一种基于复合传感器的航空煤油浓度检测方法及装置
阅读说明：本技术 一种基于复合传感器的航空煤油浓度检测方法及装置 (Aviation kerosene concentration detection method and device based on composite sensor ) 是由 包新月 汪箭 朱霁平 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于复合传感器的航空煤油浓度检测方法及装置,具有高响应速度、高灵敏度、抗干扰性小和检测数据准确可靠的特点,设计了基于复合传感器的煤油浓度便携式预警装置,包括以下检测步骤组成,步骤一、利用传感器检测单元对煤油浓度进行同步检测,实现半导体传感器模组和红外传感器模组同步的对煤油蒸汽进行检测,步骤二、利用复合判定单元对感器检测单元的结果进行判定输出,实现对煤油蒸汽快速响应的同时得到高精度的检测数据,步骤三、一体化预警单元通过与复合判定单元的数据传输,实现煤油浓度信息实时监测和预警。本发明综合复合传感设计与判定技术,结合预警单元,实现了应用于航空煤油运输渠道中的便携式预警装置。(The invention discloses an aviation kerosene concentration detection method and device based on a composite sensor, which have the characteristics of high response speed, high sensitivity, small anti-interference performance and accurate and reliable detection data. The portable early warning device is applied to aviation kerosene transportation channels by integrating composite sensing design and judgment technology and combining the early warning unit.)
技术领域
本发明涉及航空煤油浓度检测的技术领域，具体涉及一种基于复合传感器的航空煤油浓度检测方法及装置。
背景技术
航空煤油是一种石油产品，主要由不同馏分的烃类化合物组成，其密度适宜，热值高，燃烧性能好，在航空航天领域得到了广泛的应用,可作为活塞式直喷发动机的燃料,或作为替代燃料用于柴油发动机中。同时航空煤油是一种具有一定的蒸发性和极高燃烧热值的燃料，它在储藏、运输过程中，其蒸汽与空气的混合物一旦遇明火或一定的诱发能量将极易发生燃烧爆炸事故，从而造成极大的人员伤亡和财产损失，煤油泄漏检测技术的研究对于航空事业的发展有着非常重要的意义。航空煤油包含链烷烃(直链烷烃与支链烷烃)、环烷烃以及芳香烃等成百上千种组分，组成成分复杂，如果通过传统的化学成分对其进行检测，则需要耗费大量的时间和人力，仪器配套的耗材种类繁多，导致数据采集的成本过高也难以达到及时响应航空煤油浓度的要求；同时航空煤油对人体有麻醉和刺激作用，高浓度吸入时，表现为头痛、乏力、甚至昏迷等症状，检测时间不宜过长。为了更好预防航空煤油在运输和存贮的过程中因泄漏引起的事故，需要一种新的检测方法以替换人工检测，同时确保对泄漏的航空煤油浓度数据获取的高时效性、高安全性与高精度性。
传感器是一种高精度检测仪器，在航空煤油检测中具有重要应用价值。现存方案一，通过差分式电容传感器针对燃料箱底部的油液的介电常数进行检测，当发生泄漏时油液的介电常数会发生变化，该方案的主要针对于飞机飞行中燃油室内的液体煤油泄漏，不适用于煤油在存储以及运输中其他形式的泄漏，并且介电常数受温度影响。现存方案二，通过空气中挥发的多碳烷烃的浓度的微弱变化引起热导传感器输出的电信号发生改变，把热导传感器输出的微弱信号放大滤波给单片机进行线性化处理后即可得对应的煤油蒸汽浓度值，该方案的劣势是易产生温漂和零漂，会影响整个测量信号的准确度导致测量结果出现误差。现存方案三，由于煤油中含有丙烷,通过碳氢化合物传感器采集空气中丙烷浓度,如果采集到的丙烷浓度超出预先设定的阀值,则说明周围发生了煤油泄漏。基于对传感器原理的分析，目前单一的传感器很难同时达到响应迅速、高检测灵敏度和抗干扰的特性。为了更精准快速的对泄漏的航空煤油浓度进行检测，需要综合多种传感器进行复合判断，在快速响应的同时也能给出精准的计量数据。
航空煤油运输方式通常包括铁路运输、公路运输、管道运输、油轮运输，其中铁路运输与公路运输因其自身投资小，运输灵活、及时等特点成为国内众多小型机场主要采用的运输方式，一般铁路和公路沿线人口分布较为密集，一旦发生油品泄漏事故将对沿线近距离居民区及交通人群能会造成极大的人员伤亡和财产损失，需要一种专门用于铁路公路运输的航空煤油浓度预警装置以预防重大事故发生。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于复合传感器的航空煤油浓度检测方法及装置，具备快速识别检测、准确分析判定的优点，实现了对航空煤油蒸汽的实时监测与分级报警。
本发明技术解决方案：
一种基于复合传感器的航空煤油浓度检测方法，包括以下内容：
步骤1：利用传感器检测单元对煤油蒸汽浓度进行同步检测；所述传感器检测单元是指半导体传感器模组和红外传感器模组；所述同步检测是指两种不同传感器模组同步对煤油蒸汽进行检测；
步骤2：利用复合判定单元对传感器检测单元的结果进行判定输出，所述复合判定单元实现对传感器检测单元的传感器信号进行采集和复合判定，实现对煤油浓度快速响应的同时给出精准的计量数据；
步骤3：一体化预警单元通过与复合判定单元的数据传输实现预警，所述一体化预警单元实现煤油蒸汽浓度的实时显示和分级预警，所述分级预警是指根据爆炸极限设定的不同程度的报警方式；
所述传感器检测单元包括：半导体传感器模组和红外传感器模组；半导体传感器模组通过在MEMS微型板上发展微纳米薄膜，是基于MEMS微型加热器的微纳米薄膜型气敏传感器，煤油蒸汽通过半导体传感器模组，煤油蒸汽浓度微弱的变化使微纳米薄膜型气敏传感器电阻值产生相应的振荡，通过振荡频率来获得传感器的阻值检测当前煤油蒸汽浓度；红外传感器模组是基于NDIR红外吸收原理的气体传感器，包括针对煤油蒸汽制定的对C-H键吸收效应明显的光源、光学腔体、双通道探测器和微处理器，当对光源通过一定长度光学腔体吸收后，由基于NDIR红外吸收原理的气体传感器监测透过的光源强度,以此表示煤油蒸汽的浓度，微处理器进行信号采集、处理和输出，同时内置温度传感器，可进行温度补偿，可进一步提升传感器的检测精度。
所述复合判定单元实现双模复合传感器信号采集和复合判定；所述双模复合传感器信号采集包括：半导传感器模组信号采集和红外传感器模组信号采集。
所述一体化预警单元包括：主控芯片、报警模块、LCD模块、供电模块；主控芯片选择超低功耗微控制器其内部集成A/D转换器、LCD驱动，实现对处理单元信号的数据处理和其他模块的功能控制；所述其他模块包括传感器检测单元和复合判定单元；所述报警模块由LED报警灯、蜂鸣器、振动器构成，具有声、光、震三重报警，电蜂鸣器采用无源蜂鸣器，振动器采用小型纽扣震动器；所述LCD模块包括按键模块和背光检测模块，按键模块实现不同工作状态的多种功能，背光检测模块负责检测环境光强；供电模块采用锂电池，负责为各个模块持续供电，所述各个模块包括报警模块、LCD模块、供电模块。
所述步骤2和步骤3中，复合判定单元还获取传感器检测单元的信号数据进行复合判定，利用复合判定单元与一体化预警单元的数据传输实现分级预警；所述信号数据包括半导体传感器模组和红外传感器模组的信号数据。
所述步骤1中，利用传感器检测单元对煤油浓度进行同步检测的过程为：
(1)半导体传感器模组检测过程：半导体传感器由加热器和MEMS传感器组成，加热器被建模为一个电阻，通过流过的电流和耗散功率提高温度，一旦加热器通过加热电压提供到设定的高温工作环境，当环境中煤油蒸汽浓度发生变化时，利用振荡原理，使气体传感器的电阻值产生相应的振荡，并通过振荡频率来获得传感器的阻值和此时煤油蒸汽的浓度。
(2)红外传感器模组检测过程：基于NDIR红外吸收原理的气体传感器采用对C-H键吸收效应明显的光源，通过一定长度的光学腔体吸收和滤光片后，由双通道红外探测器监测透过滤光片红外光的强度，微处理器进行信号采集、处理最终输出煤油蒸汽浓度。
所述步骤2中，利用复合判定单元对传感器检测单元的结果进行判定输出的过程为：
首先对传感器检测单元进行信号采集，再通过复合判定单元中的处理电路对采集后的数据进行复合判定、输出。所述信号采集包括半导体传感器模组信号和红外传感器模组信号。
所述步骤3中，通过复合判定单元与一体化预警单元的数据传输实现预警如下：
由复合判定检测单元输出的信号经过一体化预警单元的传感器信号采集放大模块进行放大，传递给主控芯片进行AD转换；主控芯片将AD值换算为煤油蒸汽浓度后由LCD模块实时显示，再将转化后的煤油蒸汽浓度与一级预警的阈值和二级预警的阈值进行对比，通过主控芯片的I/O口实现对蜂鸣器、振动器、LED报警灯的控制。
所述LCD模块实现对煤油蒸汽浓度的实时显示，同时具有蜂鸣器、振动器、LED报警灯多个图标显示当前的工作状态，包括按键模块和背光检测模块，所述按键模块通过扫描按键按下的时间长短，配合当前工作状态实现多种功能；所述背光检测模块主要负责检测环境光的强弱，由感光元件和电阻构成，感光器把环境中的光线强度转化为电信号，经电阻放大后由主控芯片进行AD转换，同阈值比较判断环境光的强弱，在弱光下根据按键模块或报警模块的输出快速点亮背光灯，强光下，自动熄灭背光灯。所述蜂鸣器采用无源蜂鸣器，可发出高、中、低的声音，实现不同声调的分级报警；所述振动器采用小型纽扣震动器；所述LED报警灯可发出红色与黄色的光。
所述一级预警的阈值和二级预警的阈值根据煤油蒸汽的爆炸下限(LEL)设定，一级预警的阈值设定为25％LEL，一级预警的阈值设定为50％LEL；一级预警采用LED报警灯蜂鸣器联合报警，LED报警灯黄灯闪烁，蜂鸣器发出中音；二级预警采用LED报警灯、蜂鸣器、震动器联合报警，LED报警灯红闪烁，蜂鸣器发出高音，振动器持续震动，可通过按键模块停止报警。
在混合室中由浓度从低到高充入煤油蒸汽，进行点火实验，取一体化检测单元和复合判定单元检测发生爆炸前最大未发爆炸的煤油蒸汽浓度与最小发生爆炸时的煤油蒸汽浓度的平均值Li，i表示实验次数，并重复点火实验并记录每次的Li(L1,L2,L3...Ln)，经过n次实验之后，爆炸下限LEL的取值为(L1+l2+...Ln)/n，所述点火实验的过程为：
首先在气体发生装置中加入一定量的航空煤油，然后通过在发射装置外部加热，使装置中的航空煤油产生部分蒸汽，通过分压配气的方式，分别在混合室和激波管中冲入气体发生装置中的煤油蒸汽，再开启阀门通入一定量的空气，开启循环泵循环20min使混合室和激波管内气体混合均匀，在激波管连接点火器进行点火起爆实验，并通过一体化检测单元和复合判定单元检测混合室中的煤油浓度数据。
本发明提出一种基于传感器的航空煤油浓度检测装置，由传感器检测单元和复合判定单元进行复合判定，结合一体化预警单元传输实现快速响应的同时给出精准的浓度数据，并设计了一种针对航空煤油运输的渠道中实时监测和预警的便携式装置；所述航空煤油运输的渠道包括铁路、公路、管道、游轮等运输工具。
所述传感器检测单元包括：半导体传感器模组和红外传感器模组；半导体传感器模组通过在MEMS微型板上发展微纳米薄膜，是基于MEMS微型加热器的微纳米薄膜型气敏传感器；红外传感器模组是基于NDIR红外吸收原理的气体传感器，由C-H键吸收效应明显的光源、光学腔体、双通道探测器、窄带滤光片和微处理器构成。
所述复合判定单元实现双模复合传感器信号采集和复合判定；所述双模复合传感器信号采集包括：半导传感器模组信号采集和红外传感器模组信号采集。
所述一体化预警单元包括：传感器信号采集放大模块、主控芯片、报警模块、LCD模块、供电模块；主控芯片选择超低功耗微控制器其内部集成A/D转换器、定时器、串口模块、LCD驱动，实现对处理单元信号的数据处理和其他模块的功能控制，所述其他模块包括传感器信号采集放大模块、复合判定单元、报警模块；所述报警模块由LED报警灯、蜂鸣器、振动器构成，具有声、光、震三重报警，电蜂鸣器采用无源蜂鸣器，振动器采用小型纽扣震动器；所述LCD模块包括按键模块和背光检测模块，按键模块实现不同工作状态的多种功能，背光检测模块负责检测环境光强；电源模块采用锂电池，为各个模块持续供电。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用传感器检测单元对煤油蒸汽进行检测，传感器检测单元中的半导体传感器模组通过在MEMS微型板上发展微纳米薄膜，使其具备灵敏度高，响应时间快的优势，适合在小体积内集成使用，同时基于MEMS微型加热器的传感器较比统传感器具有更快的加热速度，功耗大大降低；传感器检测单元中的选用NDIR红外吸收原理的气体传感器模，制定了针对煤油蒸汽定制对C-H键吸收效应明显的光源，同时采用双通道探测实现空间双光路参比补偿，在排除检测干扰的同时内置温度传感器，可进行温度补偿，进一步提升传感器的检测精度。
(2)本发明利用复合判定单元对感器检测单元的结果进行判定输出，传感器检测单元采用独立工作、信息复合处理的工作模式，半导体和红外传感器均单独同步工作，复合判定单元输出的信号同时具备高时效性和高精度。
(3)本发明通过复合判定单元结合一体化预警单元可实现对煤油蒸汽浓度的分级预警，并基于该技术设计了便携式预警装置，该装置体积小、重量轻、可佩带或手持，同时具有高灵敏度，实现了快速准确的对煤油浓度实时监测和预警，对于公路运输和铁路运输中的航空煤油浓度检测具有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明传感器检测单元组成示意图；
图2为本发明复合判定单元工作模式示意图；
图3为本发明基于复合传感器的航空煤油浓度便携式检测仪的原理框图；
图4为本发明的基于复合传感器的航空煤油浓度便携式检测仪的检测流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，所述传感器检测单元包括：半导体传感器模组和红外传感器模组；半导体传感器模组通过在MEMS微型板上发展微纳米薄膜，基于整个硅基片上，由加热器和一个传感器表面敏感材料组成构成；红外气体传感器作用是在排除检测干扰的同时实现高精度计量检测，该传感器选用NDIR红外吸收原理的气体传感器模组，针对煤油蒸汽定制对C-H键吸收效应明显的光源、光学腔体和双通道探测器，实现空间双光路参比补偿，微处理器进行信号采集、处理和输出，同时内置温度传感器，可进行温度补偿，进一步提升传感器的检测精度。
如图2所示，煤油蒸汽通过传感器检测单元中的半导体传感器模组和红外传感器模组的同步检测的过程为：
(1)半导体传感器模组检测过程：半导体传感器由一个加热器和一个传感器表面敏感材料组成，加热器被建模为一个小电阻，它通过流过的大量电流和耗散必要的功率来提高温度，一旦加热器电阻通过加热电压提供到一定的高温工作环境，煤油蒸汽通过敏感材料的吸附和解吸原理改变传感器自身阻值，当环境中煤油蒸汽浓度发生变化时，传感器的电阻值也随之产生变化，根据阻值就可以检测出此时的煤油蒸汽浓度。
(2)红外传感器模组检测过程：光源采用对C-H键吸收效应明显的光源，通过一定长度的光学腔体吸收和滤光片后，由双通道红外探测器监测透过滤光片红外光的强度，微处理器进行信号采集、处理最终输出煤油蒸汽浓度。
复合判定单元首先通过对传感器检测单元进行信号采集，再通过复合判定单元中的处理电路对采集后的数据进行复合判定、输出。所述信号采集包括半导体传感器模组信号和红外传感器模组信号，其中半导体传感器模组具有相应时间短、灵敏度高的优势点，红外传感器模组具有检测精度高、抗干扰能力强的优势，经复合判定后的输出同时具备其两种传感器模组的优点。
如图3所示，本发明的基于复合传感器的航空煤油浓度便携式检测仪由传感器检测单元、复合判定单元和一体化预警单元三个部分组成。其中一体化预警单元包括：主控芯片、报警模块、LCD模块、供电模块；主控芯片选择超低功耗微控制器其内部集成A/D转换器、定时器、串口模块、LCD驱动，实现对处理单元信号的数据处理和其他模块的功能控制，所述其他模块包括传感器信号采集放大模块、复合判定单元、报警模块；报警模块由LED报警灯、蜂鸣器、振动器构成，具有声、光、震三重报警，电蜂鸣器采用无源蜂鸣器，振动器采用小型纽扣震动器；LCD实现对煤油蒸汽浓度的实时显示，同时具有蜂鸣器、振动器、LED报警灯多个图标显示当前的工作状态，包括按键模块和背光检测模块，所述按键模块通过扫描按键按下的时间长短，配合当前工作状态实现多种功能；所述背光检测模块主要负责检测环境光的强弱，由感光元件和电阻构成；供电模块采用锂电池，负责为各个模块持续供电，所述各个模块包括报警模块、LCD模块、供电模块。
如图4所示，本发明的基于复合传感器的航空煤油浓度便携式检测仪的检测流程包括：
系统初始化。系统初始化指预设参数初始化，包括预警阈值初始化和背光亮度阈值初始化。预警阈值由煤油蒸汽的爆炸下限(LEL)设定，一级预警的阈值设定为25％LEL，一级预警的阈值设定为50％LEL。背光亮度阈值由人为设定。
设备自检。设备自检是指判断传感器检测单元是否正常工作。
传感器复合检测。传感器复合检测是指煤油蒸汽分别通过红外传感器和半导体传感器，两个传感器同时对煤油蒸汽的浓度进行检测。
复合判定显示。复合判定单元中的处理电路对红外传感器和半导体传感器模组的信号进行复合判定，采集复合判定的煤油蒸汽的浓度值在LCD屏上实时显示。
阈值判定。将复合判定的结果与初始预警阈值进行比较，若复合判定的结果大于等于50％LEL，则进行二级报警，所述二级预警采用LED报警灯、蜂鸣器、震动器联合报警，LED报警灯红闪烁，蜂鸣器发出高音，振动器持续震动，可通过按键模块停止报警；若复合判定的结果小于50％LEL同时大于等于25％LEL,则进行一级报警，所述一级预警采用LED报警灯蜂鸣器联合报警，LED报警灯黄灯闪烁，蜂鸣器发出中音，可通过按键模块停止报警。