基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统和方法

技术领域

本发明涉及光声光谱技术领域，具体涉及基于一种基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统和方法。

背景技术

2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，将甲醛放在一类致癌物列表中。2019年7月23日，甲醛被列入有毒有害水污染物名录(第一批)。其浓度在每立方米空气中达到0.08-0.09mg/m

一直以来甲醛含量检测备受重视，较为成熟的方法有：色谱分析法、质谱分析法、气相色谱-质谱联用法等。以上方法可以准确的测量出甲醛的含量，但它们的存在如：分析时间较长，不能是实时监测，对技术人员的要求高，仪器较大不能在室内或者实验室外直接使用，仪器的成本也相对较高等问题。

光声检测是一种新型的检测手段，当用一束红外激光照射到密封的甲醛气体上，如果此波段激光的频率与甲醛气体的特殊官能团的振动频率不吻合，该波段激光将不会被吸收；如果此波段的激光的频率与甲醛气体的振动频率吻合，此激光将被分子吸收并以释放热能的方式退激，光声检测是直接取决于物质吸收光能的大小，正因为如此，反射光、散射光对于物质的检测干扰特别小，对于弱吸收的物质可采取提高入射光的光功率，从而提高光声检测的信噪比。

因此，行业内急需研发一种检测精度和灵敏度更高的基于光声检测甲醛气体的系统或者方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足，提供了一种基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统，包括：红外光源、斩波器、光声池、滤波片、声信号采集单元和声信号处理单元；红外光源、斩波器以及滤波片依次连接；声信号采集单元放置在光声池内腔,声信号采集单元和声信号处理单元连接，光声池面向红外光源的侧面设置有氟化钙镜片；红外光源、斩波器、滤波片和氟化钙镜片在同一水平轴线；声信号采集单元，用于采集气体吸收激光后产生的周期性压力波动信号，并将压力波动信号转化为电信号；声信号处理单元，用于处理电信号，将处理后的电信号和预先生成的电信号-甲醛气体浓度标准曲线进行对比，得到待测气体的甲醛气体浓度。

优选地，声信号采集单元为极柱体微音器或压电陶瓷传声器。

优选地，声信号处理单元包括依次连接的放大单元、单片机以及LCD显示屏，放大单元包括：第一级放大器U1、第二级放大器U2、负电源转换芯片U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、滑动电阻RP1、滑动电阻RP2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、二极管D1和二极管D2；第一级放大器U1的+IN端、-IN端通过接口H1和声信号采集单元连接，第一级放大器U1的RG/2端通过电阻R1和RG端连接，第一级放大器U1的-IN端通过电阻R2连接至地，第一级放大器U1的+IN端通过电阻R3连接至地，第一级放大器U1的-VS端通过电容C9连接至地，第一级放大器U1的+VS端和+5V电源端连接，第一级放大器U1的OUTPUT端依次通过电阻R4、电容C1连接至地，第一级放大器U1的REF端连接至地；电阻R5的另一端通过电容C2连接至地，电阻R5的另一端还通过电阻R7和滑动电阻RP1的滑动端连接，电阻R5的另一端还和第二级放大器U2的输出端连接，第二级放大器U2的负向输入端和单片机连接,第二级放大器U2的负向输入端还通过电容C6和第二级放大器U2的正向输入端,第二级放大器U2的负向输入端还通过滑动电阻RP2和第二级放大器U2的正向输入端,滑动电阻RP2的滑动端和第二级放大器U2的正向输入端,第二级放大器U2的正向输入端通过电阻R8连接至地，第二级放大器U2的接地端连接至地，第二级放大器U2的电源端和+5V电源端连接，负电源转换芯片U3的NC端、CAP+均通过电容C8和CAP-端,负电源转换芯片U3的接地端连接至地，负电源转换芯片U3的V+端和+5V电源端连接，负电源转换芯片U3的OSC端、LV端、VOUT端均连接至地，负电源转换芯片U3的VOUT端还依次通过电阻R9、二极管D1、二极管D2、电阻R6和+5V电源端连接，二极管D1的负极还连接至地。

优选地，单片机U4的P1.1/ADC1和第二级放大器U2的负向输入端连接，单片机U4还和显示屏LCD1连接。

优选地，光声池包括光声腔和气体发生腔，气体发生腔为立方体，光声腔包括第一圆柱体和第二圆柱体，第一圆柱体和第二圆柱体垂直设置且连通，声信号采集单元设置在第一圆柱体和第二圆柱体交叉处，第一圆柱体的下端和气体发生腔连通，第一圆柱体的侧面的入光面设置有氟化钙镜片，气体发生腔，用于放置待测物体。

优选地，气体发生腔的底部设置加热层，待测物体放置在加热层上。

优选地，供电电路；供电电路和放大单元、声信号采集单元均连接，供电电路包括直流电源，直流电源为直流稳压电源。

一种光声光谱技术的实时甲醛气体含量检测方法，包括将待测对象放置在光声池中进行密封，红外光源输出红外激光，红外激光依次经过斩波器、滤波片入射至光声池，待测对象吸收红外激光，释放热能，产生周期性压力波动信号，声信号采集单元采集压力波动信号，并将压力波动信号转化为电信号；声信号处理单元对电信号进行处理，将处理后的电信号和预先生成的电信号-甲醛气体浓度标准曲线进行对比，得到待测对象的甲醛气体浓度。

优选地，待测对象为气体。

优选地，待测对象为会释放甲醛气体的物体。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

本发明将红外吸收和光声光谱技术结合在一起实现了在线检测，提高了系统灵敏度。它不像红外吸收方法那样利用光电传感器来对吸收的光强进行检测，而是利用光声腔作为信号提取装置间接得到声音信号。因此，它的探测灵敏度不等同于红外吸收光谱法的检测灵敏度。同时，光声检测和一般的气体检测方法区别在于，光声检测是直接取决于物质吸收光能的大小，由于不同分子不同波长的红外光具有选择性吸收的特性，对不同气体有着极高的特异性识别。气体小分子如甲醛红外光谱中具有很细的振转吸收峰。理论上各响分子的振动应峰是线光谱，分辨率极高。具体地:

1.由于是直接测量甲醛对于固定波长的红外光的吸收，反射光、散射光对于物质的检测干扰特别小，对于弱吸收的物质可采取提高入射光的光功率，从而提高光声检测的信噪比。所以光声检测甲醛具有极高的精确性、可靠性和高灵敏度，灵敏度可达0.1ppm甚至更低几个ppb。

2.几乎没有零点漂移现象，在甲醛红外吸收波段如果没有被测甲醛气体时，不会产生声信号。

3.由于其选择性吸收特性，可以实现在一个光声腔内同时监测多种气体。

4.由于采用声信号检测而非光电探测器，提高了探测器的品质，保证了长期工作的的稳定性,并使得探测器无须校准和标定。

5.气体光声光谱检测系统的运行比较简单，时间响应也比较快，这为微量且低浓度的甲醛气体的实时、在线监测提供了前提条件。

6.本发明只需一个亚克力腔体、极柱体微音器、自制的信号放大器和自制单片机模块和显示器等。体积小、简单并且廉价，其体积小、高灵敏度检测性价比极高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统的结构示意图。

图2为本发明的光声池的结构示意图。

图3为本发明的放大单元的电路图。

图4为本发明的单片机和LCD显示屏的电路图。

图5为本发明的检测气体甲醛振转吸收峰图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明利用光声光谱技术，通过甲醛气体对某一特定波长的红外光的响应，即利用甲醛对于1.93um和3.55um波段的红外光特异性的吸收，不断照射光声池，获得甲醛的光声信号和甲醛浓度的关系。具体方案如下：

参见图1-2、一种基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统，包括：红外光源11、斩波器12、红外窄带滤波片13、光声池、极柱体微音器、放大器、单片机和LCD显示屏。光声池包括光声腔和气体发生腔14，气体发生腔14为立方体，光声腔包括第一圆柱体15和第二圆柱体16，第一圆柱体15和第二圆柱体16垂直设置且连通，极柱体微音器设置在第一圆柱体15和第二圆柱体16交叉处，第一圆柱体15的下端通过螺纹和气体发生腔14连通，第一圆柱体15的侧面的入光面设置有氟化钙镜片，气体发生腔，用于放置待测物体。极柱体微音器、放大器、单片机和LCD显示屏依次连接，红外光源11、斩波器12、滤波片和氟化钙镜片在同一水平轴线；其中光声腔为声学谐振腔结构，当振动信号经过光声腔两结构交叉位置时交叉位置中的气体在声压的作用下像活塞一样往复运动，具有一定的声质量，而整个空腔结构具有一定的声顺，当声波频率和空腔固有频率一致时将发生共振，此时在共振频率及其附近频率空气的振动速度最大，当声波到达分叉点时，声阻抗突变声能被大部分反射回去，一部分因为腔体的摩擦阻尼转化成热能消失，剩下小部分继续传播，从而达到消声的效果，此时消声效果最好。

光声池池主体材料由亚克力板构成，光声池的气体发生腔14的一侧板141为采用铰链连接的开合式，可以开合以放置待测物品。通过铰链式的开关方式以及密封圈的使用，可以使气体发生腔14达到较为密闭的环境，便于隔绝外部环境干扰。气体发生腔14底部设置接口外接机械泵抽光声池内存在的空气，实现装置较高气密性以及有利于甲醛气体更好挥发。此外气体发生腔14的底部有加热层，可调节加热温度，能释放甲醛气体的待测物体放置在加热层上，待测物体被加热时，加速释放甲醛气体，红外光源11输出的激光照射光声池内的含有甲醛的空气。光声腔属空腔式光声池，其有三种共振模式径向，交向以及纵向。在声波传播消耗方面，径向和交向在侧面和端面都会发生粘带损耗，而纵向共振模式的声波和光声腔共振腔垂直，于端面是平行的，因此损耗只在端面产生，所以损耗最小。

在本实施例，参见图3-4，声信号处理单元包括依次连接的放大单元17、单片机18以及LCD显示屏19，极柱体微音器用于采集气体吸收激光后产生的周期性压力波动信号，并将压力波动信号转化为电信号；放大单元17，用于将电信号进行放大，单片机18，用于处理电信号，将处理后的电信号和预先生成的电信号-甲醛气体浓度标准曲线进行对比，得到待测气体的甲醛气体浓度。

放大单元17包括：第一级放大器U1、第二级放大器U2、负电源转换芯片U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、滑动电阻RP1、滑动电阻RP2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、二极管D1和二极管D2；第一级放大器U1的+IN端、-IN端通过接口H1和声信号采集单元连接，第一级放大器U1的RG/2端通过电阻R1和RG端连接，第一级放大器U1的-IN端通过电阻R2连接至地，第一级放大器U1的+IN端通过电阻R3连接至地，第一级放大器U1的-VS端通过电容C9连接至地，第一级放大器U1的+VS端和+5V电源端连接，第一级放大器U1的OUTPUT端依次通过电阻R4、电容C1连接至地，第一级放大器U1的REF端连接至地；电阻R5的另一端通过电容C2连接至地，电阻R5的另一端还通过电阻R7和滑动电阻RP1的滑动端连接，电阻R5的另一端还和第二级放大器U2的输出端连接，第二级放大器U2的负向输入端和单片机18连接,第二级放大器U2的负向输入端还通过电容C6和第二级放大器U2的正向输入端,第二级放大器U2的负向输入端还通过滑动电阻RP2和第二级放大器U2的正向输入端,滑动电阻RP2的滑动端和第二级放大器U2的正向输入端,第二级放大器U2的正向输入端通过电阻R8连接至地，第二级放大器U2的接地端连接至地，第二级放大器U2的电源端和+5V电源端连接，负电源转换芯片U3的NC端、CAP+均通过电容C8和CAP-端,负电源转换芯片U3的接地端连接至地，负电源转换芯片U3的V+端和+5V电源端连接，负电源转换芯片U3的OSC端、LV端、VOUT端均连接至地，负电源转换芯片U3的VOUT端还依次通过电阻R9、二极管D1、二极管D2、电阻R6和+5V电源端连接，二极管D1的负极还连接至地。单片机U4(18)的P1.1/ADC1和第二级放大器U2的负向输入端连接，单片机U4(18)还和显示屏LCD1(19)连接。

其中，电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2及其连接形成RCπ型滤波电路；第一级放大器U1的型号为AD620，第二级放大器U2的型号为TLV2711CDBVR。AD620是一款低成本、高精度放大器组成部分，仅需要一个外部的可电阻就可以来设置可调节增益，是微小电压和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。为了最大化放大器增益效果，本装置的放大电路采用两级放大的设计。在第一级采用AD620，二级采用VACC运算放大器，两级放大的设计，使该放大器增益可以达到400-1000倍。

为了提高放大电路的各项工作性能，本放大电路拥有两大创新点，一是创新性的在两级放大之间增加了RCπ型滤波电路，消除了滤波电路放在第一级之前，将微小的电压信号和噪声一并过滤的风险，也避免了滤波电路在第二级之后无法高效地过滤噪声的情况。本设计在最大程度上保留了原信号基础上，最大限度地提高了信噪比。其次，超高的增益使得微小的电压信号有效且充分的放大。

第二创新点是本放大电路AD620部分需要正电源和负电源才能稳定工作，独特性地采用ICL7660负电源转化器的将AD620所需要的负电源直接用正电源转化，减少了多(负)电源的使用，在实验中也获得了比较好的效果。

在本实施例，单片机18是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机18，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机18，采用第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051，但速度快112-13.2倍。MCU提供了丰富的数字外设(4个串口、5个定时器、4组PCA、8组增强型PWM以及I2C、SPI)接口与模拟外设(16路X12位ADC、比较器)，MCU内部集成高精度R/C时钟(±0.3％),士1％温飘(-40℃～+85℃),常温下温飘±0.6％(-20℃～+65℃)，ISP编程时5MHz～30MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路，ISP编程时4级复位门槛电压可选)。完全可以满足大多数ad转换速率需求。

在本实施例，基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统还包括：供电电路；供电电路和放大单元17、声信号采集单元均连接。供电电路包括直流电源，直流电源为直流稳压电源。普通直流电源降低了放大器对工作电压的要求，具有超强的实用意义。为了使光声信号不受供电电路电压波动的影响，同时也可使放大器电路处于稳定的放大的工作状态，直流电源输出电压需要稳定在5v。

适用于上述基于光声光谱技术的甲醛气体浓度实时检测系统的一种光声光谱技术的实时甲醛气体含量检测方法包括：由红外光源11发射出来的红外光，通过斩波器12和红外窄带滤波片13后周期性地照射入光声腔。红外光源11若此红外激光的波长与气体分子的吸收波长不吻合，此红外激光将不会被吸收；当入射波长与气体(待测物体释放的气体)小分子的吸收波长吻合时，入射的此波段红外光被吸收，并以释放热能的方式退激，释放的热能使气体和周围介质按光的调制频率产生周期性加热,从而导致气体和周围介质产生周期性压力波动。此时极柱体微音器接收气体分子的振动信号，并把微小振动的声信号转换成电压信号，从而实现光信号与声音信号的转换(即光声效应)。再将微小的电压信号传输到放大器，放大器再将放大后电压信号传输至单片机18，单片机18处理电信号，将处理后的电信号和预先生成的电信号-甲醛气体浓度标准曲线进行对比，得到待测气体的甲醛气体浓度。

由于不同分子不同波长的红外光具有选择性吸收的特性。气体小分子如甲醛红外光谱中具有很细的振转吸收峰。理论上各响分子的振动应峰是线光谱，分辨率极高。当在光声池中如果存在甲醛气体，通过在甲醛气体红外效应最大的1.93um和3.55um波段的红外光可见图5甲醛的红外光谱图。如图5，放入甲醛气体可见其振转光谱覆盖1500-1900cm

因此可以通过此装置运用红外光源11通过斩波器12以及红外窄带滤波片13获得甲醛红外响应最大的波段1.93um,3.55um，获得则甲醛的光声信号，再对比实验数据(预先生成的电信号-甲醛气体浓度标准曲线)获得相应信号强度下对应的甲醛浓度。

需要说明的是，依据上述原理，本方案也可以检测其他气体，例如：乙炔、乙烯、苯、苯胺等室内污染气体。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，实施例2的待测对象为室内的气体。将气体发生腔14充分打开让环境内空气充分进入后，关闭气体发生腔14在密闭环境中进行检测，检测室内甲醛含量。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。