CN105181893B - 研究室中挥发乙醚气体检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究室中挥发乙醚气体检测装置和方法，包括控制器，存储器、支撑平台，设于支撑平台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、由电热丝构成的第一金属网、气体敏感膜、由电热丝构成的第二金属网，位于第二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，对乙醚具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量乙醚气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。

Description

研究室中挥发乙醚气体检测装置和方法

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乙醚浓度的研究室中挥发乙醚气体检测装置和方法。

背景技术

乙醚通常为无色透明液体，有特殊刺激气味，带甜味，极易挥发。其蒸汽重于空气。在空气的作用下能氧化成过氧化物、醛和乙酸，暴露于光线下能促进其氧化。当乙醚中含有过氧化物时，在蒸发后所分离残留的过氧化物加热到100℃以上时能引起强烈爆炸。乙醚溶于低碳醇、苯、氯仿、石油醚和油类，微溶于水。相对密度O.7134，熔点-116.3℃，沸点34.6℃，折光率1.35555，闪点(闭杯)-45℃。

目前对于低浓度乙醚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乙醚的浓度，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乙醚的现场准确快速检测。

因此，目前使用的用于微量乙醚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：CN1O184661OA，授权公告日201O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乙醚浓度的研究室中挥发乙醚气体检测装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种研究室中挥发乙醚气体检测装置，包括控制器，存储器、支撑平台，设于支撑平台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、由电热丝构成的第一金属网、气体敏感膜、由电热丝构成的第二金属网，位于第二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环形分布的轨道，检测头上设有MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器；每个气体敏感膜上均设有若干个通孔；

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均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；

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支撑平台固定连接，上端开口气室组件底部和支撑平台之间设有竖向丝杆，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支撑平台上的轴承与支撑平台连接，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、各个风扇、各个电磁阀、第一金属网、第二金属网、第一电机、第二电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器电连接。

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。

第一金属网、第二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；竖向支撑板和气缸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，乙醚传感器用于检测乙醚气体信号；第二电机用于带动上端开口气室组件上升。

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，乙醚传感器作为检测乙醚气体的主传感器，将MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚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，对乙醚具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量乙醚气体，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；所述第一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，所述下端开口气室组件外周面通过4个L形支撑杆与支撑平台固定连接。

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。空腔和碳纳米管增加了气体敏感膜对气体的吸附能力。

一种研究室中挥发乙醚气体检测装置的控制方法，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传感器和乙醚传感器清洗8至15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，气体敏感膜吸附气体，7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；

(6-4)控制器控制第一金属网、第二金属网通电，同时控制各个风扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，8至15分钟后，控制器控制第一金属网、第二金属网断电，各个风扇停止工作；

(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相接触时，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，通过第二电机带动上端开口气室组件由与支撑平台接触位置逐渐上升至控制器中预定的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器检测气体信号，控制器收到乙醚传感器的检测信号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乙醚浓度预测模型，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输入乙醚浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的乙醚浓度。

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，乙醚传感器作为检测乙醚气体的主传感器，MQ-2传感器的检测信号S1(t)、MQ-135传感器的检测信号S2(t)，乙醚传感器的检测信号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传感器和乙醚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传感器和乙醚传感器清洗8至15分钟；

(7-2)通过进气管向气室下部充入已知乙醚浓度为S的实验室气体，通气3至10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，通过第二电机带动上端开口气室组件由与支撑平台接触位置逐渐上升至控制器中预定的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器检测气体信号，控制器收到乙醚传感器的检测信号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＝(Sli-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；

(7-4)当A+B+C＝D并且A中数据至少有83％≤e并且D中数据至少有83％≤e时，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传感器和乙醚传感器的校正过程，只有满足A+B+C＝D并且A中数据至少有83％≤e并且D中数据至少有83％≤e的校正条件的MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚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(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)＝O，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\[a\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})-b{\left({\mathrm{\αx}}_{m-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{m-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{m-1}\]$

${\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≤0.53SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的10.5SS≤D₂≤21SS；a和b均≤0.87SS。

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，乙醚浓度预测模型为乙醚浓度W＝1.14+0.05×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，对乙醚具有较好的选择性，能够检测出浓度更低的微量乙醚气体，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结构示意图；

图3是本发明的一种剖视图；

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、支撑平台3、气室4、竖向支撑板5、气缸6、风扇7、气体敏感膜8、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、乙醚传感器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、下端开口气室组件41、上端开口气室组件42、L形支撑杆43、第一金属网91、第二金属网92、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、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、图3所示的实施例是一种研究室中挥发乙醚气体检测装置，包括控制器1，存储器2、支撑平台3，设于支撑平台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，由电热丝构成的第一金属网91，气体敏感膜，由电热丝构成的第二金属网92，位于第二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和沿托板上表面环形分布的轨道13；

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均设有一组进气管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；

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支撑平台固定连接，上端开口气室组件底部和支撑平台之间设有竖向丝杆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支撑平台上的轴承与支撑平台连接，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连接部位设有密封结构。

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

如图4、图5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，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；第一电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴124相连接。

如图5所示，检测头上设有MQ-2传感器14、MQ-135传感器15和乙醚传感器16；气体敏感膜上设有12个通孔；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滚珠129。

如图1所示，下端开口气室组件外周面通过4个L形支撑杆43与支撑平台固定连接。气体敏感膜内设有间隔分布的空腔，空腔内设有伸出气体敏感膜上下表面之外的碳纳米管。

如图6所示，一种研究室中挥发乙醚气体检测装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤100，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传感器和乙醚传感器清洗15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；

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，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

控制器控制第一金属网、第二金属网通电，同时控制各个风扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，15分钟后，控制器控制第一金属网、第二金属网断电，各个风扇停止工作；

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相接触时，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，通过第二电机带动上端开口气室组件由与支撑平台接触位置逐渐上升至控制器中预定的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器检测气体信号，控制器收到乙醚传感器的检测信号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乙醚浓度

存储器中预先存储有随机共振模型和乙醚浓度预测模型，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输入乙醚浓度预测模型W＝1.14+0.05×SNR中，得到被检测的实验室气体的乙醚浓度。

乙醚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的乙醚气体，得到与每种乙醚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，得到本发明的乙醚浓度预测模型。

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≤0.53SS，一层随机共振模型和二层随机共振模型中的10.5SS≤D₂≤21SS；a和b均≤0.87SS。

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

${\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；

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。

实施例2

实施例2包括实施例1中的所有结构和步骤部分，实施例2用下述步骤替换实施例1中的步骤100：

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传感器和乙醚传感器清洗15分钟；；

步骤120，传感器校正

通过进气管向气室下部充入已知乙醚浓度为S的实验室气体，通气10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，通过第二电机带动上端开口气室组件由与支撑平台接触位置逐渐上升至控制器中预定的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器检测气体信号，控制器收到乙醚传感器的检测信号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；

步骤140，当A+B+C＝D并且A中数据至少有83％≤e并且D中数据至少有83％≤e时，转入步骤200；否则，转入步骤110。

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 (7)

1.一种研究室中挥发乙醚气体检测装置，其特征是，包括控制器(1)，存储器(2)、支撑平台(3)，设于支撑平台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)、由电热丝构成的第一金属网(91)、气体敏感膜、由电热丝构成的第二金属网(92)，位于第二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)和沿托板上表面环形分布的轨道(13)，检测头上设有MQ-2传感器(14)、MQ-135传感器(15)和乙醚传感器(16)；每个气体敏感膜上均设有若干个通孔；

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均设有一组进气管(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支撑平台固定连接，上端开口气室组件底部和支撑平台之间设有竖向丝杆(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支撑平台上的轴承与支撑平台连接，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、各个风扇、各个电磁阀、第一金属网、第二金属网、第一电机、第二电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器电连接；

所述下端开口气室组件外周面通过4个L形支撑杆(43)与支撑平台固定连接。

2.根据权利要求1所述的研究室中挥发乙醚气体检测装置，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)；所述第一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所述的研究室中挥发乙醚气体检测装置，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或2或3所述的研究室中挥发乙醚气体检测装置，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。

5.一种根据权利要求1所述的研究室中挥发乙醚气体检测装置的控制方法，其特征是，包括如下步骤：

(5-1)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传感器和乙醚传感器清洗8至15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；

(5-2)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，气体敏感膜吸附气体，7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；

(5-3)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；

(5-4)控制器控制第一金属网、第二金属网通电，同时控制各个风扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，8至15分钟后，控制器控制第一金属网、第二金属网断电，各个风扇停止工作；

(5-5)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相接触时，控制器控制气缸停止工作；

(5-6)控制器通过第一电机带动检测头沿轨道移动，通过第二电机带动上端开口气室组件由与支撑平台接触位置逐渐上升至控制器中预定的高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器检测气体信号，控制器收到乙醚传感器的检测信号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)；

(5-7)存储器中预先存储有随机共振模型和乙醚浓度预测模型，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输入乙醚浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的乙醚浓度。

6.根据权利要求5所述的研究室中挥发乙醚气体检测装置的控制方法，其特征是，所述步骤(5-1)由下述步骤替换：

(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传感器和乙醚传感器清洗8至15分钟；

(6-2)通过进气管向气室下部充入已知乙醚浓度为S的实验室气体，通气3至10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，通过第二电机带动上端开口气室组件由与支撑平台接触位置逐渐上升至预定高度L，MQ-2传感器、MQ-135传感器和乙醚传感器检测气体信号，控制器收到乙醚传感器的检测信号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)；

(6-3)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；

(6-4)当A+B+C＝D并且A中数据至少有83％≤e并且D中数据至少有83％≤e时，转入步骤(5-2)；否则，转入步骤(6-1)。

7.根据权利要求5或6所述的研究室中挥发乙醚气体检测装置的控制方法，其特征是，乙醚浓度预测模型为乙醚浓度W＝1.14+0.05×SNR。