王曉晨 寇昌斌 何啟彪 王潤琪 韓翊嬌

摘 要：多功能室內(nèi)掃描檢測儀設(shè)備，主要是針對室內(nèi)氧氣進行檢測，該儀器致力于老年人室內(nèi)氧氣檢測、地下工作、采礦、隧道、密室等工作，其內(nèi)部是將三維空間掃描技術(shù)、紅外成像技術(shù)、氧氣含量監(jiān)測技術(shù)集成在一起，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得出個人所能使用的氧氣含量的閾值，在接近危險數(shù)值時發(fā)出警報，能夠避免出現(xiàn)缺氧的問題，從而避免一些意外的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：掃描檢測;氧氣濃度;紅外成像;空間掃描

引言

氧氣是人們的生命之源。人們的一切活動都離不開氧氣。但是，正常人體只需要一定濃度的氧，氧的濃度過高或過低都對人有害。所以，在某些特定場所，需要使用氧氣檢測儀來檢測氧氣的濃度。本創(chuàng)新項目主要是氧氣濃度檢測報警儀設(shè)備，主要是針對室內(nèi)氧氣進行檢測，該儀器能夠致力于老年人室內(nèi)氧氣檢測、地下工作、采礦、隧道、密室等工作，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得出個人所能使用的氧氣含量的閾值，在接近危險數(shù)值時發(fā)出警報，避免出現(xiàn)缺氧的問題，從而避免一些意外的發(fā)生。將其應(yīng)用于市政工作、地下工作、采礦、隧道、密室等工作，最大程度降低缺氧的危險。也可應(yīng)用與醫(yī)療保健，供給呼吸，用于登山運動，潛水作業(yè)，醫(yī)療搶救等。

1 項目背景

目前用于檢測室內(nèi)環(huán)境中氧氣的濃度的氧氣檢測儀，一般由電化學(xué)或氧化物及半導(dǎo)體的氧氣檢測元件、電子部件和顯示部分等組成，由氧氣檢測元件將室內(nèi)環(huán)境空氣中氧氣濃度值轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過電路處理，并以濃度值顯示出來，有的儀器還具有氧氣濃度值對應(yīng)的電信號輸出功能，當(dāng)氧氣濃度測量值小于等于報警設(shè)定值時能自動發(fā)出聲、光、震動報警信號，警示現(xiàn)場人員盡快撤離危險區(qū)域?，F(xiàn)有的氧氣檢測儀僅能檢測室內(nèi)的氧氣濃度，而無法檢測室內(nèi)的氧氣含量，無論室內(nèi)的人數(shù)多少，當(dāng)檢測的氧氣濃度達(dá)到設(shè)定閾值時便報警，但影響人體感官的不僅是室內(nèi)的氧氣濃度，室內(nèi)的氧氣含量對人體也有一定的影響，當(dāng)測得的氧氣濃度值未達(dá)到設(shè)定閾值時，若室內(nèi)的人數(shù)較多時，仍存在著缺氧的問題，采用現(xiàn)有的僅能檢測濃度的氧氣檢測儀無法到達(dá)及時報警的目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本項目通過三維空間掃描系統(tǒng)掃描室內(nèi)的面積，通過紅外成像系統(tǒng)檢測室內(nèi)的生命體的個數(shù);通過氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)檢測室內(nèi)的氧氣濃度;微控制器根據(jù)三維空間掃描系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)的檢測結(jié)果得出個人所能使用的氧氣含量的閾值，得出室內(nèi)單人分得的氧氣總量，在接近危險數(shù)值時發(fā)出警報，通過設(shè)置的警報裝置提醒人氧氣含量過低及時給室內(nèi)補充氧氣，能夠避免出現(xiàn)室內(nèi)缺氧的問題。

本項目公開了多功能室內(nèi)掃描檢測儀，主要涉及室內(nèi)氧氣濃度監(jiān)測領(lǐng)域;包括微控制器、三維空間掃描系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、充電系統(tǒng)，所述三維空間掃描系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)均與微控制器信號連接，所述三維空間掃描系統(tǒng)用于掃描室內(nèi)的面積并將掃描結(jié)果發(fā)送至微控制器，紅外成像系統(tǒng)用于檢測室內(nèi)的生命體的個數(shù)并將檢測結(jié)果發(fā)送至微控制器。本項目將三維空間掃描技術(shù)、紅外成像技術(shù)、氧氣含量監(jiān)測技術(shù)集成在一起，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得出個人所能使用的氧氣含量的閾值，在接近危險數(shù)值時發(fā)出警報，能夠避免出現(xiàn)缺氧的問題。系統(tǒng)控制原理圖如圖一。

3 項目各系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1三維激光空間掃描技術(shù)

三維激光空間掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，作為20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項高新技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個點的（x.y.z）坐標(biāo)、反射率、（R.G.B）顏色等信息，由這些大量、密集的點信息可快速復(fù)建出1：1的真彩色三維點云模型，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。它具有快速性，效益高、不接觸性、穿透性、動態(tài)、主動性，高密度、高精度、數(shù)字化、自動化、實時性強等特點，很好的解決了目前空間信息技術(shù)發(fā)展實時性與準(zhǔn)確性的瓶頸。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光空間掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型，主要通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，大量的空間點位信息。是快速建立物體的三維影像模型的一種全新的技術(shù)手段。三維激光空間掃描技術(shù)使工程大數(shù)據(jù)的應(yīng)用在眾多行業(yè)成為可能。如工業(yè)測量的逆向工程、對比檢測;建筑工程中的竣工驗收、改擴建設(shè)計;測量工程中的位移監(jiān)測、地形測繪;考古項目中的數(shù)據(jù)存檔與修復(fù)工程等等。

3.2紅外成像技術(shù)

紅外成像技術(shù)是一項前途廣闊的高新技術(shù)。比0.78微米長的電磁波位于可見光光譜紅色以外，稱為紅外線，又稱紅外輻射。是指波長為0.78-1000微米的電磁波，其中波長為0.78-2.0微米的部分稱為近紅外，波長為2.0-1000微米的部分稱為熱紅外線。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測量目標(biāo)本身與背景間的紅外線差可以得到不同的熱紅外線形成的紅外圖像。目標(biāo)的熱圖像和目標(biāo)的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是表面溫度分布圖像。紅外熱成像使人眼不能直接看到表面溫度分布，變成可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。所有溫度在絕對零度（-273C）以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線。紅外線（或熱輻射）是自然界中存在最為廣泛的輻射，它還具有兩個重要的特性：（1）物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個特點使人們可以利用它來對物體進行無需接觸的溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，保護環(huán)境等方面提供了一個重要的檢測手段和診斷工具。（2）大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3～5微米和8-14微米的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個窗口，使人們在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場，清晰地觀察到前方的情況。由于這個特點，熱紅外成像技術(shù)在軍事上提供了先進的夜視裝備，并為飛機、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了非常重要的作用。

3.3氧氣濃度檢測技術(shù)

氧氣濃度檢測技術(shù)一般運用于氧氣檢測報警一體機，其適用于各種工業(yè)環(huán)境和特殊環(huán)境中的氧氣濃度連續(xù)在線檢測及現(xiàn)場聲光報警，對危險現(xiàn)場的作業(yè)安全起到預(yù)警作用，儀器采用進口電化學(xué)傳感器和微控制器技術(shù)，具有信號穩(wěn)定，精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點，防爆接線方式適用于各種危險場所。儀器兼容各種控制報警器、PLC、DCS 等控制系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)現(xiàn)場報警和遠(yuǎn)程監(jiān)控、報警功能。有獨特的紅外遙控功能，可非接觸操作維護儀器。氧氣檢測儀采用氧傳感器，氧傳感器感應(yīng)被測氣體氧濃度后輸出相應(yīng)電壓信號，經(jīng)處理后送入分析儀處理器，從而輸出和被測氣體氧濃度相對應(yīng)的4～20mA信號;如發(fā)生故障或報警，分析儀發(fā)出相應(yīng)的聲、光報警信號并輸出相應(yīng)的聯(lián)動控制信號。

4 氧氣檢測儀

氧氣檢測儀是一種氧氣濃度檢測的儀器儀表工具，主要是指便攜式/固定式氣體檢測儀。主要利用氧氣傳感器來檢測環(huán)境中存在的氧氣濃度，氧氣傳感器是用來檢測氧氣含量的傳感器。

4.1氧氣檢測儀理論

空氣和被測氣體通過擴散膜擴散到感應(yīng)電極上?？刂齐娐吩诟袘?yīng)電極和對電極之間維持一個足以開始電化學(xué)反應(yīng)的電壓。在被測氣體的作用下產(chǎn)生的電化反應(yīng)在兩極之間形成電流。這一電流的強度與被測氣體的濃度成比例，并且是可逆的。

控制電路還在感應(yīng)電極和參考電極之間形成偏置電平，這種電平在兩極之間不形成電流。傳感器的快速反應(yīng)使它能夠?qū)χ車諝膺M行實時、連續(xù)的檢測。

4.2氧氣濃度檢測參數(shù)

氧氣濃度檢測方法具有各自的優(yōu)勢和局限性。物理方法無配件或試劑損耗，可持續(xù)時間長，適用于氧氣濃度在線連續(xù)檢測，但是其易受外界環(huán)境干擾;化學(xué)方法需要利用電解質(zhì)或化學(xué)試劑來完成氧氣濃度檢測，檢測過程是持續(xù)消耗過程，儀器使用壽命受到限制，需要定期更換配件或試劑，但是其抗干擾能力強，一般用于精度要求較高的場所。因此，為了準(zhǔn)確測定氧氣濃度，根據(jù)使用需求和實際情況使用氧氣檢測儀收集到以下參數(shù)。

5 氧氣濃度檢測方法

5.1磁壓差法

磁壓差法是利用氣體在磁場中的壓力變化量作為參考量檢測氧氣濃度的一種方法， 當(dāng)樣氣進入磁場后， 氧氣分子會往磁場強度大的區(qū)域匯集， 所以樣氣的內(nèi)部壓力值會發(fā)生變化， 樣氣在磁場的不同位置會存在一定的壓力差。由公式：

（1）

式中， ?P代表樣氣的壓差， H代表磁場強度， U0代表真空磁導(dǎo)率， Km代表氣體的磁化率， Kt代表參比氣體的磁化率。可以看出， 樣氣的壓差與磁場強度的平方和樣氣的磁化率與參比氣體的磁化率的差值成正比例關(guān)系。又由體積磁化率公式：

（2）

式中， K1是樣氣中氧氣成分的磁化率， C1為樣氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。聯(lián)立式 （1） 和式 （2） 可得：

（3）

從式 （3） 中可以得出：混合氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)C1與氣體的壓差?P存在線性比例關(guān)系，從而對氧氣濃度進行測量。

6 技術(shù)先進性

現(xiàn)有的氧氣檢測儀技術(shù)僅能檢測室內(nèi)的氧氣濃度，而無法檢測室內(nèi)的氧氣含量，無論室內(nèi)的人數(shù)多少，當(dāng)檢測的氧氣濃度達(dá)到設(shè)定閾值時便報警，但影響人體感官的不僅是室內(nèi)的氧氣濃度，室內(nèi)的氧氣含量對人體也有一定的影響，當(dāng)測得的氧氣濃度值未達(dá)到設(shè)定閾值時，若室內(nèi)的人數(shù)較多時，仍存在著缺氧的問題，本項目提供多功能室內(nèi)掃描檢測儀，將三維空間掃描技術(shù)、紅外成像技術(shù)、氧氣含量監(jiān)測技術(shù)集成在一起，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得出個人所能使用的氧氣含量的閾值，在接近危險數(shù)值時發(fā)出警報，能夠避免出現(xiàn)缺氧的問題。

7 結(jié)語

該多功能室內(nèi)掃描儀可以為用戶提供，解決現(xiàn)有技術(shù)僅能監(jiān)測室內(nèi)氧氣濃度而不能檢測室內(nèi)氧氣含量問題。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得出在室內(nèi)個人所能使用的氧氣含量的閾值，在接近危險數(shù)值時發(fā)出警報。通過設(shè)置的警報裝置提醒人氧氣含量過低及時給室內(nèi)補充氧氣，有效避免了室內(nèi)缺氧問題。將三維空間掃描技術(shù)、紅外成像技術(shù)、氧氣含量監(jiān)測技術(shù)集合在一起，大大提高了監(jiān)測力度。從而能避免一些意外事故的發(fā)生。

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基金項目：

名稱氧氣濃度檢測報警儀 基金項目編號：X202113857026。