與反射系統(tǒng)光束出射部分處于同一條光路上，接收光纖頭依次連接有光譜分析儀和計算機；分析系統(tǒng)還包括紫外特種光源；檢測區(qū)位于第二準(zhǔn)直擴束透鏡的出射光路和反射系統(tǒng)的入射光路之間。本實用新型實現(xiàn)對有毒有害氣體成分及濃度的快速、非接觸、大范圍檢測。
【專利說明】
便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及一種遙感儀，更具體的說，是涉及一種便攜式消防應(yīng)急救援多氣 體快速遙感儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，石油化工新產(chǎn)品、新材料層出不窮，品種不斷增加， 應(yīng)用范圍日益擴大，大大改善和提高了人們的生活水平，但同時也導(dǎo)致危險化學(xué)品災(zāi)害事 故隨之增加。危險化學(xué)品災(zāi)害事故是指人們在危險化學(xué)品生產(chǎn)、運輸、儲存、使用過程中，由 于設(shè)計缺欠、違章操作和設(shè)備故障等原因，而引起的危險化學(xué)品外泄，造成環(huán)境污染、燃燒 爆炸、人員傷亡等嚴(yán)重后果的事故。且由于危險化學(xué)品的易蒸發(fā)、沸點低等特性，事故現(xiàn)場 存在大量有毒有害氣體。公安消防部隊承擔(dān)著火災(zāi)撲救、重大災(zāi)害事故和其他以搶救人員 生命為主的應(yīng)急救援工作。由于石油化工產(chǎn)品種類繁多，物理、化學(xué)性質(zhì)各異，因而不同化 學(xué)災(zāi)害事故的處置方法和程序也不相同。但是，危險化學(xué)品泄漏事故現(xiàn)場基本都存在大量 有毒有害氣體。危險化學(xué)品災(zāi)害事故應(yīng)急救援的危險性高，消防官兵在參與化學(xué)災(zāi)害事故 救援時，稍有失誤就容易造成自身傷害。根據(jù)對近年來25起消防官兵在危險化學(xué)品災(zāi)害事 故救援中造成自身傷亡的案例進(jìn)行分析、研究，平均每起危險化學(xué)品災(zāi)害事故應(yīng)急救援時 消防員死亡的概率是滅火救援、社會救助等救援行動的1120000倍，受傷的概率是滅火救 援、社會救助等救援行動的3386667倍。在這些案例中，經(jīng)常會發(fā)生突然的有毒有害氣體爆 炸事故，而有毒有害氣體爆炸事故造成消防員傷亡的案例中，情況偵查不到位的占70%以 上。偵查不到位主要表現(xiàn)為對事故現(xiàn)場的有毒有害氣體成分無法識別，或?qū)σ宰R別的有毒 有害氣體濃度無法測量，導(dǎo)致現(xiàn)場參加應(yīng)急救援的消防員對有毒有害氣體種類危險性認(rèn)識 不足，缺乏必要的安全防范措施，有毒有害氣體泄露時倉惶應(yīng)對，導(dǎo)致現(xiàn)場消防員傷亡比較 大。如何盡快在不接觸的情況下檢測危險化學(xué)品災(zāi)害事故中多種有毒有害氣體成分及濃 度，是消防部門在事故救援時急需解決的難題。
[0003] 目前，國內(nèi)外消防救援設(shè)備中的便攜式氣體檢測儀器大多采用電化學(xué)傳感器，可 同時檢測1-6種類型的氣體，相對于其他類型氣體傳感器，電化學(xué)傳感器體積小、耗電量小、 重復(fù)性較好、壽命較長，是目前消防救援中較為常見的檢測有毒有害氣體檢測元件。但是存 在可檢測的種類比較少，靈敏性不高等缺點，且不能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離(不接觸)檢測。2006年5月 18日，湖北省宜昌市漢宜高速公路宜昌枝江段發(fā)生一起汽車連環(huán)相撞事故，導(dǎo)致一輛裝有 硫酸二甲酯[(CH3)2S04]的罐車發(fā)生泄漏，造成5人死亡，12人受傷，44人中毒。現(xiàn)場參加救 援的消防員用消防部隊配備的有毒氣體、可燃?xì)怏w探測儀多次檢測，均不能查明現(xiàn)場泄漏 物質(zhì)名稱、濃度和危害特點，導(dǎo)致5名消防員在事故處置中中毒受傷。國外一些著名廠商(如 美國英思科公司）大力發(fā)展便攜式氣體檢測儀器，應(yīng)用無線聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)實時 6種氣體檢測;為了適應(yīng)多氣體的檢測，國內(nèi)外一些廠家進(jìn)行了便攜式紅外光譜法的檢測儀 器，根據(jù)數(shù)據(jù)庫分析可同時檢測上百種氣體成分，同時便攜式氣相色譜、氣體檢測管等檢測 技術(shù)也廣泛應(yīng)用到氣體檢測裝備中。在這些消防救援氣體檢測設(shè)備中，存在的共同缺點是 都要進(jìn)入危險化學(xué)品泄漏區(qū)域進(jìn)行檢測，這無疑增加了救援人員的危險性。同時在這些檢 測設(shè)備中，除了電化學(xué)檢測方法簡單外，其他像紅外光譜法檢測技術(shù)大多需要專門的技術(shù) 和經(jīng)驗來操作，這無疑增加了維護(hù)費用，在人員流動性極大的消防部隊，這些設(shè)備的維護(hù)和 使用增加了消防部隊的使用難度。泄漏的化學(xué)品，由于沸點低、揮發(fā)性大，有的在常溫常壓 下就是氣體，泄漏后很快形成高濃度氣霧團，在有風(fēng)的情況下，會快速隨風(fēng)向擴散，針對上 述突發(fā)性強、擴散速度快的特點，應(yīng)急救援指揮人員必須實時動態(tài)的掌握整個泄漏區(qū)域擴 散分布，以隨時調(diào)整救援方案，但上述所有這些檢測儀器只能檢測攜帶人員周圍很小的點 范圍，無法實現(xiàn)整個區(qū)域的監(jiān)控和檢測。
[0004] 綜上所述，危險化學(xué)品災(zāi)害事故中對有毒有害氣體的定性、定量檢測在消防救援 領(lǐng)域極其重要。目前沒有人提出非接觸式多氣體成分及濃度的氣體檢測設(shè)備，且當(dāng)前的氣 體成分檢測設(shè)備只能檢測攜帶人員周圍很小的點范圍，無法滿足消防救援的需求，由此可 以看出，設(shè)計一種非接觸式多氣體成分及濃度的便攜式氣體檢測設(shè)備及方法是當(dāng)前減少消 防部隊傷亡，提高消防救援戰(zhàn)斗力的裝備急需。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種便攜式消防應(yīng)急救援 多氣體快速遙感儀，利用差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)，實現(xiàn)對事故現(xiàn)場的有毒有害氣體成分及 濃度的快速、非接觸、大范圍檢測。
[0006] 本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007] 本實用新型的便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀，包括設(shè)置于檢測區(qū)左右兩 側(cè)的分析系統(tǒng)和反射系統(tǒng)，所述分析系統(tǒng)包括由左至右依次設(shè)置的反射鏡、第一準(zhǔn)直擴束 透鏡和第二準(zhǔn)直擴束透鏡，所述反射鏡、第一準(zhǔn)直擴束透鏡、第二準(zhǔn)直擴束透鏡與反射系統(tǒng) 光束入射部分處于同一條光路上，所述分析系統(tǒng)還包括由左至右設(shè)置的接收光纖頭和聚焦 透鏡，所述接收光纖頭、聚焦透鏡與反射系統(tǒng)光束出射部分處于同一條光路上，所述接收光 纖頭依次連接有光譜分析儀和計算機;所述分析系統(tǒng)還包括紫外特種光源;所述檢測區(qū)位 于第二準(zhǔn)直擴束透鏡的出射光路和反射系統(tǒng)的入射光路之間。
[0008] 所述反射系統(tǒng)由角錐棱鏡構(gòu)成。
[0009] 所述反射鏡為拋物面反射鏡。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：
[0011] (1)本實用新型中，紫外特種光源作為系統(tǒng)差分吸收光譜技術(shù)的光源，具有穩(wěn)定性 高、壽命長、波長范圍寬等特點，滿足設(shè)計要求；
[0012] (2)本實用新型中，反射鏡、第一準(zhǔn)直擴束透鏡、第二準(zhǔn)直擴束透鏡與反射系統(tǒng)光 束入射部分處于同一條光路上，反射鏡可以提高系統(tǒng)信號強度，第一準(zhǔn)直擴束透鏡和第二 準(zhǔn)直擴束透鏡可將匯聚的紫外光整形成方向性統(tǒng)一的均勻紫外光束；
[0013] (3)本實用新型中分析系統(tǒng)和反射系統(tǒng)設(shè)置于檢測區(qū)的兩側(cè)，采用非接觸式的遙 感方法，避免了檢測人員與有毒有害氣體的接觸，極大程度的增加了檢測區(qū)域的范圍。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 附圖標(biāo)記：1分析系統(tǒng);2反射系統(tǒng);3檢測區(qū)；11反射鏡；12第一準(zhǔn)直擴束透鏡；13第 二準(zhǔn)直擴束透鏡；14紫外特種光源；15聚焦透鏡；16接收光纖頭；17光譜分析儀；18計算機； 21角錐棱鏡。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的描述。
[0017] 如圖1所示，本實用新型的便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀，包括設(shè)置于檢 測區(qū)3左右兩側(cè)的分析系統(tǒng)1和反射系統(tǒng)2,所述反射系統(tǒng)2為無源器件，實現(xiàn)對紫外光束的 準(zhǔn)確反向功能，所述反射系統(tǒng)2由角錐棱鏡21構(gòu)成。所述分析系統(tǒng)1包括由左至右依次設(shè)置 的反射鏡11、第一準(zhǔn)直擴束透鏡12和第二準(zhǔn)直擴束透鏡13,所述反射鏡11設(shè)置有拋物面，所 述反射鏡11、第一準(zhǔn)直擴束透鏡12、第二準(zhǔn)直擴束透鏡13與反射系統(tǒng)2光束入射部分處于同 一條光路上。所述分析系統(tǒng)1還包括由左至右設(shè)置的接收光纖頭16和聚焦透鏡15,所述接收 光纖頭16、聚焦透鏡15與反射系統(tǒng)2光束出射部分處于同一條光路上。所述接收光纖頭16可 通過光纖與光譜分析儀17的輸入端相連接，所述光譜分析儀17輸出端連接有計算機18。所 述檢測區(qū)3僅位于第二準(zhǔn)直擴束透鏡13的出射光路和反射系統(tǒng)2的入射光路之間。所述反射 鏡11附近設(shè)置有光源，所述光源可選用紫外特種光源14。
[0018] 所述分析系統(tǒng)1的主要功能為發(fā)射和接受紫外光束、對含有氣體信息的紫外光束 進(jìn)行分析并輸出結(jié)果。所述紫外特種光源14作為系統(tǒng)差分吸收光譜技術(shù)的光源，具有穩(wěn)定 性高、壽命長、波長范圍寬等特點，滿足設(shè)計要求。所述反射鏡11用于將紫外特種光源14發(fā) 出的散射紫外光匯聚到第一準(zhǔn)直擴束透鏡12,以提高系統(tǒng)信號強度。所述第一準(zhǔn)直擴束透 鏡12與第二準(zhǔn)直擴束透鏡13,用于將反射鏡11匯聚的紫外光整形成方向性統(tǒng)一的均勻紫外 光束，用于檢測。所述聚焦透鏡15用于匯聚由反射系統(tǒng)2反射回來的帶有氣體信息的反向紫 外光束，以便接收光纖頭16進(jìn)行接收。所述接收光纖頭16與光纖連接，用于接收由聚焦透鏡 15匯聚的反向紫外光，并將紫外光送入光纖，所述光纖與光譜分析儀17輸入端連接，采用單 模光纖，用于將帶有氣體信息的反向紫外光送入光譜分析儀17。所述光譜分析儀17輸出端 與計算機18連接，用于分析反向紫外光，提取出帶有氣體信息的吸收強度與吸收波長。所述 計算機18用于對提取出的吸收強度與吸收波長進(jìn)行分析計算，得出氣體的成分及濃度結(jié) 果，并進(jìn)行顯示。所述反射系統(tǒng)2用于將穿過檢測區(qū)3的紫外光束反射回分析系統(tǒng)1。所述角 錐棱鏡21用于反射紫外光束。
[0019] 上述便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀的檢測方法，包括以下步驟：
[0020] (1)估計出檢測區(qū)3范圍（即出事故現(xiàn)場有毒有害氣體的擴散范圍），確定出危險地 帶，將分析系統(tǒng)1和反射系統(tǒng)2分別設(shè)置于檢測區(qū)3的兩側(cè)。打開電源，利用目標(biāo)指示單元將 分析系統(tǒng)1和反射系統(tǒng)2之間進(jìn)行對準(zhǔn)，所述目標(biāo)指示單元采用國產(chǎn)的紅外及可見目標(biāo)指示 及控制單元，用于分析系統(tǒng)1和反射系統(tǒng)2之間的對準(zhǔn)，能夠排除現(xiàn)場的復(fù)雜和惡劣狀況，準(zhǔn) 確地對準(zhǔn)反射系統(tǒng)2,并根據(jù)得到的反射回的紅外指示信號光譜將分析系統(tǒng)1和反射系統(tǒng)2 調(diào)整至最佳測量狀態(tài)。
[0021] (2)關(guān)閉目標(biāo)指示單元，開啟紫外特種光源14,進(jìn)行檢測，紫外特種光源14發(fā)出紫 外光，所述紫外光通過反射鏡11匯聚至第一準(zhǔn)直擴束透鏡12,經(jīng)第二準(zhǔn)直擴束透鏡13輸出 方向統(tǒng)一的均勻紫外光束，所述紫外光束穿過檢測區(qū)3,根據(jù)物質(zhì)對電磁輻射的吸收現(xiàn)象， 物質(zhì)的吸收特性與輻射的能量有關(guān)，而且每一種物質(zhì)對于輻射的吸收是有其特征性的。即 每一種物質(zhì)都有各自的特征吸收光譜，且吸收強度與物質(zhì)濃度有關(guān)。所以經(jīng)過檢測區(qū)3的紫 外光束會含有氣體的特征吸收波長及吸收強度的信息，含有氣體信息的紫外光束經(jīng)反射系 統(tǒng)2被反射回分析系統(tǒng)1，通過聚焦透鏡15匯聚到接收光纖頭16。
[0022] (3)所述接收光纖頭16接收到的紫外光束經(jīng)過光纖送入光譜分析儀17,由光譜分 析儀17計算出吸收強度和吸收波長。
[0023] (4)光譜分析儀17將計算出的吸收強度和吸收波長以電信號傳送給計算機18,利 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析計算軟件計算出氣體成分及濃度，通過顯示端進(jìn)行顯示。所述神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)模型分析計算軟件的建立，包括以下步驟:在計算機中建立多危險氣體的紫外吸收光譜 數(shù)據(jù)庫和多危險氣體危險程度預(yù)測數(shù)據(jù)庫;利用小波分析的辦法和Lambert-Beer定律，建 立具有自我學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析計算軟件。所述氣體成分及濃度分析計算步驟： 第一步，從原始的絕對吸收光譜中提取差分吸收光譜，運用最佳擬合法來擬合吸收峰，確定 第一種危險氣體的初值，然后從原始光譜中去掉第一次擬合的譜線;第二步，用與第一步同 樣的方法來擬合出第二種危險氣體的譜線，從而確定出第二種危險氣體的初值，然后從原 始光譜中去掉第二次擬合的譜線；依次循環(huán)，獲取第i種危險氣體的譜線。然后利用 Lambert-Beer定律計算出氣體濃度。
[0024] (5)根據(jù)建立的多危險氣體危險程度預(yù)測數(shù)據(jù)庫對檢測出的氣體成分及濃度進(jìn)行 危險程度識別，并給出參考救援實施方案。
[0025]根據(jù)Lambert-Beer定律，一定波長的光在經(jīng)過具有選擇吸收特性的氣體前后的光 強關(guān)系為：
[0026]
[0027] 其中：
[0028] I (λ):波長為λ的紫外光線被氣體吸收后的光強；
[0029] Ιο(λ):波長為λ的紫外光線被氣體吸收前的光強；
[0030] αλ:氣體對波長為λ的紫外光線吸收系數(shù)；
[0031] C:氣體濃度；
[0032] L:紫外光線經(jīng)過吸收氣體的長度。
[0033] 因此如果已知1(人）、1〇(\)、<^和1^，就可以計算出氣體濃度，通過比對已知的不同氣 體的特征吸收波長，辨別出氣體的成分，最后將分析計算出的氣體成分及濃度進(jìn)行顯示。 [0034] 本實用新型可以達(dá)到的指標(biāo)：檢測范圍：0-1 OOm;準(zhǔn)確性：± 10 % ;響應(yīng)速度：< l〇s ;可測量危險氣體:氨氣、苯、甲苯、二甲苯、二硫化碳、甲醛、硫化氫、一氧化氮、二氧化 氣、^氧化硫等。
[0035]盡管上面結(jié)合附圖對本實用新型的功能及工作過程進(jìn)行了描述，但本實用新型并 不局限于上述的具體功能和工作過程，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制 性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權(quán)利要 求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護(hù)之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀，其特征在于，包括設(shè)置于檢測區(qū)左右 兩側(cè)的分析系統(tǒng)和反射系統(tǒng)，所述分析系統(tǒng)包括由左至右依次設(shè)置的反射鏡、第一準(zhǔn)直擴 束透鏡和第二準(zhǔn)直擴束透鏡，所述反射鏡、第一準(zhǔn)直擴束透鏡、第二準(zhǔn)直擴束透鏡與反射系 統(tǒng)光束入射部分處于同一條光路上，所述分析系統(tǒng)還包括由左至右設(shè)置的接收光纖頭和聚 焦透鏡，所述接收光纖頭、聚焦透鏡與反射系統(tǒng)光束出射部分處于同一條光路上，所述接收 光纖頭依次連接有光譜分析儀和計算機;所述分析系統(tǒng)還包括紫外特種光源;所述檢測區(qū) 位于第二準(zhǔn)直擴束透鏡的出射光路和反射系統(tǒng)的入射光路之間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀，其特征在于，所述反 射系統(tǒng)由角錐棱鏡構(gòu)成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式消防應(yīng)急救援多氣體快速遙感儀，其特征在于，所述反 射鏡為拋物面反射鏡。
【文檔編號】G01N21/33GK205538661SQ201620312446
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】徐德剛, 馮佳琛, 石嘉, 王與燁, 嚴(yán)德賢, 蘇耿華, 姚建銓
【申請人】天津大學(xué)