CN105136985A - 实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法，包括控制器，存储器、底板，设于底板上的横截面呈矩形的气室、尾气处理装置和支撑架，设于支撑架上的导向结构和横向丝杆；所述气室内壁顶部设有用于向下吹风的若干个风扇，气室内侧壁由上至下依次设有至少2层气体敏感膜、用于支撑气体敏感膜的由电热丝构成的金属网、位于金属网下部并将气室内分隔为上下两部分的水平隔板；本发明具有灵敏度高、稳定性好且响应时间短，对苯具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量苯气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。

Description

实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及环境安全技术领域，尤其是涉及一种能够快速、准确检测实验室环境中苯浓度的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法。

背景技术

苯是一种无色、具有特殊芳香气味的液体，能与醇、醚、丙酮和四氯化碳互溶，微溶于水。苯具有易挥发、易燃的特点，其蒸气有爆炸性。经常接触苯，皮肤可因脱脂而变干燥，脱屑，有的出现过敏性湿疹。长期吸入苯能导致再生障碍性贫血。

苯主要来自建筑装饰中大量使用的化工原料，如涂料。在涂料的成膜和固化过程中，其中所含有的苯、苯类等可挥发成分会从涂料中释放，造成污染。

目前对于低浓度苯检测方法主要依靠仪器分析的方法，如气相色谱法等。上述检测方法虽然可以准确的检测环境中微量苯的浓度，但是普遍存在检测周期长、成本昂贵等不足；而且，需要经过专业培训的熟练技术人员操作仪器设备，无法实现环境中微量苯的现场准确快速检测。

因此，目前使用的用于微量苯的检测系统存在灵敏度低、选择性差、稳定性差或者不能长期使用的问题。

中国专利授权公告号：CN101846610A，授权公告日2010年9月29日，公开了一种气体检测装置及气体检测系统，其包括石英板、第一电极、第二电极及吸附层，所述石英板具有相对的第一表面和第二表面，所述第一电极形成于第一表面，所述第二电极形成于第二表面，所述吸附层形成于第一电极表面，所述吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，用于吸附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而获得待检测气体的浓度。该发明存在检测速度慢，检测精度低的不足。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的气体检测方法的检测周期长、成本高、设备昂贵的不足，提供了一种能够快速、准确检测实验室环境中苯浓度的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，包括控制器，存储器、底板，设于底板上的横截面呈矩形的气室、尾气处理装置和支撑架，设于支撑架上的导向结构和横向丝杆；

所述气室内壁顶部设有用于向下吹风的若干个风扇，气室内侧壁由上至下依次设有至少2层气体敏感膜、用于支撑气体敏感膜的由电热丝构成的金属网、位于金属网下部并将气室内分隔为上下两部分的水平隔板，气室内底部设有托板、检测头和沿托板上表面螺旋分布的轨道，检测头上设有MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器；气体敏感膜上设有若干个通孔，与气体敏感膜位置相对应的气室内壁上设有若干条导气竖槽；

横向丝杆一端与设于支撑架上的第一电机的转轴连接，所述气室上设有用于插入水平隔板的开口，水平隔板外端设有连接板，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动的第二电机，连接板与丝杆螺纹连接，连接板与导向结构滑动连接，位于水平隔板上部和下部的气室上分别设有一组进气管和出气管；进气管和出气管上均设有电磁阀；开口和水平隔板之间设有密封结构；尾气处理装置与气室上部的出气管相连通；

控制器分别与存储器、各个电扇、各个电磁阀、金属网、第一电机、第二电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器电连接。

气体敏感膜用于吸附实验室气体，气体敏感膜具有气体富集作用，可将气体敏感膜依次在HNO3(1∶1)、丙酮和双蒸水中超声清洗15min，清洗后的电极置于室温下晾干备用；按一定比例将苹果汁与聚乙二醇溶液混合，用超声振荡均匀得到混合物，用微量注射器吸取5μL质量分数为5％Nafion的混合物，滴涂于气体敏感膜表面，室温下晾干待用。

金属网用于加热气体敏感膜，各个风扇用于将经过烘烤从气体敏感膜中散发出来的气体吹向气室下部，便于各个传感器检测；水平隔板用于分隔气室上部和下部，从而方便气室上部和下部同时进行气体富集和传感器清洗；支撑架、导向结构、横向丝杆和第一电机用于带动水平隔板水平移动，从而使控制器可通过第一电机控制水平隔板将气室内分为上下两部分或者使气室恢复为一个整体；托板给轨道提供支撑，轨道给检测头提供移动至托板不同部位的导向，MQ-2传感器和MQ-135传感器分别用于检测环境信号，苯传感器用于检测苯气体信号；第二电机用于带动检测头沿轨道移动。

由于传感器对被检测的目标气体均具有交叉敏感特性，因此本发明采用MQ-2传感器和MQ-135传感器作为辅助传感器，苯传感器作为检测苯气体的主传感器，将MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测的信号进行融合，得到了传感器融合信号signal(t)，从而既保留了主传感器的检测信息，又保留了主力传感器与辅助传感器之间的信号差异信息，提高了检测精度。

因此，本发明具有灵敏度高、稳定性好且响应时间短，对苯具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量苯气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。

作为优选，所述轨道包括基板、设于基板上表面的两条间隔设置的凹槽，所述凹槽底面上设有等间隔排列的齿条；所述检测头底部设有两个与凹槽相配合的齿轮；所述第二电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴相连接。

作为优选，所述基板上设有第一挡板，与第一挡板相对的第二挡板；第一挡板、第二挡板上设有对应的导向滑槽；所述齿轮的连接轴两端设有用于插入第一挡板、第二挡板的导向滑槽的延伸轴；检测头下表面设有与第一挡板、第二挡板上表面滚动接触的若干个滚珠。导向滑槽、延伸轴和滚珠的设置，使检测头的稳定性更好，摩擦力更小。

作为优选，所述支撑架包括开口向下的U形架、设于气室前部和后部的L形架；所述导向结构为设于U形架和两个L形架之间的两条横梁；所述连接板呈矩形，连接板下部设有用于穿过两条横梁的2个通孔，连接板上部设有用于与横向丝杆配合的丝杆孔。

作为优选，气体敏感膜内设有若干个间隔分布的空腔，空腔内设有伸出气体敏感膜上下表面之外的碳纳米管；尾气处理装置为酒精灯。空腔和碳纳米管增加了气体敏感膜对气体的吸附能力。

一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，包括如下步骤：

(6-1)控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10至20分钟，清洗完毕后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

(6-2)控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀打开，通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，尾气处理装置处理从出气管输出的实验室气体；各个气体敏感膜吸附气体，5至15分钟后控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀关闭；

(6-3)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔板向气室外水平移动，使水平隔板内端移至与开口相接触位置时，控制器控制第一电机停止工作；

(6-4)控制器控制金属网通电，同时控制各个电扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，5至8分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作；

(6-5)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔板向气室内水平移动，使水平隔板外端移至与开口相接触位置相接触时，控制器控制第一电机停止工作；

(6-6)控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号Sl(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t)；控制器利用公式signal(t)＝S1²(t)+(S1(t)-S2(t))²+(S1(t)-S3(t))²计算传感器融合信号signal(t)；

(6-7)存储器中预先存储有随机共振模型和苯浓度预测模型，将signal(t)输入随机共振模型中，控制器计算随机共振模型共振时的输出信噪比SNR，

将SNR输入苯浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的苯浓度。

由于传感器对被检测的目标气体均具有交叉敏感特性，因此本发明采用MQ-2传感器和MQ-135传感器作为辅助传感器，苯传感器作为检测苯气体的主传感器，苯传感器的检测信号为S1(t)、MQ-2传感器的检测信号为S2(t)，MQ-135传感器的检测信号为S3(t)；本发明利用公式

signal(t)＝S1²(t)+(S1(t)-S2(t))²+(S1(t)-S3(t))²将MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测的信号进行融合，得到了传感器融合信号signal(t)，从而既保留了主传感器的检测信息，又保留了主力传感器与辅助传感器之间的信号差异信息，提高了检测精度。

作为优选，所述步骤(6-1)由下述步骤替换：

(7-1)控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗8至10分钟；

(7-2)通过进气管向气室下部充入已知苯浓度为S的实验室气体，尾气处理装置处理从出气管输出的实验室气体；通气3至8分钟后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号S1(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t)；

(7-3)控制器选取S1(t)的n个等间隔分布的抽样值S11，S12，...，S1n，选取S2(t)的n个等间隔分布的抽样值S21，S22，...，S2n，选取S3(t)的n个等间隔分布的抽样值S31，S32，...，S3n；

利用公式

di²＝(S1i-S)²+(S2i-S)²+(S3i-S)²，i＝1，2，...，n，计算差值距离di²；

利用下述公式 $A=\left[\begin{array}{c}{(S11-S)}^2\\ {(S12-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(Sln-S)}^2\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{(S21-S)}^2\\ {(S22-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S2n-S)}^2\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{c}{(S31-S)}^2\\ {(S32-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S3n-S)}^2\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{c}{d1}^2\\ {d2}^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{dn}}^2\end{array}\right]$ 分别计算矩阵A，B，C和D；存储器中设有最小阈值e；

(7-4)当A+B+C＝D并且A中数据至少有82％≤e并且D中数据至少有82％≤e时，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10至20分钟，清洗完毕后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭，转入步骤(6-2)；

否则，转入步骤(7-1)。

步骤(7-2)至(7-4)是对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器的校正过程，只有满足A+B+C＝D并且A中数据至少有82％≤e并且D中数据至少有82％≤e的校正条件的MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器才用于对待检测气体进行检测，否则需要重复校正过程，从而提高传感器检测的精度。

作为优选，所述输出信噪比SNR的计算过程包括如下步骤：

所述输出信噪比SNR的计算过程包括如下步骤：

将signal(t)输入一层随机共振模型

中；

其中，V(x，t，α)为势函数，x(t)为布朗粒子的运动轨迹，t为运动时间，α是粒子瞬时运动加速度，D₂为外噪声强度，N(t)为内秉噪声，为周期性正弦信号，A₁是信号幅度，f是信号频率，为相位；a，b为设定的常数；设

控制器计算V(x，t，α)对于x的一阶导数，二阶导数和三阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D₂＝0，，signal(t)＝0，N(t)＝0；计算得到A₁的临界值为

将A₁的临界值代入一层随机共振模型中，并设定X₀(t)＝0，sn₀＝0，用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到

$x_{m1}\left(t\right)=x_m\left(t\right)+1/6\[{\left(k_1\right)}_m+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_m+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_m+{\left(k_4\right)}_m\],$

m＝0，1，…，N-1；并计算：

(k₁)_m＝4(aαx_m-1(t)²-bαx_m-1(t)³+sn_m-1(t))

${\left(k_2\right)}_m=4\[a({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{m-1}\]$

${\left(k_3\right)}_m=4\[a({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{m-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{3}{\left(k_1\right)}_{m-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{m-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{m+1}\]$

${\left(k_4\right)}_n=4\[a(3{\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{m-1})-b{\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)-\frac{\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{m-1}+\frac{2+\sqrt{2}}{3}{\left(k_3\right)}_{m-1}\right)}^3+{\mathrm{sn}}_{m+1}\]$

其中，x_m(t)为x(t)的m阶导数，sn_m-1是S(t)的m-1阶导数在t＝0处的值，sn_m+1是S(t)的m+1阶导数在t＝0处的值，得到x₁(t)，x₂(t)，…，x_m+1(t)的值；

控制器对x₁(t)，x₂(t)，…，x_m+1(t)进行积分，得到x(t)，并得到x(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机系统产生随机共振时刻的位置x₁值、与x₁相对应的共振时刻t₁、最优瞬时运动加速度α₁，及与t₁和α₁所对应的噪声D₁，D₁为D₂中的一个值；

控制器利用公式 $SNR=2{\left({\mathrm{\ΔU}}^2\frac{4a^3/27b}{D_1}\right)}^3{e}^{-{\left(\mathrm{\Δ}U\right)}^3/D_1^2}$ 计算双层随机共振系统输出的信噪比SNR；其中，ΔU＝a²/4b。

控制器利用公式 $SNR=2{\left({\mathrm{\ΔU}}^2\frac{4a^3/27b}{D_1}\right)}^3{e}^{-{\left(\mathrm{\Δ}U\right)}^3/D_1^2}$ 计算双层随机共振系统输出的信噪比SNR；其中，ΔU＝a²/4b。

作为优选，控制器计算并得到检测过程中signal(t)的平均幅度值SS，所述A₁≤0.52SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的9SS≤D₂≤19SS；a和b均≤SS。

对A₁，D₂和a和b取值范围的限定，确保一层随机共振模型和二层随机共振模型具有良好的灵敏性，从而使输出的信噪比SNR更加准确。

作为优选，苯浓度预测模型为苯浓度W＝2.2+0.17×SNR。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)灵敏度高、稳定性好且响应时间短，对苯具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量苯气体，从而有效的保障人们身体健康；(2)操作简单、检测费用低。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明的气室的一种剖视图；

图3是本发明的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的一种俯视图；

图4是本发明的连接板的一种结构示意图；

图5是本发明的轨道的一种横截面结构示意图；

图6是本发明的轨道的一种俯视图；

图7是本发明的实施例的一种流程图。

图中：控制器1、底板2、气室3、支撑架4、导向结构5、横向丝杆6、风扇7、气体敏感膜8、金属网9、水平隔板10、托板11、轨道12、检测头13、第一电机14、连接板15、第二电机16、电磁阀17、尾气处理装置18、MQ-2传感器20、MQ-135传感器21、苯传感器22、进气管23、出气管24、存储器25、基板121、凹槽122、齿轮123、连接轴124、第一挡板125、第二挡板126、导向滑槽127、延伸轴128、U形架41、L形架42、横梁51、通孔151、丝杆孔152、滚珠129。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2所示的实施例是一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，包括控制器1，存储器25、底板2，设于底板上的横截面呈矩形的气室3、尾气处理装置18和支撑架4，设于支撑架上的导向结构5和横向丝杆6；

如图2所示，气室内壁顶部设有用于向下吹风的5个风扇7，气室内侧壁由上至下依次设有2层气体敏感膜8、用于支撑气体敏感膜的由电热丝构成的金属网9、位于金属网下部并将气室内分隔为上下两部分的水平隔板10，气室内底部设有托板11、检测头13和沿托板上表面螺旋分布的轨道12，检测头上设有MQ-2传感器20、MQ-135传感器21和苯传感器22；气体敏感膜上设有5个通孔；与气体敏感膜位置相对应的气室内壁上设有8条导气竖槽；

如图3所示，横向丝杆一端与设于支撑架上的第一电机14的转轴连接，气室上设有用于插入水平隔板的开口，水平隔板外端设有连接板15，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动的第二电机16，连接板与丝杆螺纹连接，连接板与导向结构滑动连接，位于水平隔板上部和下部的气室上分别设有一组进气管23和出气管24；进气管和出气管上均设有电磁阀17；开口和水平隔板之间设有密封结构；尾气处理装置与气室上部的出气管相连通；

如图1所示，控制器分别与存储器、各个电扇、各个电磁阀、金属网、第一电机、第二电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器电连接。

如图5、图6所示，轨道包括基板121、设于基板上表面的两条间隔设置的凹槽122，凹槽底面上设有等间隔排列的齿条；检测头底部设有两个与凹槽相配合的齿轮123；第二电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴124相连接。

基板上设有第一挡板125，与第一挡板相对的第二挡板126；第一挡板、第二挡板上设有对应的导向滑槽127；齿轮的连接轴两端设有用于插入第一挡板、第二挡板的导向滑槽的延伸轴128；检测头下表面设有与第一挡板、第二挡板上表面滚动接触的多个滚珠129。

如图3所示，支撑架包括开口向下的U形架41、设于气室前部和后部的L形架42；导向结构为设于U形架和两个L形架之间的两条横梁51；如图4所示，连接板呈矩形，连接板下部设有用于穿过两条横梁的2个通孔151，连接板上部设有用于与横向丝杆配合的丝杆孔152。

气体敏感膜内设有多个间隔分布的空腔，空腔内设有伸出气体敏感膜上下表面之外的碳纳米管。尾气处理装置为酒精灯。

如图7所示，一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤100，传感器清洗及校正

步骤110，传感器清洗

控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10分钟；

步骤120，传感器校正

通过进气管向气室下部充入已知苯浓度为S的实验室气体，通气时间为200秒，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号S1(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t)；

步骤130，控制器选取S1(t)的n＝20个等间隔分布的抽样值S11，S12，...，S1n，选取S2(t)的n个等间隔分布的抽样值S21，S22，...，S2n，选取S3(t)的n个等间隔分布的抽样值S31，S32，...，S3n；

利用公式

di²＝(S1i-S)²+(S2i-S)²+(S3i-S)²，i＝1，2，...，n，计算差值距离di²；

利用下述公式 $A=\left[\begin{array}{c}{(S11-S)}^2\\ {(S12-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(Sln-S)}^2\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{(S21-S)}^2\\ {(S22-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S2n-S)}^2\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{c}{(S31-S)}^2\\ {(S32-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S3n-S)}^2\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{c}{d1}^2\\ {d2}^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{dn}}^2\end{array}\right]$ 分别计算矩阵A，B，C和D；存储器中设有最小阈值e；

步骤140，当A+B+C＝D并且A中每项数据至少有80％≤e并且D中每项数据至少有80％≤e时，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10分钟，转入步骤200；

否则，转入步骤110；

步骤200，气体敏感膜吸附气体

控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀打开，通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，酒精灯燃烧从出气管输出的实验室气体，从有将有害气体去除；各个气体敏感膜吸附气体，15分钟后控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀关闭；

步骤300，抽开水平隔板

控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔板向气室外水平移动，使水平隔板内端移至与开口相接触位置时，控制器控制第一电机停止工作；

步骤400，加热气体敏感膜，并将气体敏感膜释放的气体吹向气室下部

控制器控制金属网通电，同时控制各个电扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，5分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作；

步骤500，闭合水平隔板

控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔板向气室内水平移动，使水平隔板外端移至与开口相接触位置相接触时，控制器控制第一电机停止工作；

步骤600，各个传感器检测气体信号并得到传感器融合信号

控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号S1(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t)；控制器利用公式signal(t)＝S1²(t)+(S1(t)-S2(t))²+(S1(t)-S3(t))²计算传感器融合信号signal(t)；

步骤700，计算并得到检测的实验室气体的苯浓度

存储器中预先存储有随机共振模型和苯浓度预测模型，将signal(t)输入随机共振模型中，控制器计算随机共振模型共振时的输出信噪比SNR，

将SNR输入苯浓度预测模型苯浓度W＝2.2+0.17×SNR中，得到被检测的实验室气体的苯浓度。

苯浓度预测模型是利用步骤100至700检测各种已知浓度分别为W1，W2，…，W100的苯气体，得到与每种苯浓度相对应的输出信噪比SNR1，SNR2，…，SNR100；利用点(W1，SNR1)，(W2，SNR2)，…，(W100，SNR100)在直角坐标系中做点，得到各个点的拟合曲线的公式，对拟合曲线的公式进行变换，得到本发明的苯浓度预测模型。

所述输出信噪比SNR的计算过程包括如下步骤：

将signal(t)输入一层随机共振模型

中；

其中，V(x，t,α)为势函数，x(t)为布朗粒子的运动轨迹，t为运动时间，α是粒子瞬时运动加速度，D₂为外噪声强度，N(t)为内秉噪声，为周期性正弦信号，A₁是信号幅度，f是信号频率，为相位；a，b为设定的常数；设

其中，控制器计算并得到检测过程中signal(t)的平均幅度值SS，使A₁≤0.52SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的9SS≤D₂≤19SS；a和b均≤SS。

控制器计算V(x，t，α)对于x的一阶导数，二阶导数和三阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D₂＝0，signal(t)＝0，N(t)＝0；计算得到A₁的临界值为

将A₁的临界值代入一层随机共振模型中，并设定X₀(t)＝0，sn₀＝0，用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到

$x_{m1}\left(t\right)=x_m\left(t\right)+1/6\[{\left(k_1\right)}_m+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_m+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_m+{\left(k_4\right)}_m\],$

m＝0，1，…，N-1；并计算：

(k₁)_m＝4(aαx_m-1(t)²-bαx_m-1(t)³+sn_m-1(t))

${\left(k_2\right)}_m=4\[a({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{m-1}\]$

${\left(k_3\right)}_m=4\[a({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{m-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{3}{\left(k_1\right)}_{m-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{m-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{m+1}\]$

${\left(k_4\right)}_n=4\[a(3{\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{m-1})-b{\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)-\frac{\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{m-1}+\frac{2+\sqrt{2}}{3}{\left(k_3\right)}_{m-1}\right)}^3+{\mathrm{sn}}_{m+1}\]$

其中，x_m(t)为x(t)的m阶导数，sn_m-1是S(t)的m-1阶导数在t＝0处的值，sn_m+1是S(t)的m+1阶导数在t＝0处的值，得到x₁(t)，x₂(t)，…，x_m+1(t)的值；

控制器对x₁(t)，x₂(t)，…，x_m+1(t)进行积分，得到x(t)，并得到x(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机系统产生随机共振时刻的位置x₁值、与x₁相对应的共振时刻t₁、最优瞬时运动加速度α₁，及与t₁和α₁所对应的噪声D₁，D₁为D₂中的一个值；D₂是在[0，1]范围内以0.01周期循环步进的一个函数，D₂的取值与时间相关，知道了t₁时刻，D₁就确定了。

控制器利用公式 $SNR=2{\left({\mathrm{\ΔU}}^2\frac{4a^3/27b}{D_1}\right)}^3{e}^{-{\left(\mathrm{\Δ}U\right)}^3/D_1^2}$ 计算双层随机共振系统输出的信噪比SNR；其中，ΔU＝a²/4b。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，其特征是，包括控制器(1)，存储器(25)、底板(2)，设于底板上的横截面呈矩形的气室(3)、尾气处理装置(18)和支撑架(4)，设于支撑架上的导向结构(5)和横向丝杆(6)；

所述气室内壁顶部设有用于向下吹风的若干个风扇(7)，气室内侧壁由上至下依次设有至少2层气体敏感膜(8)、用于支撑气体敏感膜的由电热丝构成的金属网(9)、位于金属网下部并将气室内分隔为上下两部分的水平隔板(10)，气室内底部设有托板(11)、检测头(13)和沿托板上表面螺旋分布的轨道(12)，检测头上设有MQ-2传感器(20)、MQ-135传感器(21)和苯传感器(22)；气体敏感膜上设有若干个通孔，与气体敏感膜位置相对应的气室内壁上设有若干条导气竖槽；

横向丝杆一端与设于支撑架上的第一电机(14)的转轴连接，所述气室上设有用于插入水平隔板的开口，水平隔板外端设有连接板(15)，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动的第二电机(16)，连接板与丝杆螺纹连接，连接板与导向结构滑动连接，位于水平隔板上部和下部的气室上分别设有一组进气管(23)和出气管(24)；进气管和出气管上均设有电磁阀(17)；开口和水平隔板之间设有密封结构；尾气处理装置与气室上部的出气管相连通；

控制器分别与存储器、各个电扇、各个电磁阀、金属网、第一电机、第二电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，其特征是，所述轨道包括基板(121)、设于基板上表面的两条间隔设置的凹槽(122)，所述凹槽底面上设有等间隔排列的齿条；所述检测头底部设有两个与凹槽相配合的齿轮(123)；所述第二电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴(124)相连接。

3.根据权利要求2所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，其特征是，所述基板上设有第一挡板(125)，与第一挡板相对的第二挡板(126)；第一挡板、第二挡板上设有对应的导向滑槽(127)；所述齿轮的连接轴两端设有用于插入第一挡板、第二挡板的导向滑槽的延伸轴(128)；检测头下表面设有与第一挡板、第二挡板上表面滚动接触的若干个滚珠(129)。

4.根据权利要求1所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，其特征是，所述支撑架包括开口向下的U形架(41)、设于气室前部和后部的L形架(42)；所述导向结构为设于U形架和两个L形架之间的两条横梁(51)；所述连接板呈矩形，连接板下部设有用于穿过两条横梁的2个通孔(151)，连接板上部设有用于与横向丝杆配合的丝杆孔(152)。

5.根据权利要求1或2或3或4或5所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，其特征是，气体敏感膜内设有若干个间隔分布的空腔，空腔内设有伸出气体敏感膜上下表面之外的碳纳米管；尾气处理装置为酒精灯。

6.一种根据权利要求1所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，其特征是，包括如下步骤：

(6-1)控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10至20分钟，清洗完毕后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

(6-2)控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀打开，通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，尾气处理装置处理从出气管输出的实验室气体；各个气体敏感膜吸附气体，5至15分钟后控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀关闭；

(6-3)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔板向气室外水平移动，使水平隔板内端移至与开口相接触位置时，控制器控制第一电机停止工作；

(6-4)控制器控制金属网通电，同时控制各个电扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，5至8分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作；

(6-5)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔板向气室内水平移动，使水平隔板外端移至与开口相接触位置相接触时，控制器控制第一电机停止工作；

(6-6)控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号S1(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t)；控制器利用公式signal(t)＝S1²(t)+(S1(t)-S2(t))²+(S1(t)-S3(t))²计算传感器融合信号signal(t)；

(6-7)存储器中预先存储有随机共振模型和苯浓度预测模型，将signal(t)输入随机共振模型中，控制器计算随机共振模型共振时的输出信噪比SNR，

将SNR输入苯浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的苯浓度。

7.根据权利要求1所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，其特征是，所述步骤(6-1)由下述步骤替换：

(7-1)控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗8至10分钟；

(7-2)通过进气管向气室下部充入已知苯浓度为S的实验室气体，尾气处理装置处理从出气管输出的实验室气体；通气3至8分钟后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号S1(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t)；

(7-3)控制器选取S1(t)的n个等间隔分布的抽样值S11，S12,...，S1n，选取S2(t)的n个等间隔分布的抽样值S21，S22,...，S2n，选取S3(t)的n个等间隔分布的抽样值S31，S32,...，S3n；

利用公式

di²＝(S1i-S)²+(S2i-S)²+(S3i-S)²，i＝1，2，...，n，计算差值距离di²；

利用下述公式 $A=\left[\begin{array}{c}{(S11-S)}^2\\ {(S12-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S1n-S)}^2\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}{(S21-S)}^2\\ {(S22-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S2n-S)}^2\end{array}\right],$ $C=\left[\begin{array}{c}{(S31-S)}^2\\ {(S32-S)}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(S3n-S)}^2\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{c}d{1}^2\\ d{2}^2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{dn}}^2\end{array}\right]$ 分别计算矩阵A，B，C和D；存储器中设有最小阈值e；

(7-4)当A+B+C＝D并且A中数据至少有82％≤e并且D中数据至少有82％≤e时，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10至20分钟，清洗完毕后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭，转入步骤(6-2)；

否则，转入步骤(7-1)。

8.根据权利要求1所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，其特征是，所述输出信噪比SNR的计算过程包括如下步骤：

将signal(t)输入一层随机共振模型

中；

其中，V(x，t，α)为势函数，x(t)为布朗粒子的运动轨迹，t为运动时间，α是粒子瞬时运动加速度，D₂为外噪声强度，N(t)为内秉噪声，为周期性正弦信号，A₁是信号幅度，f是信号频率，为相位；a，b为设定的常数；设

控制器计算V(x，t，α)对于x的一阶导数，二阶导数和三阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D₂＝0，signal(t)＝0，N(t)＝0；计算得到A₁的临界值为

将A₁的临界值代入一层随机共振模型中，并设定X₀(t)＝0，sn₀＝0，用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到

$x_{m1}\left(t\right)=x_m\left(t\right)+1/6\[{\left(k_1\right)}_m+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_m+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_m+{\left(k_4\right)}_m\],$

m＝0，1，…，N-1；并计算：

(k₁)_m＝4(aαx_m-1(t)²-bαx_m-1(t)³+sn_m-1(t))

${\left(k_2\right)}_m=4\[a({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{m-1}\]$

${\left(k_3\right)}_m=4\[a({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{m-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{3}{\left(k_1\right)}_{m-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{m-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{m+1}\]$

${\left(k_4\right)}_n=4\[a(3{\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{m-1})-b{({\mathrm{\αx}}_{m-1}\left(t\right)-\frac{\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{m-1}+\frac{2+\sqrt{2}}{3}{\left(k_3\right)}_{m-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{m+1}\]$

其中，x_m(t)为x(t)的m阶导数，sn_m-1是S(t)的m-1阶导数在t＝0处的值，Sn_m+1是S(t)的m+1阶导数在t＝0处的值，得到x₁(t)，x₂(t)，…，x_m+1(t)的值；

控制器对x₁(t)，x₂(t)，…，x_m+1(t)进行积分，得到x(t)，并得到x(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机系统产生随机共振时刻的位置x₁值、与x₁相对应的共振时刻t₁、最优瞬时运动加速度α₁，及与t₁和α₁所对应的噪声D₁，D₁为D₂中的一个值；

控制器利用公式 $SNR=2{\left({\mathrm{\ΔU}}^2\frac{4a^3/27b}{D_1}\right)}^3{e}^{-{\left(\mathrm{\Δ}U\right)}^3/{D_1}^2}$ 计算双层随机共振系统输出的信噪比SNR；其中，ΔU＝a²/4b。

9.根据权利要求8所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，其特征是，控制器计算并得到检测过程中signal(t)的平均幅度值SS，所述A₁≤0.52SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的9SS≤D₂≤19SS；a和b均≤SS。

10.根据权利要求6或7或8或9所述的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，其特征是，苯浓度预测模型为苯浓度W＝2.2+0.17×SNR。