一种隧道施工用智能安全帽

技术领域

本发明涉及安全设备技术领域，特别是一种隧道施工用智能安全帽。

背景技术

随着国家经济的迅速发展，我国的隧道建设更是日新月异。高速公路及铁路隧道等改善了路线技术指标、缩短了路程和行车时间，提高了运营效益。隧道施工因施工条件及环境等因素限制，存在的施工管理复杂、安全隐患多、施工条件恶劣一直是目前隧道工程中的管理难点。尤其是山区隧道的施工，不但施工中粉尘会对工人的健康带来影响，且由于存在瓦斯等可燃气体泄漏的几率，更会对施工人员的人身安全带来威胁。

为了防止瓦斯泄漏对施工人员安全带来影响，现有技术中会在隧道内安装瓦斯探测器，当探测到隧道内瓦斯泄漏时，生成报警信号提示施工人员及时撤离现场。上述方式虽然取得了一定的安全效果，但是瓦斯探测器由于安装位置固定、且探测的区域有限，实际应用中，很有可能探测处没有瓦斯泄露，而在其他没有检测到的点位有瓦斯泄漏，进而造成施工人员瓦斯中毒情况。目前对于隧道施工中的粉尘控制，一般都是在隧道内明显目视出现粉尘超标时，工作人员才会打开喷淋设备等进行降尘处理；上述控制模式，由于隧道施工面较多，相关人员并不能实时对每个施工区域进行粉尘检查，因而施工人员的健康得不到保证。还有就是，特别在夏天闷热天气作业时，当温度高时极有可能造成施工人员中暑，对工人的健康会带来影响。最后就是，隧道施工中，由于作业面狭小，施工人员稍不小心就有可能头部安全帽碰撞到作业面或其他施工设备等，当碰撞力过大时，有几率会造成人头部等位置受到伤害。

发明内容

为了克服现有隧道施工中应用的瓦斯探测器，因结构所限无法有效保证隧道内各点位施工人员的人身安全，相关人员无法实时检测隧道内粉尘，会对施工人员健康带来影响，工作人员在隧道内施工头部容易碰撞到异物进而受到伤害，以及无法了解作业温度存在中暑机率的弊端，本发明提供了基于安全帽本体，在安全帽本体上安装了气体探测电路、粉尘探测电路及高度探测电路、温度探测电路等，应用中每个施工人员佩戴安全帽本体作业，当其附近隧道作业点位发生瓦斯泄漏及粉尘超标时，能第一时间发出不同警示信号，提示施工人员及时撤离现场，温度超标时能提示工作人员暂时停止作业防止中暑，作业中当施工人员头部接近头顶作业面或其他施工设备一定距离时，能及时提示施工人员注意安全，且发生瓦西泄漏时，还能及时通知管理室内人员及时采取应对措施，由此能对施工人员能起到好的保护作用的一种隧道施工用智能安全帽。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种隧道施工用智能安全帽，包括安全帽本体、蓄电池、电源开关、充电插座；其特征在于还具有气体探测电路、粉尘探测电路及高度探测电路、无线发射电路、无线接收电路、温度探测电路；所述安全帽本体的上端有壳体，蓄电池、电源开关、充电插座、气体探测电路、粉尘探测电路及高度探测电路、无线发射电路、温度探测电路安装在壳体内；所述无线接收电路安装在在施工区域附近的管理室内；所述蓄电池和气体探测电路、粉尘探测电路及高度探测电路、温度探测电路的电源输入两端分别电性连接；所述气体探测电路的电源输出端和无线发射电路的电源输入端电性连接，高度探测电路的信号输入端和粉尘探测电路的信号输出端电性连接；所述无线接收电路包括稳压电源和触发子电路，稳压电源的电源输出端和触发子电路的电源输入端电性连接。

进一步地，所述气体探测电路包括气敏器件、电阻、可调电阻、二极管、继电器、讯响器、NPN三极管，其间电性连接，气敏器件第一测量极和电阻一端、继电器正极及控制电源输入端连接，电阻另一端和气敏器件的正极电源输入端连接，气敏器件负极电源输入端和二极管负极、讯响器负极电源输入端、NPN三极管发射极连接，二极管正极和第一只可调电阻一端连接，第一只可调电阻另一端和第二只可调电阻一端、气敏器件的第二测量极连接，第二只可调电阻另一端和NPN三极管基极连接，NPN三极管集电极和继电器负极电源输入端连接，继电器常开触点端和讯响器正极电源输入端连接。

进一步地，所述高度探测电路包括光电开关、振动电机，其间电性连接，光电开关的负极电源输入端和振动电机的负极电源输入端连接，光电开关的电源输出端和振动电机正极电源输入端连接。

进一步地，所述粉尘探测电路包括光电二极管和光电三极管、电阻、可调电阻、二极管、电解电容、NPN三极管，其间电性连接，光电二极管正极和第一只可调电阻一端、第一只NPN三极管集电极连接，光电二极管负极和光电三极管集电极、第一只电阻一端连接，第一只电阻另一端和第二只可调电阻一端连接，光电三极管发射极和第二只电阻一端、二极管正极连接，二极管负极和第三只电阻一端连接，第三只电阻另一端和第二只NPN三极管基极连接，第二只NPN三极管集电极和第一只可调电阻另一端连接，第一只可调电阻滑动触点端和第一只NPN三极管基极连接，第一只NPN三极管发射极和电解电容正极连接，第二只电阻另一端、第二只可调电阻另一端、电解电容负极、第二只NPN三极管发射极连接。

进一步地，所述无线发射电路是无线发射电路模块，无线发射电路模块的其中一只无线发射按键键下两个触点电性连接在一起。

进一步地，所述无线接收电路的稳压电源是交流转直流开关电源模块；触发子电路包括无线接收电路模块、电阻、NPN三极管和讯响器，其间电性连接，无线接收电路模块的正极电源输入端和讯响器正极电源输入端、稳压电源的正极电源输出端连接，稳压电源的负极电源输出端和NPN三极管发射极、无线接收电路模块的负极电源输入端连接，NPN三极管集电极和讯响器负极电源输入端连接，无线接收电路模块的输出端和电阻一端连接，电阻另一端和NPN三极管基极连接。

进一步地，所述温度探测电路包括温度开关和蜂鸣器，其间电性连接，温度开关一端和蜂鸣器正极电源输入端连接。

本发明有益效果是：本发明应用中，每个施工人员均佩戴一顶安全帽本体作业。作业时，当施工人员作业点位发生瓦斯泄漏时，会被气体探测电路探测到，发生粉尘超标时会被粉尘探测电路探测到；进而气体探测电路探测能发出响亮的警报声提示作业人员及时撤离现场，振动电机发出振动提示施工人员作业点位粉尘超标可暂停作业（后续相关人员对作业点位进行喷水降尘处理等），由于，瓦斯超标和粉尘超标提示的方式不同，这样施工人员能根据不同的报警信息进行相应的动作，如果瓦斯超标马上撤离现场到隧道外，粉尘超标可就在隧道内粉尘不超标区域等待相关人员降尘处理再做业，给施工人员带来了便利。本发明的高度探测电路中，当施工人员头部上端接近头顶作业面或其他施工设备一定距离时，能及时经振动电机振动提示施工人员注意安全，不要碰撞到头部，起到了好的安全防护作用。本发明当隧道内温度超过40℃时（夏天闷热天气），温度探测电路蜂鸣器会发出响亮提示声音，工作人员听到声音后，可暂时停止作业，有效防止了中暑等。本发明中，发生瓦斯泄漏时，还能及时经无线发射电路及无线接收电路通知管理室内人员及时采取应对措施，比如通知隧道内所有人员尽快撤离，打开隧道内应急排风设备、排出隧道内瓦斯，打开喷淋设备稀释瓦斯气体等，能对施工人员能起到好的保护作用。基于以上，所以本发明具有好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明整体及局部放大结构示意图。

图2、3是本发明电路图。

具体实施方式

图1中所示，一种隧道施工用智能安全帽，包括安全帽本体1、蓄电池2、电源开关3、充电插座4；还具有气体探测电路5、粉尘探测电路6及高度探测电路7、无线发射电路8、无线接收电路、温度探测电路11；所述安全帽本体1的上端外有一个和安全帽本体一体成型且和安全帽本体上端弧形一致的壳体101，蓄电池2、电源开关3、充电插座4、气体探测电路5、粉尘探测电路6及高度探测电路7、无线发射电路8、温度探测电路11安装在电路板上，电路板安装在壳体1内；所述无线接收电路安装在元件盒10内电路板上，元件盒10安装在施工区域附近的管理室内；无线接收电路包括稳压电源91和触发子电路92。

图1、2、3中所示，蓄电池G是12V/2Ah片状锂蓄电池，电源开关S是拨动电源开关，充电插座CZ是同轴电源插座，电源开关S的手柄、充电插座CZ的插孔位于壳体上端其中两个开孔外。气体探测电路包括型号QM-N5的气敏器件A、电阻R、可调电阻RP及RP1、二极管VD、继电器K、讯响器B、NPN三极管Q1，其间经电路板布线连接，气敏器件A第一测量极3脚和电阻R一端、继电器K正极及控制电源输入端连接，电阻R另一端和气敏器件A的正极电源输入端1脚连接，气敏器件A负极电源输入端2脚和二极管VD负极、讯响器B负极电源输入端、NPN三极管Q1发射极连接，二极管VD正极和第一只可调电阻RP一端连接，第一只可调电阻RP另一端和第二只可调电阻RP1一端、气敏器件A的第二测量极4脚连接，第二只可调电阻RP1另一端和NPN三极管Q1基极连接，NPN三极管Q1集电极和继电器K负极电源输入端连接，继电器K常开触点端和讯响器B正极电源输入端连接；气敏器件51的探测头前端位于壳体101前端第三个开孔外（开孔前圆形金属网保护，圆形金属网加热固定安装在开孔前）。高度探测电路包括光电开关A2（71）、振动微型电机M（振动微型电机72是12V、2W直流电机前安装一个偏心轮构成，和手机振动电机构造一致），其间经电路板布线连接，光电开关A2的负极电源输入端2脚和振动电机M的负极电源输入端连接，光电开关A2的电源输出端3脚和振动电机M正极电源输入端连接，光电开关71的探测头垂直位于壳体101上端中部第四个开孔外侧（利于探测上端的物体）；光电开关A2是型号E3Z-D62的PNP型远距离方形壳体红外反射光电开关成品（小型），每只具有三根连接线，其中两根是电源输入线1及2脚，另一根是信号输出线3脚，光电探测开关的上端具有一个探测头，工作时其探测头的发射头会直线发射出红外光线，当最远60厘米范围内，探测头发射出的红外光线被物品阻挡、经探测头的接收头接收到后，输出线3脚会输出高电平，在光电探测开关的壳体下端内具有调节旋钮，调节旋钮向左调节其探测头的探测距离变近，向右调节时其探测头的探测距离变远（本实施例调节后探测距离30cm）。

图1、2、3中所示，粉尘探测电路包括光电二极管VD1和光电三极管Q5，电阻R1、R2、R3，可调电阻RP2、RP3，二极管VD2，电解电容C2，NPN三极管Q3、Q4，其间经电路板布线连接，光电二极管VD1（61）和光电三极管Q5(62)面对面焊接在电路板上、两者间隔3cm左右，光电二极管VD1的发射头和光电三极管Q5的接收面处于面对面状态，壳体前端有第五个开孔（开孔前有圆形金属网保护，圆形金属网加热固定安装在开孔前），光电二极管VD2和光电三极管Q5位于开孔内后侧；光电二极管VD1正极和第一只可调电阻RP3一端、第一只NPN三极管Q4集电极连接，光电二极管VD1负极和光电三极管Q5集电极、第一只电阻R2一端连接，第一只电阻R2另一端和第二只可调电阻RP2一端连接，光电三极管Q5发射极和第二只电阻R1一端、二极管VD2正极连接，二极管VD2负极和第三只电阻R3一端连接，第三只电阻R3另一端和第二只NPN三极管Q3基极连接，第二只NPN三极管Q3集电极和第一只可调电阻RP3另一端连接，第一只可调电阻RP3滑动触点端和第一只NPN三极管Q4基极连接，第一只NPN三极管Q4发射极和电解电容C2正极连接，第二只电阻R1另一端、第二只可调电阻RP2另一端、电解电容C2负极、第二只NPN三极管Q3发射极连接。无线发射电路A3是型号ZYO1500-A72的无线发射电路成品，其无线信号发射距离是1500米，无线发射电路模块的第一只无线发射按键S1键下两个触点经导线连接在一起。温度探测电路包括温度开关和蜂鸣器B2，其间经电路板布线连接，温度开关W一端和蜂鸣器B2正极电源输入端连接。

图1、2、3中所示，无线接收电路的稳压电源A4是型号220V/5V/100W的交流220V转直流5V开关电源模块成品；触发子电路包括型号ZYO1500-A72的无线接收电路模块A5、电阻R5、NPN三极管Q6和讯响器B1，其间经电路板布线连接，无线接收电路模块A5的正极电源输入端1脚和讯响器B1正极电源输入端、稳压电源A4的正极电源输出端3脚连接，稳压电源A4的负极电源输出端4脚和NPN三极管Q6发射极、无线接收电路模块A5的负极电源输入端3脚连接，NPN三极管Q6集电极和讯响器B1负极电源输入端连接，无线接收电路模块A5的输出端4脚和电阻R5一端连接，电阻R5另一端和NPN三极管Q6基极连接。

图1、2、3中所示，蓄电池G两极和充电插座CZ两个接线端分别经导线连接(蓄电池G无电时可把外部12V电源充电器插头插入充电插座CZ内为蓄电池G充电）。蓄电池G正极和电源开关S一端经导线连接。电源开关S另一端、蓄电池G负极和气体探测电路电源输入两端电阻R一端及二极管VD负极、粉尘探测电路电源输入两端光电二极管VD1正极及电阻R1另一端、高度探测电路电源输入两端光电开关A2的1及2脚、温度探测电路的电源输入两端温度开关W另一端及蜂鸣器B2负极电源输入端分别经导线连接。气体探测电路的电源输出端继电器K常开触点端及NPN三极管Q1的发射极和无线发射电路A3的电源输入端VCC及GND分别经导线连接。高度探测电路的信号输入端振动电机M的正极电源输入端和粉尘探测电路的信号输出端NPN三极管Q4发射极经导线连接。无线接收电路包括稳压电源和触发子电路，稳压电源A4的电源输入端1及2脚和交流220V电源两极分别经导线连接（电源插头插入市电插座）。稳压电源A4的电源输出端和触发子电路的电源输入端讯响器B1正极电源输入端及NPN三极管Q6发射极分别经导线连接。

图1、2、3所示，220V交流电源进入稳压电源A4的1及2脚后，稳压电源A4在其内部电路作用下3 及4脚会输出稳定的5V直流电源进入触发子电路的电源输入端，于是，触发子电路处于得电工作状态。本发明中，每个隧道施工人员均佩戴一定安全帽本体1作业，进入隧道内前打开电源开关S，于是气体探测电路、粉尘探测电路及高度探测电路、温度探测电路均处于得电工作状态。气体探测电路中，气敏器件A得电工作后（电阻R为气敏器件A降压限流，防止气敏器件A工作电压及电流过高），当作业点位没有瓦斯泄漏时，气敏器件的第一测量极3脚和第二测量极4脚之间内阻较大，这样，气敏器件A的4脚经可调电阻RP降压限流、二极管VD单向导通对地电压较低，且通过可调电阻RP1降压限流后进入NPN三极管Q1的基极低于0.7V，NPN三极管Q1处于截止状态，那么后级的讯响器B也就不会得电发声，施工人员正常作业。当气敏器件A得电，作业点位周边发生了瓦斯泄漏时，此刻在气敏器件A内部机构作用下，其第一测量极3脚和第二测量极4脚之间的内阻会迅速下降，气敏器件A的4脚对地电压升高，且通过可调电阻RP1降压限流后进入NPN三极管Q1的基极高于0.7V，于是，NPN三极管Q1导通其集电极输出低电平进入继电器K的负极电源输入端，继电器K得电吸合其控制电源输入端和常开触点端闭合。由于，继电器K的常开触点端和讯响器B及无线发射电路模块A3的正极电源输入端VCC连接（无线发射电路模块A3得电），所以此刻讯响器B会发出响亮的提示声音，提示作业人员及附近听到讯响器B发声的人员、作业点位发生瓦斯泄露了，马上撤离现场到隧道外，以免造成严重的人身伤害事故（直到作业人员离开瓦斯泄漏区域或关闭电源开关，讯响器B才失电不再发声）。由于，无线发射电路模块A3的第一只无线发射按键S1键下两个触点经导线连接在一起，所以作业点位瓦斯泄漏，无线发射电路模块A3得电后，无线发射电路模块A3会发射出第一路无线闭合信号。实际情况下，隧道内任何一个施工点位的施工人员附近发生了瓦斯泄漏，其安全帽本体处的无线发射电路模块A3发射出第一路无线闭合信号后，1500米范围内（如果隧道长度长，可采用更长无线信收发距离的无线发射电路模块及无线接收电路模块，满足实际需要），无线接收电路模块A5接收到第一路无线闭合信号后，其4脚（本实施例中，无线接收电路模块A5的2、5、6、7脚悬空）会输出高电平经电阻R5降压限流进入NPN三极管Q6基极，于是，NPN三极管Q6导通集电极输出低电平进入讯响器B1负极电源输入端，讯响器B1得电发出响亮提示声音，提示管理室内人员及时采取应对措施，比如通知隧道内所有人员尽快撤离，打开隧道内应急排风设备、排出隧道内瓦斯，打开喷淋设备稀释瓦斯气体等，能对施工人员能起到好的保护作用。

图1、2、3所示，粉尘探测电路中，光电二极管VD1和光电三极管Q5处于串联状态；粉尘探测电路得电工作后，光电二极管VD1得电其发射出的红外光线照射在光电三极管Q5受光面上，光电三极管Q5受光照其内阻降低，使得光电二极管VD1和光电三极管Q5组形成的串联电路电流增大，此电流流过光电二极管VD1使其发光强度增大，再照射在光电三极管Q5受光面上，使光电三极管Q5内阻变得更小，如此循环形成了强烈的正反馈过程，串联回路的电流上升到最大值，光电二极管VD1就会处于最大功率状态，达到更好的探测效果；此时，作为负载电阻R1上产生的电压降经二极管VD2单向导通进入NPN三极管Q3的基极（高于0.7V，电阻R3降压电流），于是，NPN三极管Q3导通其集电极输出低电平进入NPN三极管Q4的基极，NPN三极管Q4基极无合适正向偏压截止，那么振动电机M也就不会得电工作。当作业点位粉尘较多时，粉尘会阻挡光电二极管VD1发射出的红外光线，空气的透光性变差（光电二极管VD1光通量减小），这样，光电二极管VD1照射到光电三极管Q5受光面上红外光线减少，进而光电三极管Q5的受光面由于红外光线变弱内阻变大，和光电二极管VD1组成的串联回路电流变小，如此循环形成了负反馈过程，最终导致光电二极管VD1的电流稳定在起始电流值；此刻电阻R1上的压降降低（低于1.2V），经二极管VD单向导通、电阻R3降压限流进入NPN三极管Q3的基极电压低于0.7V，于是，NPN三极管Q3截止其集电极不再输出低电平进入NPN三极管Q4的基极；NPN三极管Q4基极经由可调电阻RP3滑动触点端从12V电源正极获得合适正向偏压导通。NPN三极管Q4导通后，其发射极输出高电平进入振动电机M的正极电源输入端（电解电容C2滤波作用），于是振动电机M得电发出振动，这样作业人员头部受到震动提示后，就能直观知道现场粉尘超标了（或者提示头部接近头顶作业面或其他施工设备一定距离），直到作业人员离开粉尘超标现场或关闭电源开关，振动电机M才失电不再工作；粉尘超标施工人员可就在隧道内粉尘不超标区域等待相关人员降尘处理再作业，给施工人员带来了便利。本发明中的电阻R1、可调电阻RP2是正反馈控制电阻，生产时需要确定可调电阻RP2的电阻值，确定时，把本发明置于具有灰尘的室内（灰尘量大小就是后续产品报警的阈值点，测试人员戴上口罩），然后慢慢调节可调电阻RP2的电阻值，使流过光电二极管VD1的电流刚好产生负反馈作用，且振动电机刚好得电产生振动就可，后续实际应用中，现场粉尘量超标时，振动电机M就会得电工作。确定后，技术人员测定可调电阻RP2的此时电阻值，后续批量生产直接把可调电阻RP2的阻值调节到位就可，也可用相同阻值的固定电阻代替，不再进行电阻值的确定。

图1、2、3所示，高度探测电路中，当作业人员头顶的安全帽本体1上端间隔隧道作业面或其他施工设备一定距离以上时(比如大于30cm,具体高度还可通过调节光电开关A2的旋钮设定)，光电开关A2的3脚不输出高电平，那么振动电机M也就不会得电工作。实际施工中，当作业人员头顶的安全帽本体1上端间隔隧道作业面或其他施工设备一定距离以下时(比如少于30cm)，光电开关A2的3脚会输出高电平进入振动电机M的正极电源输入端，于是振动电机M得电发出振动，这样作业人员头部受到振动提示后，就能直观知道自己头顶间隔作业面或其他施工设备距离过近了（或者现场粉尘超标，实际情况下，作业人员在高位作业就能马上判断出振动电机M的振动提示，是因为部自己头顶间隔作业面或其他施工设备距离过近了；如果在进行土方开挖、浇筑混凝土等等，就能直观知道是作业点位粉尘超标了；粉尘超标或者间隔作业面、其他施工设备距离过近，不像瓦斯泄漏那样带来的危害大，施工人员可以有一定时间的反应，所以本实施例采用同一振动电机提示施工人员粉尘超标及头部接触其他物体过近），引起施工人员的警觉，防止头部碰撞到头顶作业面或其他施工设备造成伤害。温度探测电路中，当隧道内作业点位低于40℃时，温度开关W内部触点开路，那么蜂鸣器B2不会得电工作，代表此刻隧道内温度合适。当隧道内作业点位高于40℃时，温度开关W内部触点闭合，这样，12V电源会进入蜂鸣器B2正极电源输入端，于是蜂鸣器B2会得电工作发声，代表此刻隧道内温度超温，这样工作人员就可听到蜂鸣器B2发声后暂时离开隧道内，防止中暑，等隧道内温度合适后再继续施工（蜂鸣器B2的发声为滴滴声音，和讯响器B不同，工作人员是有效区分）。图2、3中，电阻R、R1、R2、R3、R5电阻值分别是47Ω、220Ω、1K、30K、1K；可调电阻RP、RP1、RP2、RP3规格分别是2.2K、20K、4.7K、4.7K；NPN三极管Q1、Q3、Q4、Q6型号分别是9013、9014、9014、9013；二极管VD、VD2型号分别是1N4001、1N4148；继电器K是DC12V继电器；电解电容C2型号是4.7μF /25V；讯响器B（工作电压12V）、B1（工作电压5V）是型号的SFM-27有源连续声讯响器成品；光电二极管VD1型号是BT401；光电三极管Q5是型号3DU4的光电三极管成品；蜂鸣器B2是型号TMB12A12的微型蜂鸣器成品；温度开关是片状40℃突跳式常开触点温度开关。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。