專利名稱：節能型多功能一體化礦燈的制作方法
技術領域：
本實用新型屬礦燈領域，是根據近年來科技發展和煤礦安全需要對傳統礦燈的全面改進和變革。
背景技術：
現在我國所有礦井絕大多數還使用傳統的由兩部份組成的分體式井下礦燈，一為腰部背負的儲存電能的蓄電池，一為插在頭盔上的照明燈，經電纜接插相連，礦工們在井下工作時，總感到電纜刮扯束縛，右側電池負重別扭，特別是肩部扛抬物件時，這完全應該從結構上加以解決。隨著近年的科技進步，如白色高亮度發光二極管LED，由于是冷光源，與傳統的白熾燈相比，節電效率可高達80%，壽命長達20000小時，當用于礦燈，則相應的蓄電池容量體積和重量可大大縮小，而近年蓄電池技術的進步，鎳氫電池、鋰離子電池等都可以做到體積小、容量大、無腐蝕，攜帶使用方便，這就促使本發明人想到將小體積蓄電池放在頭盔內部而使礦燈頭盔成為一體，又增加兩個小功率輔燈斜向自動左右照路，兼作備用，這樣礦工下井時只須戴一個頭盔，體態自由平衡，輕巧方便，腰部不再有側向受力和電纜刮扯。于是設計為產品，并申請了專利，頭盔電池一體化礦燈，但是又感到工人在井下，最擔心的還有瓦斯爆炸，而瓦斯(CH4甲烷)與煤礦是不可分的，只有多和少的問題，高瓦斯礦和低瓦斯礦，但只有當瓦斯濃度超過一定量，才有可能由火花引爆，為了徹底解決工人下井后顧之憂，促進井下各處通風良好，保證安全生產，將瓦斯檢測及超標報警電路小型化后，放在頭盔內，共用一個電池供電，定時檢測，如果達到一定濃度(例如〈體積比 >)，則有提示聲，引起注意，隨即告之井下通風管理人員密切關注，如達2%則立即聲光報警，如不能盡快改善，則考慮離開險區逃命，由于檢測報警電路在自己頭頂上，反應時間不到20秒，隨即可以得知何處安全，如是又申請了第二個專利，頭盔電池瓦斯報警一體化礦燈，專利號 ZL200520124^8.7，其樣品先后在兗州礦務局下屬煤礦試用，當征求改進意見時，廣大工人都說好，非常受歡迎，因為輕巧方便又滿足走路時自動照路和工作時高亮度照明要求，但是不久兗礦負責安全檢測部門告之，如稱具有瓦斯報警功能的礦燈，則按井下報警器材規定， 每半年必須檢測一次，每次檢測費用為300元，比整個礦燈價格還高，真令人啼笑皆非，如是我們改稱為“瓦斯提示”，是指在遠未達報警危險程度之前，提前告之瓦斯濃度的增長變化趨勢，只是使之密切關注的提示。這就不必要求嚴格的定量誤差檢定，如每五分鐘檢測瓦斯濃度一次，若達(體積比)，則主燈閃光一次，如達1. 5%，則閃光兩次，并縮短檢測時間為每三分鐘檢測一次，如達2 %，則閃光三次，提示考慮離開現場，而真正能引起爆炸，在 20°C時要4. 9%以上時才可能發生。這還有足夠時間離開險區，因而不再稱瓦斯報警功能。根據國標GB7957-2003和國家采煤機械質量監督檢驗中心的檢測報告可知，對礦燈照度的要求點燈開始> 900Lux(以前為SOOLux)，點燈11小時后> 600Lux(以前為 400Lux)。國家質量監督檢驗檢疫總局訂的這個標準，應該說是根據當時科技水平不得已而為之，眾所周知，電池充完電，電壓最高，而放電11小時后，所存電量不多，電壓較低，顯然燈泡亮度低，要在點燈后期還維持開始時的照度過去很難實現，并不是認為后期照度低是合理的，應該的，現今都使用大功率(IW)高亮度發光二極管，這里存在兩個一般不為人們關注的問題，一是LED的正向電流和端電壓，在3. 1伏以后是典型的指數曲線，電壓增加一
3小點，電流可大幅度增加，二是大功率LED的發光效率在受到甚至只一次很短時間的大電流沖擊，就可能受到傷害而下降，不能再恢復，因而通常都采用低壓差調整管進行穩壓或穩流，目的是消耗浪費掉高出的那部分電壓，而鋰離子電池充滿時，電壓為4. 2伏，而且放電的大部份時間為3. 7伏，而LED的端電壓一般可控制在3. 2-3. 3伏(300mA時)，這樣調整管上會一直浪費很多能量，因而到放電后期調整管上最低壓差保不住時，就會輸出電壓降低， 電流變小，亮度降下來，這是現今國內外礦燈普通存在的不足，因而利用好電池能量，進行精打細算的節能設計很有必要，何況我們的電池還要提供瓦斯檢測及發送本人代碼定位信息兩項附加功能用電，特別是瓦斯檢測，傳感器要加溫到190-200°C以上高溫，要燒去表面沾附的油污和不潔物，這就得選用功耗低，熱慣性小，反應快的半導體氣敏傳感器，還得想辦法定期采樣檢測，目的就是節能。煤礦發生的事故是多方面的，有冒頂、透水，當然更多的是瓦斯爆炸，雖然本實用新型的瓦斯提示功能可有效防止，特別是對貴州云南四川等省的小煤窯，個體戶，安檢防范措施少的煤礦是很實用的。但各大中型煤礦，井下人員多，事故發生后，如何搶救，搶救時急需知道還有多少人，是誰困在井下，大致位置在什么地方，這是很關鍵的問題，不少人提出過衛星定位，也有曾想超聲波通信，由于井下地層厚，泥石層嚴重吸收衰減無線電波，而困在井下的工人所帶電源能量極為有限，并且造價還不能高，上述設想是無法實現的。所以本發明人想出了采用信息預存方法，通過光纜先傳送到井上，基本上能解決定位問題，而每個一體化礦燈上只須增加一個自動發送本人代碼，傳送距離僅兩三米的微功耗無線電收發模塊，造價很低。當然還得在井上有計算機數據處理系統和井下各分叉路口的接收代碼裝置和光纜，造價也是很低的，不但隨時可定位，甚至事故發生后，只要本人不被壓住還能動，還可和外界取得聯系。這是煤礦事故搶險的重大突破。發明內容本實用新型的目的就是為了使礦燈使用方便、舒適、安全，而且造價低。 因而首先要改變結構，要一體化，其次是合理有效利用電池電能，提高主燈后期使用時的照度，改善照明質量，為了增高井下工人的安全性，增加瓦斯濃度檢測提示，和預先存儲個人代碼信息，以便萬一出現事故時的搶救定位和被困時的對外信息聯絡，其內容為(1)取消刮扯束縛的電纜，將電池置于頭盔的后部，主燈輔燈和附加功能部件置于頭盔前部，供電的走線固定在頭盔內部，這就將電纜和兩端的接插件簡化為一根很短很輕而價廉的雙導線，兩端焊牢即可。電池采用聚合物電解液的鋰離子電池，為了絕對安全，增加強度高于ABS工程塑料(頭盔材質)的鐵板保護。(2)照明分別由主燈和輔燈擔任，輔燈又可視為備用燈，主燈是高亮度在工作時用，為了提高電池放電后期主燈的照度(國家標準可以低到剛開燈時的一半左右即合格)，主燈經同步整流型DC/DC變換器模塊供電，為了提高轉換效率，模塊工作頻率高到 1. 5MHZ，輸入電壓范圍寬2. 5V-5. 5V，外部無需肖特基二極管，工作壓差低，調壓占空比可達 100 %，基準電壓低為0. 8V，電流型控制，效率可高達96 %，因此能充分有效利用電能，如同樣4. 5安時電池，能使主燈照度達標，并且整個11小時主燈照度不變，還可以時間更長，而在坑道行走時只開小功率輔燈，為改變過去工人拿著燈左右低頭找路(靠近工作面的坑道高低不平，亂石很多)，將輔燈改為左右兩個小LED燈，光線從頭盔前部呈60度角射向腳前兩米處，工人可以兩手空空抬頭挺胸行走，比過去使用老礦燈方便舒適輕巧。(3)為了提高井下工人的安全性，增設瓦斯濃度檢測及閃光提示功能，傳感器采用功耗低、熱慣性小、反應快的二氧化錫氣敏半導體瓦斯傳感器，由單片機定時每五分鐘加熱和檢測瓦斯濃度一次，瓦斯濃度達一定量時閃光，標準可根據各地煤礦制定，如濃度達1 % (體積比)，主燈閃光一次(即斷電0. 2-0. 3秒)，達1. 5%閃光兩次，達2%閃光三次，也可在達1. 5%濃度后，檢測周期縮短為3分鐘。附加瓦斯檢測提示，共由照明電池供電，造價低，深得工人歡迎。(4)井下自動定位功能，這是為解決萬一礦井出現事故后，知道誰在并下，大致在什么位置，方便搶救，每個頭盔上增加微功耗超高頻無線收發模塊，工人下井通過永久支護的主坑道后，進入分支岔道，各岔道口均設微功耗超高頻無線發射和接收站，發射有效距離只一兩米，即工人帶著頭盔經過時，才能收到這信號，收到后，頭盔內發送個人代碼信息， 然后暫時關斷接收模塊10-15秒，使通過這一段路時不會重復發送代碼信息，并開啟主燈 0. 2-0. 3秒一次，讓工人知道已進行登記，當進入下一個岔道時，又會收到信息，頭盔又一次發送代表身份的個人代碼，由于各岔道口所設接收站，收到代碼信息后，經轉換通過光纜存儲在井上的計算機數據處理系統，顯然知道誰什么時候進入哪一個岔道，在哪一個工作面，當下班回家時，又一次經過岔道口，這次同樣發代碼，不過是撤消登記，當礦井發生事故被困井下時，知道誰在那一岔道，也可以有意重復發代碼，以重復次數作為密碼表征個人和井下狀況，這時只須關輔燈開關，無線模塊斷電，隨即又開，則又接收到信號，又會發一次代碼，只要能到達岔道口有光纜的接收站，就能和外界聯系，便于搶救。本發明的內容實質就是將礦用頭盔后部向后擴展一個安放電池的空間，電池正負極用雙導線經頭盔頂部接至頭盔前部主輔燈開關而使礦燈一體化，頭盔前部為白色發光二極管LED主燈，其下部左右兩邊為小LED輔燈，斜向照路，聚光罩下部裝有瓦斯檢測氣敏傳感器及控制主燈亮度閃光及檢測電控線路板。頭盔前部還有自動發送本人代碼信息，通過近距離微功耗無線電收發模塊傳送以及最后到達井上計算機數據處理系統的光纜，其關鍵技術是主燈經同步整流型DC/DC變換器模塊供電，瓦斯濃度檢測及閃光功能由單片機定時自動進行。本發明是以人為本，充分有效利用電池能量，提高礦燈的照明性能，又增設燈以外有重要意義的附屬功能，為改善勞動條件，增加工人安全性，對傳統礦燈進行了大刀闊斧的變革與創新，是發明人關懷礦工獨立自行完成的微薄貢獻。


為了對發明整體有一個形象的描述和表述各部件相互位置，特通過附圖作進一步的說明。附圖1是本發明一體化礦燈的外形和各部件安裝位置示意圖。圖1中，1為頭盔外殼；2為緊附著外殼的電源走線；3為電池；4為保護用鐵板；5 為充電插口 ；6為聚光透鏡；7為聚光反射罩；8為大LED ；9為兩個小LED，左右一邊一個；10 為主燈和輔燈開關，是并排的兩個帶自鎖開關；11為瓦斯傳感器；12為電控線路板；13為代碼發送線路板。
具體實施方式
頭盔為普通礦用安全帽，由工程塑料ABS注塑成型，在井下使用， 要求阻燃和不產生靜電，其后部要按電池外型尺寸向外適當擴大，以便安放聚合物鋰離子電池，電池由噴漆的0. 3mm鐵板保護，以防萬一，主燈由大功率IWLED發光，由密封防水的開關開斷，有密封防水的聚光透鏡及聚光反射罩，輔燈為兩個小的f 3LED，由另一個密封防水開關開斷，小燈也裝于頭盔前部，左右一邊一個，與垂直方向向下呈60度角安裝，以便從頭
5頂可照到腳前兩米區域。聚光透鏡，聚光反射罩等和現有礦燈所使用的相同，瓦斯檢測傳感器采用二氧化錫半導體氣敏傳感器，先用1. 3伏130mA快速加熱15秒，隨后降到1. 0伏維持10秒，立即檢測傳感器輸出電壓，8次A/D轉換后平均，再與傳感器1.5% 2%濃度標準值比較(每個傳感器要分別篩選后將標準值存入配套的單片機EPROM中)，然后轉入不同子程序進行閃光一次兩次三次或不閃光，隨后等待下一次檢測，閃光是單片機I/O 口輸出一個寬度為200毫秒的正脈沖作為功率三極管基極輸入信號，而三極管集電極與發射極又與主燈LED并聯，這樣就會短路通過主燈的電流而使LED熄滅0. 2秒，加熱電壓的調節是根據負載上的反饋電壓，單片機另一 I/O 口輸出的脈寬比例變化，通過功率三極管的通斷控制電池對大電容的充電時間，此電容上的電壓又經二極管單向向另一電容鋸齒波狀放電，再經電感電容濾波后去加熱傳感器內的鉬金絲，先控制大約1.3伏130毫安左右加熱15 秒，當溫度達190°C以上后，降低電壓也就是降低脈沖寬度使為1. 0伏，維持10秒，傳感器溫度穩定后立即檢測，隨即停止加熱，直到五分鐘或三分鐘以后。至于自動發送個人代碼信息的方法，是井上有主計算機，各分叉岔道口內2-3米處設超高頻無線發射接收站，發射的信號，被一體化礦燈上的接收模塊收到，此信號啟動礦燈上的發射模塊，發射由本人代碼信息調制的載波，并觸發單穩電路，其輸出關斷接收模塊電源，延時約10-15秒，又通過功率三極管瞬時開啟主燈閃光0. 2-0. 3秒，讓工人知道已登記，裝置工作正常，在12-15秒內能有足夠時間通過這接收站有效范圍(約3 4米)，使之不會重復發送，因為井上數據處理系統第二次收到同一個人的代碼，會認為已離開岔道回家，會消號的，個人代碼發送后，接收站無線接收模塊收到，經處理后通過光纜送井上數據處理系統存儲。這些超高頻無線發射接收模塊可選用無線電遙控專用模塊。航模、小孩玩具中都已廣泛使用，業余無線電愛好者都運用純熟，就不用詳細說明。至于發生事故后被困井下，只有走或爬到有光纜的最近岔道口，這時主動關礦燈上的輔燈開關，礦燈上無線發送接收模塊的供電是通過輔燈開關控制的，一開就會立即發個人代碼，隨即又關電源又開，這樣又發一次，按以前和井上的約定密碼，可以報告井下生存情況，但那些被壓住不能動或受傷嚴重的人是很難和井上聯絡的。光纜一般被泥石壓住或被水淹還是可傳送信息的。
權利要求1.節能型多功能一體化礦燈是根據煤礦安全需要對傳統礦燈全面改進后的新型礦燈， 其特征為(1)將礦用頭盔后部向后擴展一個能安放電池的空間，電池正負極用雙導線經頭盔頂部接至頭盔前部主輔燈開關而使礦燈一體化；(2)頭盔前部除較大功率LED白色發光二極管主燈外，其下部左右兩邊有小LED輔燈斜向照路，聚光罩下部裝有瓦斯檢測氣敏傳感器及控制主燈亮度閃光及瓦斯檢測電控線路板；(3)頭盔前部還有自動發送本人代碼信息，通過近距離微功耗無線電收發模塊傳送以及最后到達井上計算機數據處理系統的光纜。
2.根據權利要求1所述節能型多功能一體化礦燈，其特征為主燈經同步整流型DC/DC 變換器模塊供電。
3.根據權利要求1所述節能型多功能一體化礦燈，其特征為瓦斯濃度檢測及閃光功能由單片機定時自動進行。
專利摘要節能型多功能一體化礦燈屬礦燈領域，是國內外煤礦井下所用傳統礦燈的徹底變革，不再是安全帽和插在安全帽前部的燈，而是電池在安全帽后部，用鐵板保護，由于節能設計可使燈整個工作時間內照度不變。輔燈為左右兩個小燈，從前額斜向射出，供坑道行走時照亮腳前兩米范圍，工人可抬頭挺胸行走而不必拿著燈低頭左右找路。開主燈后，每五分鐘自動加熱并檢測瓦斯含量一次，如瓦斯含量體積比達1％則主燈閃光一次，達1.5％則閃光兩次，隨后每三分鐘檢測一次，如達2％，則閃光三次，提示考慮離開現場，比例標準可根據不同煤礦設定，工人在坑道分叉處進出時，自動發出本人代碼，經光纜傳出可定位。本礦燈比現有礦燈加安全帽輕，成本低，舒適安全方便。
文檔編號F21L4/00GK202048374SQ20102055818
公開日2011年11月23日 申請日期2010年10月13日 優先權日2010年10月13日
發明者彭映斌, 彭有有, 蔣家飛 申請人:彭映斌