一种气源搜索定位装置属机械工程技术领域，本发明中设有两条相同形式的气体采集处理通道，每条均由气泵Ⅰ、单向阀、气体混合室、气泵Ⅱ、电磁阀Ⅱ和气体检测室串联连接，气体混合室的进气口还依次串接电磁阀Ⅰ和惰性气体罐Ⅰ；四个气泵、四个电磁阀、进气管束的六个电磁阀均由控制系统控制；二气体检测室中的传感器信号输入模式识别定位系统；二气体采集处理通道中气泵Ⅰ和气泵Ⅲ分别与二进气管束底座出气口连接，二进气管束在竖直面内呈90度夹角；本发明能模仿蛇舌气体采集行为，可提高待测气味信号可靠性，并为后续测量结果的准确性提供保证；气体检测室结构采用仿人鼻腔结构，能提高传感器测量精度；本发明结构简单，造价低廉，利于推广。
一种气源搜索定位装置
技术领域
[0001] 本发明属机械工程技术领域，具体涉及一种气源搜索定位装置。
背景技术
[0002] 随着社会发展的需要，气源搜索定位在有害气体泄漏检测﹑火源探测﹑灾后倒塌的建筑物搜救和反恐排爆等社会生活方面将扮演越来越重要的角色。因此，近年来，气源搜索定位研究得到了很多国家和研究机构的重视。但是其研究应用依然受许多因素的制约，其中最主要的制约因素是定位搜索装置的“嗅觉器官”本身及工作环境等因素。
[0003] 工作环境往往对气味/气体的烟羽的形成有很大的影响。气味/气体在空气中以分子状态向四周扩散形成烟羽，气体分布浓度主要由分子扩散和湍流决定。在风速较高且稳定的情况下，会产生较稳定的烟羽。而在微风或无风的情况下，由于气体分子的扩散速度比风速慢得多，烟羽的结构主要由空气湍流决定。湍流在实际环境中经常存在，表现为运动流体中大小不同的漩涡，这样就会把烟羽分割成许多不规则的块，使得烟羽的瞬间分布很难预测，给机器人的烟羽跟踪行为带来异常困难。
发明内容
[0004] 为了解决定位搜索装置在烟羽跟踪过程中的困难，本发明提出借鉴动物的搜索定位行为来解决这个难题。在动物漫长的进化过程中，嗅觉作为最原始的感觉功能之一，一直伴随着动物的进化而发展，嗅觉是许多动物赖以生存的最重要的本领。自然界的许多动物可以利用嗅觉器官来判断气味的方向，并沿着该方向寻找食物、通讯联络、寻找配偶或者标识领地等。蛇就是其中的一种，蛇的嗅觉很发达，蛇在觅食或跟踪动物时，很大程度是靠其嗅觉。锄鼻器嗅觉功能的发挥，主要借助于蛇舌将外界环境中的气味分子送进锄鼻器。经研究发现，蛇舌为了获取更多的气味分子，同时为了实现其对气味源的搜索定位，在其将舌头伸出体外时，往往表现为舌头在竖直平面内的振动。此时蛇舌的两个分叉将会搜索到成一定角度的两个分叉分别所在平面的两种气味信息。本发明参照蛇舌的气味采集模式和嗅觉定位原理，提出了一种新型的气源搜索定位装置。同时鉴于气体检测室结构对传感器的测量精度的影响，对气体检测室
[0005] 本发明由气体采集装置1、导管Ⅱ2、导管Ⅰ3、气泵Ⅰ4、单向阀Ⅰ5、气体混合室Ⅰ6、电磁阀Ⅰ7、惰性气体罐Ⅰ8、气泵Ⅱ9、电磁阀Ⅱ10、气体检测室Ⅰ11、气泵Ⅲ12、单向阀Ⅱ13、气体混合室Ⅱ14、电磁阀Ⅲ15、惰性气体罐Ⅱ16、气泵Ⅳ17、电磁阀Ⅳ18、气体检测室Ⅱ19、控制系统20、模式识别定位系统21组成，其中气泵Ⅰ4、单向阀Ⅰ5、气体混合室Ⅰ6、气泵Ⅱ9、电磁阀Ⅱ10和气体检测室Ⅰ11串联连接，气体混合室Ⅰ6的进气口还依次串接电磁阀Ⅰ7和惰性气体罐Ⅰ8。
[0006] 气泵Ⅲ12、单向阀Ⅱ13、气体混合室Ⅱ14、气泵Ⅳ17、电磁阀Ⅳ18和气体检测室Ⅱ19串联连接，气体混合室Ⅱ14的进气口还依次串接电磁阀Ⅲ15和惰性气体罐Ⅱ16。
[0007] 气泵Ⅰ4、电磁阀Ⅰ7、气泵Ⅱ9、电磁阀Ⅱ10、气泵Ⅲ12、电磁阀Ⅲ15、气泵Ⅳ17、电磁阀Ⅳ18和气体采集装置1中进气管束Ⅰa的电磁阀aⅤ、电磁阀aⅥ、电磁阀aⅦ、电磁阀aⅧ、电磁阀aⅨ、电磁阀aⅩ、进气管束Ⅱb的电磁阀bⅤ、电磁阀bⅥ、电磁阀bⅦ、电磁阀bⅧ、电磁阀bⅨ、电磁阀bⅩ均由控制系统20控制；
[0008] 气体检测室Ⅰ11和气体检测室Ⅱ19中传感器阵列38的传感器以信号输入模式识别定位系统21；
[0009] 气泵Ⅰ4的进气口经导管Ⅰ3与气体采集装置1中进气管束Ⅰa的进气管束Ⅰ底座的出气口连接；
[0010] 气泵Ⅲ12的进气口经导管Ⅱ2与气体采集装置1中进气管束Ⅱb的进气管束Ⅱ底座的出气口连接。
[0011] 所述的气体采集装置1由进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb组成，进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb的结构完全相同，均由电磁阀Ⅴ22、电磁阀Ⅵ23、电磁阀Ⅶ24、进气管束底座25、电磁阀Ⅷ26、电磁阀Ⅸ27、电磁阀Ⅹ28、进气管Ⅵ29、进气管Ⅴ30、进气管Ⅳ31、进气管Ⅲ32、进气管Ⅱ33和进气管Ⅰ34组成，其中进气管Ⅵ29、进气管Ⅴ30、进气管Ⅳ31、进气管Ⅲ32、进气管Ⅱ33和进气管Ⅰ34呈扇形排列，扇形展开角α为90°。
[0012] 进气管Ⅵ29、进气管Ⅴ30、进气管Ⅳ31、进气管Ⅲ32、进气管Ⅱ33和进气管Ⅰ34均为圆台体，圆台体锥角θ为15°，圆台体小端直径d为6-8mm，圆台沿轴线长度L为250-300mm。
[0013] 进气管Ⅰ34末端固接电磁阀Ⅴ22；进气管Ⅱ33末端固接电磁阀Ⅵ23。
[0014] 进气管Ⅲ32末端固接电磁阀Ⅶ24；进气管Ⅳ31末端固接电磁阀Ⅷ26。
[0015] 进气管Ⅴ30末端固接电磁阀Ⅸ27；电磁阀Ⅴ22、电磁阀Ⅵ23、电磁阀Ⅶ24、电磁阀Ⅷ26、电磁阀Ⅸ27、电磁阀Ⅹ28的出口经进气管束底座25汇为一处。
[0016] 进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb在竖直面内的夹角φ为90°。
[0017] 进气管束Ⅰa的进气管束底座为进气管束Ⅰ底座，进气管束Ⅱb的进气管束底座为进气管束Ⅱ底座；进气管束Ⅰa的电磁阀Ⅴ为电磁阀aⅤ、电磁阀Ⅵ为电磁阀aⅥ、电磁阀Ⅶ为电磁阀aⅦ、电磁阀Ⅷ为电磁阀aⅧ、电磁阀Ⅸ为电磁阀aⅨ、电磁阀Ⅹ为电磁阀aⅩ；进气管束Ⅱb的电磁阀Ⅴ为电磁阀bⅤ、电磁阀Ⅵ为电磁阀bⅥ、电磁阀Ⅶ为电磁阀bⅦ、电磁阀Ⅷ为电磁阀bⅧ、电磁阀Ⅸ为电磁阀bⅨ、电磁阀Ⅹ为电磁阀bⅩ。
[0018] 所述的气体检测室Ⅰ11和气体检测室Ⅱ19的结构完全相同，均由进气段35、扩散段36、检测段37、传感器阵列38、扰流板39组成，其中进气段35、扩散段36、检测段37顺序连接。
[0019] 进气段35为圆柱体，其中圆柱体直径d1为10-15mm,圆柱体高度h1为15-20mm。
[0020] 检测段37为圆柱体，其中圆柱体直径D1为40-60mm，圆柱体长度L1为50-60mm。
[0021] 扩散段36为圆台体，其中圆台体大圆直径D2为40-60mm,圆台体小圆直径d2为15-20mm,圆台体高度H为20-40mm。
[0022] 传感器阵列38由4-6个传感器组成，4-6个传感器均布于检测段37的圆柱体外表面，且位于扰流板39左面前端。
[0023] 扰流板直径D3为40-60mm，扰流板厚度h2为3-5mm。
[0024] 扰流板39上以半径18-27mm处均布有扰流孔40，扰流孔直径d3为3-5mm，相邻扰流孔圆心与扰流板圆心连线的夹角β为10°。
[0025] 扰流板39右面与检测段37的圆柱右端间距L2为20-25mm。
[0026] 本发明的有益效果在于：
[0027] 本发明的进气管束内的电磁阀按空间由上到下的顺序依次开闭，能实现对蛇舌气体采集行为的模仿，可提高待测气味信号的可靠性，能为后续测量结果的准确性提供保证。
[0028] 本发明中气体检测室的结构采用仿人鼻腔结构，模仿人鼻腔实现对气流的扰动，能提高传感器的测量精度，进而提高搜索定位装置的精度。
[0029] 本发明结构简单，造价低廉，利于推广应用。
附图说明
[0030] 图1为气源搜索定位装置结构示意图
[0031] 图2为进气管束Ⅰ(Ⅱ)结构坐标、角度示意图
[0032] 图3为进气管束Ⅰ(Ⅱ)的俯视图
[0033] 图4为进气管束Ⅰ(Ⅱ)的右视图
[0034] 图5为单个进气管的结构示意图
[0035] 图6为气体检测室结构示意图
[0036] 图7为传感器阵列、扰流板结构示意图
[0037] 其中：1.气体采集装置 2.导管Ⅱ 3.导管Ⅰ 4.气泵Ⅰ 5.单向阀Ⅰ 6.气体混合室Ⅰ 7.电磁阀Ⅰ 8.惰性气体罐Ⅰ 9.气泵Ⅱ 10.电磁阀Ⅱ 11.气体检测室Ⅰ 12.气泵Ⅲ 13.单向阀Ⅱ 14.气体混合室Ⅱ 15.电磁阀Ⅲ 16.惰性气体罐Ⅱ 17.气泵Ⅳ 18.电磁阀Ⅳ 19.气体检测室Ⅱ 20.控制系统 21.模式识别定位系统 22.电磁阀Ⅴ
23.电磁阀Ⅵ 24.电磁阀Ⅶ 25.进气管束底座 26.电磁阀Ⅷ 27.电磁阀Ⅸ 28.电磁阀Ⅹ 29.进气管Ⅵ 30.进气管Ⅴ 31.进气管Ⅳ 32.进气管Ⅲ 33.进气管Ⅱ 34.进气管Ⅰ 35.进气段 36.扩散段 37.检测段 38.传感器阵列 39.扰流板 40.扰流孔 a.进气管束Ⅰ b.进气管束Ⅱ
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对本发明作进一步的详细叙述：
[0039] 如图1所示，本发明由气体采集装置1、导管Ⅱ2、导管Ⅰ3、气泵Ⅰ4、单向阀Ⅰ5、气体混合室Ⅰ6、电磁阀Ⅰ7、惰性气体罐Ⅰ8、气泵Ⅱ9、电磁阀Ⅱ10、气体检测室Ⅰ11、气泵Ⅲ12、单向阀Ⅱ13、气体混合室Ⅱ14、电磁阀Ⅲ15、惰性气体罐Ⅱ16、气泵Ⅳ17、电磁阀Ⅳ18、气体检测室Ⅱ19、控制系统20、模式识别定位系统21组成，气泵Ⅰ4、单向阀Ⅰ5、气体混合室Ⅰ6、气泵Ⅱ9、电磁阀Ⅱ10和气体检测室Ⅰ11串联连接，气体混合室Ⅰ6的进气口还依次串接电磁阀Ⅰ7和惰性气体罐Ⅰ8。
[0040] 气泵Ⅲ12、单向阀Ⅱ13、气体混合室Ⅱ14、气泵Ⅳ17、电磁阀Ⅳ18和气体检测室Ⅱ19串联连接，气体混合室Ⅱ14的进气口还依次串接电磁阀Ⅲ15和惰性气体罐Ⅱ16。
[0041] 所述气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14的作用是实现不同进气管所采集气体的混合，为气体检测室Ⅰ11、气体检测室Ⅱ19中气体的检测做准备。气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14有两个进气通道，一个为待测气体进气通道，一个为惰性气体进气通道。当在集气混合阶段时，惰性气体进气通道关闭，待测气体进气通道开启。集气混合结束进入气体检测阶段时，两通道均关闭，检测结束进入气路清洗阶段，在气路清洗阶段，惰性气体进气通道开启，待测气体进气通道关闭。
[0042] 气泵Ⅰ4、电磁阀Ⅰ7、气泵Ⅱ9、电磁阀Ⅱ10、气泵Ⅲ12、电磁阀Ⅲ15、气泵Ⅳ17、电磁阀Ⅳ18和气体采集装置1中进气管束Ⅰa的电磁阀aⅤ、电磁阀aⅥ、电磁阀aⅦ、电磁阀aⅧ、电磁阀aⅨ、电磁阀aⅩ、进气管束Ⅱb的电磁阀bⅤ、电磁阀bⅥ、电磁阀bⅦ、电磁阀bⅧ、电磁阀bⅨ、电磁阀bⅩ均由控制系统20控制；
[0043] 气体检测室Ⅰ11和气体检测室Ⅱ19中传感器阵列38的传感器以信号输入模式识别定位系统21；
[0044] 气泵Ⅰ4的进气口经导管Ⅰ3与气体采集装置1中进气管束Ⅰa的进气管束Ⅰ底座的出气口连接；
[0045] 气泵Ⅲ12的进气口经导管Ⅱ2与气体采集装置1中进气管束Ⅱb的进气管束Ⅱ底座的出气口连接。
[0046] 所述电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅳ14在气体检测开始前关闭，在气体检测开始时开启。电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅳ14关闭使气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14形成一个封闭的空间，使待测气体在气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14中充分混合并集气，为气体的检测做准备。当检测混合气体时，电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅳ14在控制系统17的作用下打开，并在的气泵Ⅱ9、气泵Ⅳ17作用下，进入气体检测室Ⅰ11、气体检测室Ⅱ19。
[0047] 如图1--图5所示，所述的气体采集装置1由进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb组成，进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb的结构完全相同，均由电磁阀Ⅴ22、电磁阀Ⅵ23、电磁阀Ⅶ24、进气管束底座25、电磁阀Ⅷ26、电磁阀Ⅸ27、电磁阀Ⅹ28、进气管Ⅵ29、进气管Ⅴ30、进气管Ⅳ31、进气管Ⅲ32、进气管Ⅱ33和进气管Ⅰ34组成，其中进气管Ⅵ29、进气管Ⅴ30、进气管Ⅳ31、进气管Ⅲ32、进气管Ⅱ33和进气管Ⅰ34呈扇形排列，扇形展开角α为900,进气管Ⅵ29、进气管Ⅴ30、进气管Ⅳ31、进气管Ⅲ32、进气管Ⅱ33和进气管Ⅰ34均为圆台体，圆台体锥角θ为15°，圆台体小端直径d为6-8mm，圆台沿轴线长度L为250-300mm。
[0048] 进气管Ⅰ34末端固接电磁阀Ⅴ22；进气管Ⅱ33末端固接电磁阀Ⅵ23；进气管Ⅲ32末端固接电磁阀Ⅶ24；进气管Ⅳ31末端固接电磁阀Ⅷ26；进气管Ⅴ30末端固接电磁阀Ⅸ27；电磁阀Ⅴ22、电磁阀Ⅵ23、电磁阀Ⅶ24、电磁阀Ⅷ26、电磁阀Ⅸ27、电磁阀Ⅹ28的出口经进气管束底座25汇为一处；进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb在竖直面内的夹角φ为90°。
[0049] 进气管束Ⅰa的进气管束底座为进气管束Ⅰ底座，进气管束Ⅱb的进气管束底座为进气管束Ⅱ底座；进气管束Ⅰa的电磁阀Ⅴ为电磁阀aⅤ、电磁阀Ⅵ为电磁阀aⅥ、电磁阀Ⅶ为电磁阀aⅦ、电磁阀Ⅷ为电磁阀aⅧ、电磁阀Ⅸ为电磁阀aⅨ、电磁阀Ⅹ为电磁阀aⅩ；进气管束Ⅱb的电磁阀Ⅴ为电磁阀bⅤ、电磁阀Ⅵ为电磁阀bⅥ、电磁阀Ⅶ为电磁阀bⅦ、电磁阀Ⅷ为电磁阀bⅧ、电磁阀Ⅸ为电磁阀bⅨ、电磁阀Ⅹ为电磁阀bⅩ。
[0050] 在工作时，进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb中的电磁阀Ⅴ22、电磁阀Ⅵ23、电磁阀Ⅶ24、进气管束底座25、电磁阀Ⅷ26、电磁阀Ⅸ27、电磁阀Ⅹ28在控制系统20的控制下，按空间由下向上的顺序依次开闭，每个电磁阀打开的时间相同。
[0051] 在气泵Ⅰ4、气泵Ⅲ12的作用下，将不同空间位置的气体吸入气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14中。进气管束Ⅰa和进气管束Ⅱb的结构和工作过程是参照蛇舌的气味采集模式和嗅觉定位原理设计。
[0052] 所述的单向阀Ⅰ6、单向阀Ⅱ21的作用是只能允许气体从进气管束Ⅰa进入气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14，而不允许气体反向流动，这是为了防止气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14中的混合气体在气泵Ⅰ4、气泵Ⅲ12停止工作时反向流动逸出气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14，从而造成混合气体的流失。
[0053] 如图6和图7所示，所述的气体检测室Ⅰ11和气体检测室Ⅱ19的结构完全相同，均由进气段35、扩散段36、检测段37、传感器阵列38、扰流板39组成，其中进气段35、扩散段36、检测段37顺序连接。
[0054] 进气段35为圆柱体，其中圆柱体直径d1为10-15mm,圆柱体高度h1为15-20mm。
[0055] 检测段37为圆柱体，其中圆柱体直径D1为40-60mm，圆柱体长度L1为50-60mm。
[0056] 扩散段36为圆台体，其中圆台体大圆直径D2与检测段37圆柱体直径D1相同为40-60mm,圆台体小圆直径d2为15-20mm,圆台体高度H为20-40mm；
[0057] 传感器阵列38由4-6个传感器组成，4-6个传感器均布于检测段37的圆柱体外表面，且位于扰流板39左面前端，传感器的种类和数量主要由待检测气源的成分确定，成分复杂，选取的传感器数量增加，成分简单，选取的传感器数量减少。
[0058] 扰流板直径D3为40-60mm，扰流板厚度h2为3-5mm。
[0059] 扰流板39上以半径18-27mm处均布有扰流孔40，扰流孔直径d3为3-5mm，相邻扰流孔圆心与扰流板圆心连线的夹角β为10°。
[0060] 扰流板39右面与检测段37的圆柱右端间距L2为20-25mm。
[0061] 气体检测室Ⅰ11与气体检测室Ⅱ19的结构具有仿人鼻腔结构，模仿人鼻腔通过对气流扰动，可以提高传感器的测量精度，进而提高搜索定位装置的精度。
[0062] 本发明的具体工作过程如下：
[0063] 本发明由两个完全相同的气体采集处理通道组成，每个气体采集处理通道的工作过程可分为四个阶段：1、气体收集混合阶段，2、气体检测阶段，3、气路清洗阶段，4、搜索定位阶段。
[0064] 在气体收集混合阶段，气泵Ⅰ4、气泵Ⅲ12开启，为气体收集提供动力。进气管束Ⅱb的进气管Ⅰ34末端固接的电磁阀Ⅴ22、进气管Ⅱ33末端固接的电磁阀Ⅵ23、进气管Ⅲ32末端固接的电磁阀Ⅶ24、进气管Ⅳ31末端固接的电磁阀Ⅷ26、进气管Ⅴ30末端固接的电磁阀Ⅸ27按空间由下向上的顺序依次开闭，每个电磁阀打开的时间相同。
[0065] 在气泵Ⅰ4、气泵Ⅲ12的作用下，电磁阀Ⅴ22、电磁阀Ⅵ23、电磁阀Ⅶ24、电磁阀Ⅷ26、电磁阀Ⅸ27、电磁阀Ⅹ28的出口经进气管束底座25汇为一处，分别进入气体混合室Ⅰ6和气体混合室Ⅱ14进行混合，在集气混合阶段，气体混合室Ⅰ6和气体混合室Ⅱ14的惰性气体进气通道关闭，待测气体进气通道开启。
[0066] 集气混合阶段结束后，整个装置进入检测阶段，分别打开电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅳ14、气泵Ⅱ9、气泵Ⅳ17，将气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14中的混合气体送入气体检测室Ⅰ
11、气体检测室Ⅱ19进行检测。
[0067] 检测结束，分别打开气体混合室Ⅰ6、气体混合室Ⅱ14的惰性气体进气通道电磁阀Ⅰ7、电磁阀Ⅲ15，在气泵Ⅱ9、气泵Ⅳ17的作用下将惰性气体泵入气体检测室Ⅰ11、气体检测室Ⅱ19对气体检测装置进行清洗。清洗结束，关闭惰性气体进气通道电磁阀Ⅰ7、电磁阀Ⅲ15和电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅳ14。
[0068] 最后，将两个气体采集处理通道检测到的数据分别传输给模式识别定位系统21，通过识别算法进行气味源的搜索定位。
