CN105158415A - 研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置及检测方法，包括控制器，存储器、基板，设于基板上的横截面呈矩形的气室和竖向支撑板，设于竖向支撑板上的气缸；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，对甲苯二异氰酸酯具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量甲苯二异氰酸酯气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。

Description

研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置及检测方法

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甲苯二异氰酸酯浓度的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置及检测方法。

背景技术

甲苯二异氰酸酯(TDI)有两种异构体：2，4-甲苯二异氰酸酯和2，6-甲苯二异氰酸酯。甲苯二异氰酸酯是水白色或淡黄色液体，具有强烈的刺激性气味，在人体中具有积聚性和潜伏性，对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈刺激作用，吸入高浓度的甲苯二异氰酸酯蒸气会引起支气管炎、支气管肺炎和肺水肿；液体与皮肤接触可引起皮炎。液体与眼睛接触可引起严重刺激作用，如果不加以治疗，可能导致永久性损伤。长期接触甲苯二异氰酸酯可引起慢性支气管炎。对甲苯二异氰酸酯过敏者，可能引起气喘、伴气喘、呼吸困难和咳嗽。

目前对于低浓度甲苯二异氰酸酯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甲苯二异氰酸酯的浓度，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甲苯二异氰酸酯的现场准确快速检测。

因此，目前使用的用于微量甲苯二异氰酸酯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甲苯二异氰酸酯浓度的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，包括控制器，存储器、基板，设于基板上的横截面呈矩形的气室和竖向支撑板，设于竖向支撑板上的气缸；

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TDI气体传感器；气体敏感膜上设有若干个通孔；

所述气室上设有用于插入水平隔板的开口，水平隔板外端与气缸的伸缩杆端部连接，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动的第一电机，位于水平隔板上部和下部的气室上分别设有进气管和出气管；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；

所述气室包括上下插接的下端开口气室组件和上端开口气室组件，下端开口气室组件与基板固定连接，上端开口气室组件底部和基板之间设有竖向丝杆，竖向丝杆上部与上端开口气室组件底部螺纹配合，竖向丝杆下部通过设于基板上的轴承与基板连接，丝杆下端与设于上端开口气室组件内的第二电机的转轴连接；

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

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；竖向支撑板、气缸、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气缸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，TDI气体传感器用于检测甲苯二异氰酸酯气体信号；第一电机用于带动检测头沿轨道移动，第二电机用于带动上端开口气室组件上升，从而使各个传感器检测的气体浓度更加准确。

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，TDI气体传感器作为检测甲苯二异氰酸酯气体的主传感器，将MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体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，对甲苯二异氰酸酯具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量甲苯二异氰酸酯气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。

作为优选，还包括设于检测头上的温度传感器和湿度传感器；温度传感器和湿度传感器均与控制器电连接。温度传感器和湿度传感器分别用于检测温度和湿度，从而使传感器的校正充分去除环境因素的影响，校正更加准确、可靠。

作为优选，所述轨道包括底板、设于底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；所述第一电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴相连接；

所述底板上设有第一挡板，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，所述下端开口气室组件外周面通过4个L形支撑杆与底板固定连接。

作为优选，气体敏感膜表面设有间隔排列的凸起及凹孔，气体敏感膜上还设有伸出气体敏感膜上下表面之外的若干个碳纳米管。

凸起、凹孔及碳纳米管增加了气体敏感膜对气体的吸附能力。

一种研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(6-1)控制器控制气缸的伸缩杆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，控制器控制气缸停止工作；

(6-2)控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟；

(6-3)通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，气体敏感膜吸附气体，5至15分钟后控制器控制进气管和出气管上的电磁阀关闭；

(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10分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作；

(6-5)控制器控制气缸的伸缩杆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时，控制器控制气缸停止工作；

(6-6)控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，并通过第二电机带动上端开口气室组件由与基板接触位置逐渐上升至控制器中预设的高度L；MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器检测气体信号，控制器收到TDI气体传感器的检测信号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sigal(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甲苯二异氰酸酯浓度预测模型，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输入甲苯二异氰酸酯浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的甲苯二异氰酸酯浓度。

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，TDI气体传感器作为检测甲苯二异氰酸酯气体的主传感器，TDI气体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TDI气体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，所述还包括设于检测头上的温度传感器和湿度传感器；温度传感器和湿度传感器均与控制器电连接；所述步骤(6-2)由下述步骤替换：

(7-1)控制器控制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，对温度传感器、湿度传感器、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟；

(7-2)通过进气管向气室内充入已知甲苯二异氰酸酯浓度为S的实验室气体，通气3至10分钟后，控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，并通过第二电机带动上端开口气室组件由与基板接触位置逐渐上升至控制器中预设的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器检测气体信号，控制器收到TDI气体传感器的检测信号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，与A、B、C、D、温度和湿度相关的甲苯二异氰酸酯浓度表；

(7-4)控制器根据A、B、C、D、检测的温度和检测的湿度通过甲苯二异氰酸酯浓度表查询甲苯二异氰酸酯浓度s′，

当A中数据至少有80％≤e并且D中数据至少有80％≤e并且时，控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入氮气，对对温度传感器、湿度传感器、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟，转入步骤(6-3)；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TDI气体传感器的校正过程，只有满足A中数据至少有80％≤e并且D中数据至少有80％≤e并且的校正条件的MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体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：

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(xt，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，sm₀＝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\[a\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})-b{\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{m-1}\]$

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

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

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；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。

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≤0.57SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的9.2SS≤D₂≤20.6SS；a和b均≤0.95SS。

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，甲苯二异氰酸酯浓度预测模型为甲苯二异氰酸酯浓度W＝2.34+0.19×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，对甲苯二异氰酸酯具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量甲苯二异氰酸酯气体，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是本发明的一种结构示意图；

图3是本发明的气室的一种剖视图；

图4是本发明的轨道的一种横截面结构示意图；

图5是本发明的轨道的一种俯视图；

图6是本发明的实施例1的一种流程图。

图中：控制器1、存储器2、基板3、气室4、竖向支撑板5、气缸6、风扇7、气体敏感膜8、金属网9、水平隔板10、托板11、检测头12、轨道13、MQ-2传感器14、MQ-135传感器15、TDI气体传感器16、第一电机17、进气管18、出气管19、电磁阀20、竖向丝杆21、第二电机22、温度传感器23、湿度传感器24、下端开口气室组件41、上端开口气室组件42、L形支撑杆43、底板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、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。

实施例1

如图1、图2、图3所示的实施例是一种研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，包括控制器1，存储器2、基板3，设于基板上的横截面呈矩形的气室4和竖向支撑板5，设于竖向支撑板上的气缸6；

如图3所示，气室内壁顶部设有用于向下吹风的6个风扇7，气室内侧壁由上至下依次设有气体敏感膜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12和沿托板上表面螺旋分布的轨道13，检测头上设有MQ-2传感器14、MQ-135传感器15和TDI气体传感器16；气体敏感膜上设有10个通孔；

气室上设有用于插入水平隔板的开口，水平隔板外端与气缸的伸缩杆端部连接，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动的第一电机17，位于水平隔板上部和下部的气室上分别设有进气管18和出气管19；进气管和出气管上均设有电磁阀20；开口和水平隔板之间设有密封结构；

如图2、图3所示，气室包括上下插接的下端开口气室组件41和上端开口气室组件42，下端开口气室组件与基板固定连接，上端开口气室组件底部和基板之间设有竖向丝杆21，竖向丝杆上部与上端开口气室组件底部螺纹配合，竖向丝杆下部通过设于基板上的轴承与基板连接，丝杆下端与设于上端开口气室组件内的第二电机22的转轴连接；下端开口气室组件和上端开口气室组件之间设有密封结构；下端开口气室组件和上端开口气室组件之间设有密封结构。

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、气缸、第一电机、第二机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器电连接。

如图4、图5所示，轨道包括底板121、设于底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；第一电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴124相连接；底板上设有第一挡板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2所示，下端开口气室组件外周面通过4个L形支撑杆43与基板固定连接。气体敏感膜表面设有间隔排列的凸起及凹孔，气体敏感膜上还设有伸出气体敏感膜上下表面之外的碳纳米管。

如图6所示，一种研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤100，抽开水平隔板

控制器控制气缸的伸缩杆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，控制器控制气缸停止工作；

步骤200，传感器清洗

控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗10分钟；

步骤300，气体敏感膜吸附气体

通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，气体敏感膜吸附气体，15分钟后控制器控制进气管和出气管上的电磁阀关闭；

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，10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

控制器控制气缸的伸缩杆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时，控制器控制气缸停止工作；

步骤600，各个传感器检测气体信号并得到传感器融合信号

控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，并通过第二电机带动上端开口气室组件由与基板接触位置逐渐上升至控制器中预设的高度L；MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器检测气体信号，控制器收到TDI气体传感器的检测信号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甲苯二异氰酸酯浓度

存储器中预先存储有随机共振模型和甲苯二异氰酸酯浓度预测模型，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输入甲苯二异氰酸酯浓度预测模型W＝2.34+0.19×SNR中，得到被检测的实验室气体的甲苯二异氰酸酯浓度。

甲苯二异氰酸酯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的甲苯二异氰酸酯气体，得到与每种甲苯二异氰酸酯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，得到本发明的甲苯二异氰酸酯浓度预测模型。

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

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≤0.57SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的9.2SS≤D₂≤20.6SS；a和b均≤0.95SS。

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，sm₀＝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\[a\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})-b{\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{m-1}\]$

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

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

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；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。

实施例2

实施例2中包括实施例1中的所有结构及方法部分，还包括如图1所示的设于检测头上的温度传感器23和湿度传感器24；温度传感器和湿度传感器均与控制器电连接。

实施例2用如下步骤替换实施例1中的步骤200：

步骤210，控制器控制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，对温度传感器、湿度传感器、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗10分钟；

步骤220，通过进气管向气室内充入已知甲苯二异氰酸酯浓度为S的实验室气体，通气10分钟后，控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，并通过第二电机带动上端开口气室组件由与基板接触位置逐渐上升至控制器中预设的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器检测气体信号，控制器收到TDI气体传感器的检测信号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230，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，与A、B、C、D、温度和湿度相关的甲苯二异氰酸酯浓度表；

步骤240，控制器根据A、B、C、D、检测的温度和检测的湿度通过甲苯二异氰酸酯浓度表查询甲苯二异氰酸酯浓度s′，

当A中数据至少有80％≤e并且D中数据至少有80％≤e并且时，控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入氮气，对对温度传感器、湿度传感器、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟，转入步骤300；否则，转入步骤210。

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)

1.一种研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，其特征是，包括控制器(1)，存储器(2)、基板(3)，设于基板上的横截面呈矩形的气室(4)和竖向支撑板(5)，设于竖向支撑板上的气缸(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(12)和沿托板上表面螺旋分布的轨道(13)，检测头上设有MQ-2传感器(14)、MQ-135传感器(15)和TDI气体传感器(16)；气体敏感膜上设有若干个通孔；

所述气室上设有用于插入水平隔板的开口，水平隔板外端与气缸的伸缩杆端部连接，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动的第一电机(17)，位于水平隔板上部和下部的气室上分别设有进气管(18)和出气管(19)；进气管和出气管上均设有电磁阀(20)；开口和水平隔板之间设有密封结构；

所述气室包括上下插接的下端开口气室组件(41)和上端开口气室组件(42)，下端开口气室组件与基板固定连接，上端开口气室组件底部和基板之间设有竖向丝杆(21)，竖向丝杆上部与上端开口气室组件底部螺纹配合，竖向丝杆下部通过设于基板上的轴承与基板连接，丝杆下端与设于上端开口气室组件内的第二电机(22)的转轴连接；

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

2.根据权利要求1所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，其特征是，还包括设于检测头上的温度传感器(23)和湿度传感器(24)；温度传感器和湿度传感器均与控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，其特征是，所述轨道包括底板(121)、设于底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)；所述第一电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴(124)相连接；所述底板上设有第一挡板(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所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，其特征是，所述下端开口气室组件外周面通过4个L形支撑杆(43)与底板固定连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置，其特征是，气体敏感膜表面设有间隔排列的凸起及凹孔，气体敏感膜上还设有伸出气体敏感膜上下表面之外的若干个碳纳米管。

6.一种根据权利要求1所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，其特征是，包括如下步骤：

(6-1)控制器控制气缸的伸缩杆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，控制器控制气缸停止工作；

(6-2)控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟；

(6-3)通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，气体敏感膜吸附气体，5至15分钟后控制器控制进气管和出气管上的电磁阀关闭；

(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10分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作；

(6-5)控制器控制气缸的伸缩杆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时，控制器控制气缸停止工作；

(6-6)控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，并通过第二电机带动上端开口气室组件由与基板接触位置逐渐上升至控制器中预设的高度L；MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器检测气体信号，控制器收到TDI气体传感器的检测信号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甲苯二异氰酸酯浓度预测模型，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输入甲苯二异氰酸酯浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的甲苯二异氰酸酯浓度。

7.根据权利要求1所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，所述还包括设于检测头上的温度传感器和湿度传感器；温度传感器和湿度传感器均与控制器电连接；其特征是，所述步骤(6-2)由下述步骤替换：

(7-1)控制器控制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，对温度传感器、湿度传感器、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟；

(7-2)通过进气管向气室内充入已知甲苯二异氰酸酯浓度为S的实验室气体，通气3至10分钟后，控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均关闭；

控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，并通过第二电机带动上端开口气室组件由与基板接触位置逐渐上升至控制器中预设的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器检测气体信号，控制器收到TDI气体传感器的检测信号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 分别计算矩阵A，B，C和D；存储器中设有最小阈值e，与A、B、C、D、温度和湿度相关的甲苯二异氰酸酯浓度表；

(7-4)控制器根据A、B、C、D、检测的温度和检测的湿度通过甲苯二异氰酸酯浓度表查询甲苯二异氰酸酯浓度s′，

当A中数据至少有80％≤e并且D中数据至少有80％≤e并且时，控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入氮气，对对温度传感器、湿度传感器、MQ-2传感器、MQ-135传感器和TDI气体传感器清洗5至10分钟，转入步骤(6-3)；否则，转入步骤(7-1)。

8.根据权利要求1所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，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，sm₀＝0，用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到

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))

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所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，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≤0.57SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的9.2SS≤D₂≤20.6SS；a和b均≤0.95SS。

10.根据权利要求6或7或8或9所述的研究室中甲苯二异氰酸酯浓度检测装置的检测方法，其特征是，甲苯二异氰酸酯浓度预测模型为甲苯二异氰酸酯浓度W＝2.34+0.19×SNR。