CN104655620A - 基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置及检测方法，所述气体检测装置安装在手机配套外壳中，并由相应的应用软件控制，包括：为气体检测提供气敏反应所需的气泵、芯片、插入芯片的卡槽、连接气泵与芯片的进出气管道、检测所需的光源、导光板、透镜、摄像头和电源，所述气泵与所述电源电性连接，所述电源又与所述光源电性连接，所述芯片是采用多种气敏染料、在多孔基底上制成染色阵列并封装而成的，所述光源通过所述导光板作用在所述芯片上的染色阵列上，并通过所述透镜反应到所述摄像头上。通过上述方式，本发明能够用于检测多种有毒气体，且具有灵敏度高，操作简单，检测成本低廉、便携型好、受环境湿度影响小等优点。

Description

基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及生物医学研究、环境监测领域，特别是涉及一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置及检测方法。

背景技术

随着社会的发展，气体的定性及定量分析在食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业、航空航天、化工控制和公安海关等诸多行业的重要性与日俱增。国内外的科研人员很早就致力于研究各种气体的检测方法和控制方法，研制各种各样的气体检测和分析仪器，查阅文献可知，当前有大量的关于对嗅觉的模拟和对气味的测定的研究工作的报道。概括来说，这些方法分为3 类：感官分析、化学分析、电子鼻技术。

最具有发展前途的气体分析技术是电子鼻技术，也称为人工嗅觉技术。上个世纪90年代初，Gardner 和 Bartlett 给出了电子鼻的完整定，“电子鼻是一台仪器，它由一个具有部分选择性的电化学传感器阵列和一个合适的模式识别系统组成，能够识别单一的或复合的气味，还能够用于识别单一成分的气体/蒸汽或其混合物”。传感器的作用就像生物受体一样, 而模式识别系统可以将传感器从气味获得的信息转换为“嗅觉图像”, 类似于我们的嗅觉。电子鼻将气味识别为一个整体, 在单个嗅觉图像中揭示不同分子种类的综合作用。它与人和动物的鼻子一样, “闻到”的是目标物的总体气息。

传统的检测有毒气体的测试仪器因测试时间长，操作繁杂，不易现场使用等特点而得不到推广，而电子鼻的便携性和简易操作性可以很好的解决这一问题。

目前，电子鼻的研究以国外居多，在国内，对该项技术的研究尚处于试验阶段，但由于电子鼻具有便携及实时、在线、原位分析等特点，可用于气味鉴别、复杂环境下气体浓度鉴别和可燃气体、有机挥发物或有毒气体的鉴别，必将在各行各业中得到广泛的应用。正如分析器械把我们的视力延伸至眼睛看不见的波长，把我们的听力延伸至耳朵听不到的频率，电子鼻也可能延伸我们的嗅觉。随着传感器技术的进展和人对嗅觉过程的深入了解，电子鼻的功能必将日益增强，愈来愈多地取代生产和生活过程中人鼻的作用，取得愈来愈广泛的应用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置及检测方法，能够用于检测多种有毒气体，且具有灵敏度高，操作简单，检测成本低廉、便携型好、受环境湿度影响小等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，安装在手机配套外壳中，并由相应的应用软件控制，包括：为气体检测提供气敏反应所需的气泵、芯片、插入芯片的卡槽、连接气泵与芯片的进出气管道、检测所需的光源、导光板、透镜、摄像头和电源，所述气泵与所述电源电性连接，所述电源又与所述光源电性连接，所述芯片是采用多种气敏染料、在多孔基底上制成染色阵列并封装而成的，所述光源通过所述导光板作用在所述芯片上的染色阵列上，并通过所述透镜反应到所述摄像头上。

在本发明一个较佳实施例中，所述芯片在使用前为透明封闭结构。

在本发明一个较佳实施例中，所述进出气管道与所述芯片的接口处设有金属插针，并采用橡胶塞密封。

在本发明一个较佳实施例中，所述芯片的内部气体反应腔为真空或填充惰性气体。

在本发明一个较佳实施例中，所述光源为LED光源。

在本发明一个较佳实施例中，所述进出气管道为不锈钢管或PE管。

在本发明一个较佳实施例中，所述电源内含有升压电路模块，所述电源通过USB接口为所述光源和气泵供电。

在本发明一个较佳实施例中，所述气体检测装置既可以在Android平台上工作，也可以在iOS平台上工作。

本发明还提供一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1）将为气体检测提供气敏反应所需的气泵、检测所需的光源、导光板、透镜和电源正确安装至手机配套外壳中，并将所述芯片插入至手机配套外壳中的卡槽内，并采用进出气管道连接所述气泵与芯片，盖好手机配套外壳的盖子；

2）芯片上的进出气管道接口上的金属插针会自动刺穿橡胶塞从而使外界气路通过气泵与芯片内部气路相连，检测时通过气泵将被测气体送入芯片的反应气室；

3）利用外置全光谱LED光源通过所述导光板实现光源在芯片上的染色阵列上均匀照射，并通过所述透镜反应到摄像头上；

4）打开气体检测装置的手机应用软件，利用摄像头拍摄记录芯片上的染色阵列与被测气体反应前后颜色变化的图像，然后通过手机应用软件分析处理拍摄得到的图片进行气体检测，判断出被测气体的种类，同时还能定量测定被测气体的浓度。

在本发明一个较佳实施例中，所述手机应用软件的工作程序包括：在一次检测过程中，控制摄像头拍摄两次图像，两次拍摄之间间隔一段时间，使染色阵列和被测气体在这段时间中发生充分反应；将拍摄得到的反应前后的两幅图像的像素值相减，得到颜色变化的图像；将颜色变化的图像的像素值和数据库中的标准像素值进行比较，通过比较判断出被测气体的种类。

本发明的有益效果是：

1）由于染色阵列和有毒气体发生反应产生颜色变化只需要5-10min，手机应用软件拍照和分析处理图片、判断得出结果不超过5s，因此整个检测过程耗时很短，检测过程非常简单，而且快速；

2）由于本发明是基于智能手机的，智能手机被广泛使用，并且手机配套的检测外壳和定制的应用软件的成本不高，因此大大降低了使用此气体检测装置的成本，价格低廉；

3）手机作为主体设备，因此便携性很好，可以在化工工厂、办公场所、街道小区等任何地方检测空气质量，满足不同环境检测的需要，受环境湿度影响小；

4）通过在定制的应用软件中添加GPS和网络数据传输功能，此气体检测设备能实现在线实时定位检测。

附图说明

图1是本发明一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1所示气体检测装置使用时，芯片上的进出气管道接口上的金属插针刺穿橡胶塞的示意图；

图3是本发明一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置一较佳实施例的电路连接示意图；

图4是图3所示导光板中间位置的截面图；

图5是基于TLC硅胶板的传感器阵列；

附图中各部件的标记如下：1、气泵，2、芯片，21、染色阵列，3、电源，31、升压电路模块，4、光源，5、导光板，6、透镜，7、摄像头，8、进出气管道，9、卡槽，10、金属插针，11、橡胶塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-图5，本发明实施例包括：

一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，安装在手机配套外壳中，并由相应的应用软件控制，所述应用软件分别针对Android操作系统和苹果的iOS系统，因此所述气体检测装置既可以在Android平台上工作，也可以在iOS平台上工作，且所述应用软件可以解决不同手机摄像头差异的问题。

所述气体检测装置包括：为气体检测提供气敏反应所需的气泵1、芯片2、插入芯片2的卡槽9、连接气泵1与芯片2的进出气管道8、检测所需的光源4、导光板5、透镜6、摄像头7和电源3。

所述气泵1为微型气泵，共有2个，皆通过USB接口与所述电源3电性连接，所述电源3又通过USB接口与所述光源4电性连接，所述电源3内含有升压电路模块31，手机通过电源的OTG线输出的5v电压给气泵1供电，经过升压电路模块31升压后的12v电压给光源4供电，所述光源4为LED光源。

所述芯片2是采用多种气敏染料、在多孔基底上制成染色阵列21并封装而成的，所述光源4通过所述导光板5作用在所述芯片2上的染色阵列21上，并通过所述透镜6反应到所述摄像头7上。透镜6和手机摄像头7在3D打印的支架作用下构成光学接口。

所述芯片2在使用前为透明封闭结构，所述进出气管道8与所述芯片2的接口处设有金属插针10，并采用橡胶塞11密封。

所述芯片2的内部气体反应腔为真空或填充惰性气体。

所述进出气管道8为不锈钢管或PE管。

所述气体检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1）将为气体检测提供气敏反应所需的气泵1、检测所需的光源4、导光板5、透镜6和电源3正确安装至手机配套外壳中，并将所述芯片2插入至手机配套外壳中的卡槽9内，并采用进出气管道8连接所述气泵1与芯片2，盖好手机配套外壳的盖子；

2）芯片2上的进出气管道8接口上的金属插针10会自动刺穿橡胶塞11从而使外界气路通过气泵1与芯片2内部气路相连，检测时通过气泵1将被测气体送入芯片2的反应气室；

3）利用外置全光谱LED光源通过所述导光板5实现光源在芯片2上的染色阵列21上均匀照射，并通过所述透镜6反应到摄像头7上；

4）打开气体检测装置的手机应用软件，利用摄像头7拍摄记录芯片2上的染色阵列21与被测气体反应前后颜色变化的图像，然后通过手机应用软件分析处理拍摄得到的图片进行气体检测，判断出被测气体的种类，同时还能定量测定被测气体的浓度。

本发明构建的基于智能手机的气体检测装置分成两部分内容：软件部分，即定制的智能手机应用软件；硬件部分，即与手机配套的外壳。

软件应用程序的工作流程大致为：在一次检测过程中，控制手机摄像头7拍摄两次图像，两次拍摄之间间隔一段时间，使染色阵列21和气体在这段时间中发生充分的反应；如此拍摄得到反应前后的图像，将反应前后的两幅图像的像素值相减，得到颜色变化的图像；将颜色变化的图像的像素值和数据库中各种有毒气体对应的标准的颜色变化图像的像素值相比较，在一定误差容许的范围内，像素值最接近的被测气体和标准气体被认为是同一种气体，以此来检测有毒气体的种类。

设计制作与智能手机配套的硬件外壳的过程大致如下：测量选定的一款智能手机的尺寸，设计光路和电源、气泵等的安放位置，根据以上尺寸和设计，用绘图软件绘制装置图，然后使用3D打印技术或其他机械制造技术打印制作装置。

软硬件平台都搭建好之后，开始检测。将染色阵列21、电源3、气泵1、透镜6等准确地安装在外壳中，然后将定制的手机外壳正确装在手机背面，打开检测软件，开始检测，打开气泵1，一段时间后关闭气泵1，软件界面上显示结果。

实施例一

使用基于智能手机的气体检测装置检测通入乙醇蒸汽的以薄层硅胶板（TLC）为基底的传感器的颜色变化：

1）将各种卟啉类化合物10mg及百里酚蓝、亚甲基蓝、溴甲酚紫、溴甲酚绿等染料溶于适量三氯甲烷中配成饱和溶液。用直径为0.5mm的毛细管将溶液滴在硅胶板上，滴成直径为3mm的小圆点，如图5所示，组成一个3×4的传感器阵列。由于三氯甲烷的沸点在61.2℃，将制备好的硅胶板染色阵列放在60℃的恒温箱中烘烤1 小时，三氯甲烷自然挥发，硅胶板上留下各种染料。

2）将透镜6、电源3、气泵1等正确安装在手机配套的外壳中，然后将带有染色阵列21的芯片2也安放完成，并用不锈钢管或PE管连接气泵1和带有染色阵列21的芯片2的进气口和出气口，最后盖上外壳的盖子。

3）打开手机检测气体的应用程序，屏幕上显示拍完第一张照片后，打开气泵，通入乙醇蒸汽，过5min之后，应用程序自动拍摄第二张图，并将两张图相减，将相减的图像显示在屏幕上。

实施例二

使用带配套外壳的智能手机检测通入甲醛的以中空的TiO2纤维为基底的传感器的颜色变化：

1）将各种金属卟啉10mg 及百里酚蓝、亚甲基蓝、溴甲酚紫、溴甲酚绿等染料溶于适量三氯甲烷中配成饱和溶液。将直径为4mm 的TiO2 中空纤维浸泡于上述溶液中，3h 后，取出，将吸附有各种染料的纤维膜贴在白色基地上，组成一个3×4 的传感器阵列。

2）将透镜6、电源3、气泵1等正确安装在手机配套的外壳中，然后将带有染色阵列21的芯片2也安放完成，并将气泵1的进出气管道8分别接在带有染色阵列21的芯片2的进气口和出气口上，盖上外壳的盖子。

3）打开手机检测气体的应用程序，屏幕上显示拍完第一张照片后，打开气泵1，通入甲醛，过5min之后，应用程序自动拍摄第二张图，并将两张图相减，将相减的图像显示在屏幕上。

本发明揭示了一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置及检测方法，采用气泵将被测气体通过进出气管道进入芯片内部，与染色阵列反应，并利用智能摄像头记录染色阵列与气体反应前后颜色变化的图像，然后通过开发的手机应用软件分析处理拍摄得到的图片，进行气体检测。这种检测气体的方法，不仅能定性识别气体的种类，还可以定量测定气体浓度，具有灵敏度高，操作简单，检测成本低廉、便携型好、受环境湿度影响小等优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，安装在手机配套外壳中，并由相应的应用软件控制，其特征在于，包括：为气体检测提供气敏反应所需的气泵、芯片、插入芯片的卡槽、连接气泵与芯片的进出气管道、检测所需的光源、导光板、透镜、摄像头和电源，所述气泵与所述电源电性连接，所述电源又与所述光源电性连接，所述芯片是采用多种气敏染料、在多孔基底上制成染色阵列并封装而成的，所述光源通过所述导光板作用在所述芯片上的染色阵列上，并通过所述透镜反应到所述摄像头上。

2.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述芯片在使用前为透明封闭结构。

3.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述进出气管道与所述芯片的接口处设有金属插针，并采用橡胶塞密封。

4.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述芯片的内部气体反应腔为真空或填充惰性气体。

5.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述光源为LED光源。

6.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述进出气管道为不锈钢管或PE管。

7.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述电源内含有升压电路模块，所述电源通过USB接口为所述光源和气泵供电。

8.根据权利要求1所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置，其特征在于，所述气体检测装置既可以在Android平台上工作，也可以在iOS平台上工作。

9.一种如权利要求1-8任一所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将为气体检测提供气敏反应所需的气泵、检测所需的光源、导光板、透镜和电源正确安装至手机配套外壳中，并将所述芯片插入至手机配套外壳中的卡槽内，并采用进出气管道连接所述气泵与芯片，盖好手机配套外壳的盖子；

2）芯片上的进出气管道接口上的金属插针会自动刺穿橡胶塞从而使外界气路通过气泵与芯片内部气路相连，检测时通过气泵将被测气体送入芯片的反应气室；

3）利用外置全光谱LED光源通过所述导光板实现光源在芯片上的染色阵列上均匀照射，并通过所述透镜反应到摄像头上；

4）打开气体检测装置的手机应用软件，利用摄像头拍摄记录芯片上的染色阵列与被测气体反应前后颜色变化的图像，然后通过手机应用软件分析处理拍摄得到的图片进行气体检测，判断出被测气体的种类。

10.根据权利要求9所述的基于智能手机和染色传感阵列的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述手机应用软件的工作程序包括：在一次检测过程中，控制摄像头拍摄两次图像，两次拍摄之间间隔一段时间，使染色阵列和被测气体在这段时间中发生充分反应；将拍摄得到的反应前后的两幅图像的像素值相减，得到颜色变化的图像；将颜色变化的图像的像素值和数据库中的标准像素值进行比较，通过比较判断出被测气体的种类。