CN105510266A - 一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，结构简单，易于实现。采用新型热释电红外探测器，实现多种有害气体浓度的同时检测，光源调制及信号调理电路的优化设计，有效降低了外部干扰，减小了系统误差。DSP强大的运算处理能力，提高了系统的测量精度和速度，CAN总线通信方便远程监控。该系统能够实现对多种有害气体浓度的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种有害气体监测系统，尤其涉及一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，属于有害气体监测控制领域。
背景技术
随着城市化和工业化进程的加快，各种有害气体的排放对工农业生产、自然环境和日常生活的影响越来越严重，已引起全社会的广泛关注。局部环境和工业现场有害气体浓度过高，将严重危害人们的身体健康。因此，对某些特定区域内有害气体浓度的监测具有十分重要的意义。与传统的气体浓度测量方法相比，红外吸收光谱法具有测量精度高、响应速度快、稳定性能好、抗干扰能力强、可实现多组分气体浓度的同时测量等诸多优点。目前，国内在红外吸收光谱气体浓度检测技术方面还处于起步发展阶段，大多数测量仪器仍选用镍铬丝作为红外光源，采用机械方式调制红外光，存在稳定性差、使用寿命短、对震动敏感等缺陷。
甲醛是一种有毒气体，它广泛存在于家居装饰材料中，危害着人们的身体健康，因此对于甲醛的监测显得尤为重要。随着技术的发展，甲醛的监测主要朝着实时响应、操作简化、低功耗、低成本方向发展。目前，国内也有一些人做了关于甲醛监测的仪器，他们都采用国外电化学传感器，但成本较高。
甲醛（HCHO）在常温下是一种无色，有刺激性气味的气体，易溶于水、醇和醚。甲醛对人的眼睛、呼吸系统、神经系统等均有强烈危害，长时间接触会导致组织畸变并引起癌变，因此它是一种潜在的危险致癌物和重要的环境污染物，对人体严重有害。
例如申请号为“201310055716.7”的一种便携式甲醛浓度检测装置，包括吸气风扇，用于吸收待检测的空气；透明容器，用于盛放酚试剂溶液，空气中的甲醛和酚试剂溶液反应生成嗪；光传感器，所述光传感器为两枚；LED，为所述光传感器检测溶液颜色提供光照；微处理器，处理所述光传感器传递的电压信号；显示器，用于显示甲醛浓度的数值。另外还提供了一种使用上述装置的甲醛浓度检测方法。该发明的有益效果在于：能够精确快速的推算出一定体积空气中的甲醛浓度，且比较便携。
又如申请号为“201410443047.5”的一种适用于空气净化器的在线甲醛浓度检测装置，包括：用于检测空气中甲醛浓度的传感器；用于电流电压转换的转换组件，所述转换组件与所述传感器连接；通过双闭环放大电路与所述转换组件连接的ADC采样组件，所述ADC采样组件后续设置有A/D模数转换器；MCU处理系统，所述MCU处理系统与所述A/D模数转换器信号连接，所述MCU处理系统包括有处理器，所述处理器通过RS485通信协议与显示器连接。该发明的有益效果为：在线甲醛浓度检测装置，可装于空气净化器机体内所需要的任意位置，在线实时检测空气净化器处理洁净空气中甲醛的浓度含量，检测精度高，稳定性强，并将检测到的数据传输到显示设备实时显示，可直观的查看甲醛实时含量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，其特征在于：包含红外吸收检测模块、放大滤波电路、检波整流电路、微控制器模块、时钟模块、键盘输入模块、报警模块、显示模块、存储器模块和电源模块，所述红外吸收检测模块依次通过放大滤波电路、检波整流电路与微控制器模块连接，所述时钟模块、键盘输入模块、报警模块、显示模块、存储器模块和电源模块均连接在微控制器模块的相应端口上，所述红外吸收检测模块包含依次连接的光谱调制驱动电路、红外光源、气室和热释电红外探测器；
其中，红外吸收检测模块，用于利用热释电红外探测器将穿过气室的红外光源转换成电信号；
放大滤波电路，用于将红外吸收检测模块转换成的电信号进行放大滤波处理；
检波整流电路，用于将滤波处理后的电信号进行检波整流处理；
键盘输入模块，用于预先设定有害气体的正常浓度阈值；
微控制器模块，用于根据接收的光强度电信号计算出有害气体的浓度，进而与预先设定的正常浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值则控制报警模块发出警报；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的有害气体的浓度；
时钟模块，用于实时记录检测有害气体浓度的时间；
存储器模块，用于根据时钟模块实时记录存储有害气体的浓度。
作为本发明一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统的进一步优选方案，所述热释电红外探测器的芯片型号为TPS4339。
作为本发明一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统的进一步优选方案，所述报警模块采用声光报警单元。
作为本发明一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统的进一步优选方案，所述微控制器模块选用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812。
作为本发明一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统的进一步优选方案，所述显示模块采用LCD显示屏。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用新型脉冲调制红外热辐射光源，高精度干涉滤光片一体化热释电红外探测器，DSP智能控制处理系统等，可在线监测大气环境及工业现场中CO、CO2、CH4的浓度，具有自动显示、越限报警及远程监控等功能；
2、本发明结构简单，易于实现。采用新型热释电红外探测器，实现多种有害气体浓度的同时检测，光源调制及信号调理电路的优化，有效降低了外部干扰，减小了系统误差；
3、DSP强大的运算处理能力，提高了系统的测量精度和速度，CAN总线通信方便远程监控，该系统能够实现对多种有害气体浓度的实时监测。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，包含红外吸收检测模块、放大滤波电路、检波整流电路、微控制器模块、时钟模块、键盘输入模块、报警模块、显示模块、存储器模块和电源模块，所述红外吸收检测模块依次通过放大滤波电路、检波整流电路与微控制器模块连接，所述时钟模块、键盘输入模块、报警模块、显示模块、存储器模块和电源模块均连接在微控制器模块的相应端口上，所述红外吸收检测模块包含依次连接的光谱调制驱动电路、红外光源、气室和热释电红外探测器；
其中，红外吸收检测模块，用于利用热释电红外探测器将穿过气室的红外光源转换成电信号；
放大滤波电路，用于将红外吸收检测模块转换成的电信号进行放大滤波处理；
检波整流电路，用于将滤波处理后的电信号进行检波整流处理；
键盘输入模块，用于预先设定有害气体的正常浓度阈值；
微控制器模块，用于根据接收的光强度电信号计算出有害气体的浓度，进而与预先设定的正常浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值则控制报警模块发出警报；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的有害气体的浓度；
时钟模块，用于实时记录检测有害气体浓度的时间；
存储器模块，用于根据时钟模块实时记录存储有害气体的浓度。
其中，所述热释电红外探测器的芯片型号为TPS4339，所述报警模块采用声光报警单元，所述微控制器模块选用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，所述显示模块采用LCD显示屏。
红外吸收光谱法是利用物质对红外电磁辐射具有选择性吸收的特性来对物质进行定性或定量分析的方法。根据红外理论，许多化合物分子在红外波段都有一定的吸收峰，吸收峰的强弱及所在波长由分子本身的结构决定，气体分子的吸收峰主要分布在1μm～25μm波长的红外区。如CO、CO2、CH4分别在4.66μm、4.26μm、3.46μm有一个吸收峰。当红外光通过气体时，气体分子吸收光能量，在相应的波长处就会产生光强的衰减，而衰减程度与气体浓度的高低有关，其关系服从Lamber-Beer定律，如式（1）所示。
I=I0e-KCL（1）
其中：I0为入射光强度；I为出射光强度；K为气体吸收系数；C为气体浓度；L为红外光透过气体的长度。
气体吸收系数K取决于气体特性，不同气体的吸收系数互不相同，对同一种气体，K是吸收峰波长的函数，当待测气体种类一定时，K为一定值。当L一定时，只需测量出射光强度I，即可确定待测气体浓度。由于光强易受外界环境的影响且不方便测量，因此，需要利用热释电红外探测器将光强的变化转换为电压的变化，实现对气体浓度的间接测量。
系统采用单光源4波长的检测方法，红外光源发出的红外光通过测量气室内的光学反射系统入射到热释电红外探测器上，探测器设置4个独立的检测单元，其中：3个测量单元，1个参考单元。每个单元上安装窄带干涉滤光片，测量单元滤光片的透射中心波长分别与待测气体的吸收峰波长相对应，而参考单元滤光片的透射中心波长则远离待测气体的吸收峰波长。
DSP是整个系统的控制处理核心部分，直接影响硬件和软件的设计，选用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，具有以下特点：最高工作频率150MHz，32位处理器，可实现在较短时间内完成复杂的算法任务。拥有丰富的片内资源，片上Flash、ROM、RAM、定时器、增强局域网络eCAN，12位16通道片内A/D转换器，简化了硬件电路设计。支持TI的ex-pressDSPTM实时开发技术，TMS320DSP算法标准，CCS集成开发环境，为软件开发提供了便利条件。
红外吸收检测模块包括：红外光源、气室、热释电红外探测器。红外光源及热释电红外探测器安装在内壁光洁的镀膜气室内，气室开有带防尘罩的气孔，以便使气体自由扩散。气室内的光学系统，使光源发射的红外光经反射后入射到热释电红外探测器上，以增加光程，提高检测分辨率。
红外光源采用新型脉冲调制红外热辐射光源MIRL17-900，以无定形碳材料作为多层热电阻薄膜，通过电流后发热产生红外辐射，其光谱输出范围是1.0μm～20μm，完全覆盖待测气体的吸收峰波长。具有使用寿命长、发射效率高、热容量小等优点。用MIRL17-900取代由传统红外光源、切光片和驱动电机组成的光源系统，使得光源系统中没有可动部件，增强了稳定性和可靠性。
热释电红外探测器是系统的核心器件，采用高精度干涉滤光片一体化热释电红外探测器TPS4339，该探测器是专门针对多组分气体检测而设计的新型热释电红外传感器，包括3个测量单元、1个参考单元和用于温度补偿的测温单元。3个测量单元的滤光片透射中心波长分别为：4.66μm、4.26μm、3.46μm与待测气体CO、CO2、CH4的吸收峰相对应，参考单元的滤光片透射中心波长为3.93μm，远离被测气体的吸收峰，参考单元的光谱不能为被测气体所吸收，只反映光源的光强信息，TPS4339通过各单元滤光片将光强变化转换为电压变化。滤光片与探测器的一体化结构，使其具有体积小、稳定性好及调试方便等优点。
热释电红外探测器只响应变化的光强，而对于稳定的光强，其输出信号为恒定值。因此，在使用热释电红外探测器对光强进行探测时，需对红外光源进行一定频率的调制。根据MIRL17-900及TPS4339使用手册中，光源光强及红外探测器响应随调制频率的增加而下降的关系，设置光源调制频率为2Hz。2Hz方波调制信号由TMS320F2812定时中断产生，通过反相驱动器74F04和光电耦合器MCT273控制功率场效应管IRF9410通断，实现对光源的调制。
系统采用220V市电供电，通过开关电源将其变换为±12V和＋5V。TMS320F2812所需的数字3.3V和1.8V电源，由＋5V电压经低压差双路输出线性电源TPS767D301将其变换为3.3V和1.8V。
本发明涉及基于红外吸收的有害气体监测系统，结构简单，易于实现。采用新型热释电红外探测器，实现多种有害气体浓度的同时检测，光源调制及信号调理电路的优化设计，有效降低了外部干扰，减小了系统误差。DSP强大的运算处理能力，提高了系统的测量精度和速度，CAN总线通信方便远程监控。该系统能够实现对多种有害气体浓度的实时监测。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，其特征在于：包含红外吸收检测模块、放大滤波电路、检波整流电路、微控制器模块、时钟模块、键盘输入模块、报警模块、显示模块、存储器模块和电源模块，所述红外吸收检测模块依次通过放大滤波电路、检波整流电路与微控制器模块连接，所述时钟模块、键盘输入模块、报警模块、显示模块、存储器模块和电源模块均连接在微控制器模块的相应端口上，所述红外吸收检测模块包含依次连接的光谱调制驱动电路、红外光源、气室和热释电红外探测器；
其中，红外吸收检测模块，用于利用热释电红外探测器将穿过气室的红外光源转换成电信号；
放大滤波电路，用于将红外吸收检测模块转换成的电信号进行放大滤波处理；
检波整流电路，用于将滤波处理后的电信号进行检波整流处理；
键盘输入模块，用于预先设定有害气体的正常浓度阈值；
微控制器模块，用于根据接收的光强度电信号计算出有害气体的浓度，进而与预先设定的正常浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值则控制报警模块发出警报；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的有害气体的浓度；
时钟模块，用于实时记录检测有害气体浓度的时间；
存储器模块，用于根据时钟模块实时记录存储有害气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，其特征在于：所述热释电红外探测器的芯片型号为TPS4339。
3.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，其特征在于：所述报警模块采用声光报警单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，其特征在于：所述微控制器模块选用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812。
5.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的有害气体监测系统，其特征在于：所述显示模块采用LCD显示屏。
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