多功能室内扫描检测仪

王晓晨 寇昌斌 何啟彪 王润琪 韩翊娇

摘 要：多功能室内扫描检测仪设备，主要是针对室内氧气进行检测，该仪器致力于老年人室内氧气检测、地下工作、采矿、隧道、密室等工作，其内部是将三维空间扫描技术、红外成像技术、氧气含量监测技术集成在一起，通过监测数据得出个人所能使用的氧气含量的阈值，在接近危险数值时发出警报，能够避免出现缺氧的问题，从而避免一些意外的发生。

关键词：扫描检测;氧气浓度;红外成像;空间扫描

引言

氧气是人们的生命之源。人们的一切活动都离不开氧气。但是，正常人体只需要一定浓度的氧，氧的浓度过高或过低都对人有害。所以，在某些特定场所，需要使用氧气检测仪来检测氧气的浓度。本创新项目主要是氧气浓度检测报警仪设备，主要是针对室内氧气进行检测，该仪器能够致力于老年人室内氧气检测、地下工作、采矿、隧道、密室等工作，通过监测数据得出个人所能使用的氧气含量的阈值，在接近危险数值时发出警报，避免出现缺氧的问题，从而避免一些意外的发生。将其应用于市政工作、地下工作、采矿、隧道、密室等工作，最大程度降低缺氧的危险。也可应用与医疗保健，供给呼吸，用于登山运动，潜水作业，医疗抢救等。

1 项目背景

目前用于检测室内环境中氧气的浓度的氧气检测仪，一般由电化学或氧化物及半导体的氧气检测元件、电子部件和显示部分等组成，由氧气检测元件将室内环境空气中氧气浓度值转换成电信号，然后通过电路处理，并以浓度值显示出来，有的仪器还具有氧气浓度值对应的电信号输出功能，当氧气浓度测量值小于等于报警设定值时能自动发出声、光、震动报警信号，警示现场人员尽快撤离危险区域。现有的氧气检测仪仅能检测室内的氧气浓度，而无法检测室内的氧气含量，无论室内的人数多少，当检测的氧气浓度达到设定阈值时便报警，但影响人体感官的不仅是室内的氧气浓度，室内的氧气含量对人体也有一定的影响，当测得的氧气浓度值未达到设定阈值时，若室内的人数较多时，仍存在着缺氧的问题，采用现有的仅能检测浓度的氧气检测仪无法到达及时报警的目的。

2 系统总体设计方案

本项目通过三维空间扫描系统扫描室内的面积，通过红外成像系统检测室内的生命体的个数;通过氧气浓度监测系统检测室内的氧气浓度;微控制器根据三维空间扫描系统、红外成像系统、氧气浓度监测系统的检测结果得出个人所能使用的氧气含量的阈值，得出室内单人分得的氧气总量，在接近危险数值时发出警报，通过设置的警报装置提醒人氧气含量过低及时给室内补充氧气，能够避免出现室内缺氧的问题。

本项目公开了多功能室内扫描检测仪，主要涉及室内氧气浓度监测领域;包括微控制器、三维空间扫描系统、红外成像系统、氧气浓度监测系统、供氧系统、充电系统，所述三维空间扫描系统、红外成像系统、氧气浓度监测系统、供氧系统均与微控制器信号连接，所述三维空间扫描系统用于扫描室内的面积并将扫描结果发送至微控制器，红外成像系统用于检测室内的生命体的个数并将检测结果发送至微控制器。本项目将三维空间扫描技术、红外成像技术、氧气含量监测技术集成在一起，通过监测数据得出个人所能使用的氧气含量的阈值，在接近危险数值时发出警报，能够避免出现缺氧的问题。系统控制原理图如图一。

3 项目各系统设计方案

3.1三维激光空间扫描技术

三维激光空间扫描技术又被称为实景复制技术，作为20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命。通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点的（x.y.z）坐标、反射率、（R.G.B）颜色等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1：1的真彩色三维点云模型，为后续的内业处理、数据分析等工作提供准确依据。它具有快速性，效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性，高密度、高精度、数字化、自动化、实时性强等特点，很好的解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的瓶颈。该技术突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光空间扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，主要通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，大量的空间点位信息。是快速建立物体的三维影像模型的一种全新的技术手段。三维激光空间扫描技术使工程大数据的应用在众多行业成为可能。如工业测量的逆向工程、对比检测;建筑工程中的竣工验收、改扩建设计;测量工程中的位移监测、地形测绘;考古项目中的数据存档与修复工程等等。

3.2红外成像技术

红外成像技术是一项前途广阔的高新技术。比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外，称为红外线，又称红外辐射。是指波长为0.78-1000微米的电磁波，其中波长为0.78-2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0-1000微米的部分称为热红外线。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外图像。目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是表面温度分布图像。红外热成像使人眼不能直接看到表面温度分布，变成可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。所有温度在绝对零度（-273C）以上的物体，都会不停地发出热红外线。红外线（或热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射，它还具有两个重要的特性：（1）物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无需接触的温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。（2）大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3～5微米和8-14微米的熱红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。由于这个特点，热红外成像技术在军事上提供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在现代战争中发挥了非常重要的作用。

3.3氧气浓度检测技术

氧气浓度检测技术一般运用于氧气检测报警一体机，其适用于各种工业环境和特殊环境中的氧气浓度连续在线检测及现场声光报警，对危险现场的作业安全起到预警作用，仪器采用进口电化学传感器和微控制器技术，具有信号稳定，精度高、重复性好等优点，防爆接线方式适用于各种危险场所。仪器兼容各种控制报警器、PLC、DCS 等控制系统，可以同时实现现场报警和远程监控、报警功能。有独特的红外遥控功能，可非接触操作维护仪器。氧气检测仪采用氧传感器，氧传感器感应被测气体氧浓度后输出相应电压信号，经处理后送入分析仪处理器，从而输出和被测气体氧浓度相对应的4～20mA信号;如发生故障或报警，分析仪发出相应的声、光报警信号并输出相应的联动控制信号。

4 氧气检测仪

氧气检测仪是一种氧气浓度检测的仪器仪表工具，主要是指便携式/固定式气体检测仪。主要利用氧气传感器来检测环境中存在的氧气浓度，氧气传感器是用来检测氧气含量的传感器。

4.1氧气检测仪理论

空气和被测气体通过扩散膜扩散到感应电极上。控制电路在感应电极和对电极之间维持一个足以开始电化学反应的电压。在被测气体的作用下产生的电化反应在两极之间形成电流。这一电流的强度与被测气体的浓度成比例，并且是可逆的。

控制电路还在感应电极和参考电极之间形成偏置电平，这种电平在两极之间不形成电流。传感器的快速反应使它能够对周围空气进行实时、连续的检测。

4.2氧气浓度检测参数

氧气浓度检测方法具有各自的优势和局限性。物理方法无配件或试剂损耗，可持续时间长，适用于氧气浓度在线连续检测，但是其易受外界环境干扰;化学方法需要利用电解质或化学试剂来完成氧气浓度检测，检测过程是持续消耗过程，仪器使用寿命受到限制，需要定期更换配件或试剂，但是其抗干扰能力强，一般用于精度要求较高的场所。因此，为了准确测定氧气浓度，根据使用需求和实际情况使用氧气检测仪收集到以下参数。

5 氧气浓度检测方法

5.1磁压差法

磁压差法是利用气体在磁场中的压力变化量作为参考量检测氧氣浓度的一种方法， 当样气进入磁场后， 氧气分子会往磁场强度大的区域汇集， 所以样气的内部压力值会发生变化， 样气在磁场的不同位置会存在一定的压力差。由公式：

（1）

式中， ∆P代表样气的压差， H代表磁场强度， U0代表真空磁导率， Km代表气体的磁化率， Kt代表参比气体的磁化率。可以看出， 样气的压差与磁场强度的平方和样气的磁化率与参比气体的磁化率的差值成正比例关系。又由体积磁化率公式：

（2）

式中， K1是样气中氧气成分的磁化率， C1为样气中氧气的体积分数。联立式 （1） 和式 （2） 可得：

（3）

从式 （3） 中可以得出：混合气体中氧气的体积分数C1与气体的压差∆P存在线性比例关系，从而对氧气浓度进行测量。

6 技术先进性

现有的氧气检测仪技术仅能检测室内的氧气浓度，而无法检测室内的氧气含量，无论室内的人数多少，当检测的氧气浓度达到设定阈值时便报警，但影响人体感官的不仅是室内的氧气浓度，室内的氧气含量对人体也有一定的影响，当测得的氧气浓度值未达到设定阈值时，若室内的人数较多时，仍存在着缺氧的问题，本项目提供多功能室内扫描检测仪，将三维空间扫描技术、红外成像技术、氧气含量监测技术集成在一起，通过监测数据得出个人所能使用的氧气含量的阈值，在接近危险数值时发出警报，能够避免出现缺氧的问题。

7 结语

该多功能室内扫描仪可以为用户提供，解决现有技术仅能监测室内氧气浓度而不能检测室内氧气含量问题。通过监测数据得出在室内个人所能使用的氧气含量的阈值，在接近危险数值时发出警报。通过设置的警报装置提醒人氧气含量过低及时给室内补充氧气，有效避免了室内缺氧问题。将三维空间扫描技术、红外成像技术、氧气含量监测技术集合在一起，大大提高了监测力度。从而能避免一些意外事故的发生。

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基金项目：

名称氧气浓度检测报警仪 基金项目编号：X202113857026。