CN105911010A - 痕量气体污染物检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种痕量气体污染物检测装置和方法，所述装置包括：光源生成模块、样品池模块、检测处理模块和控制模块；所述光源生成模块，配置为生成红外光；所述样品池模块，配置为基于参考样品和待测样品，对所述红外光进行光路整形；所述检测处理模块，配置为将所述整形后的红外光转换成电信号，并对所述电信号进行检测处理；所述控制模块，配置为向所述光源生成模块和所述检测处理模块发送包含有优化信息的控制信号。本发明的技术方案通过基于参考样品和待测样品对红外光进行整形，并对整形后的红外光进行分析、处理和优化，进一步地提高了装置的信噪比，从而提高了检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及红外光谱气体检测技术领域，特别涉及一种痕量气体污染物检测装置和方法。
背景技术
随着现代工业、能源及交通等领域的迅猛发展，以及随之而来的能源过度使用、工业尾气和汽车尾气的违规排放，大气污染日趋严重，严重地危害了人类健康。大气中的烟尘、尾气等污染物在空气中混合，并发生一系列化学反应，从而生成有毒气体，如二氧化氮、二氧化硫等。这些有毒气体虽然在大气中的含量很低，甚至不到百万分之一，但这些气体长期存在于大气中会不但严重危及人类的健康，而且对人类所赖以生存的环境构成污染，如形成酸雨，全球变暖等环境问题。可见，实时掌握大气中的污染物含量、大气中各种气体的浓度变化，对预测环境和气候的变化具有十分重要的意义。
目前，气体检测技术根据检测原理可分为气体传感器技术、电化学气体检测技术、气相色谱分析技术、光谱检测技术和如热导式气体检测技术等检测技术。其中，气体传感器技术是一种将被检测信息转换成电信号或其它形式的信号的检测技术，这种检测技术过程繁琐，对被测气体的选择性差，容易受到杂质气体的干扰；电化学气体检测技术是基于电化学原理与气体的电化学性质而建立的一种检测技术；气相色谱分析技术是一种物理分离分析技术，根据不同气体在色谱柱中速度的差别实现气体成分的检测，电化学气体检测技术和气相色谱分析技术多采用单点式的人工采样方式，而且必须在实验室分析，分析精度常受操作技能的影响较大，而且每次仅能检测单一成份的气体，缺乏多重输入与信号处理的功能，分析时响应速度慢，效率低；光谱检测技术基于红外波段，速度较快，准确度高，无量程限制，抗冲击性能好等优点；热导式气体检测技术是通过测量混合气体热导率的变化量来实现被测气体浓度的测量，在这种检测技术中，被测气体中的水汽和吸收性杂质气体以及它们的压力和流量波动对检测结果影响较大，同时测量过程受环境温度影响较大，存在测量精度不高、不易补偿等问题。
综合考虑上述各种因素，光谱检测技术具有较为显著的优点，而逐渐被广泛研究和应用。但是，现有技术的光谱检测技术虽然稳定性比较好，但仍具有难以突破的缺点，例如，在大气中的污染物的浓度很低的情况下，难以对污染物进行精确的检测。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构简单、测量精度高的痕量气体污染物检测装置和方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种痕量气体污染物检测装置，包括光源生成模块、样品池模块、检测处理模块和控制模块；
所述光源生成模块，配置为生成红外光；
所述样品池模块，配置为基于参考样品和待测样品，对所述红外光进行光路整形；
所述检测处理模块，配置为对整形后的红外光进行检测处理；
所述控制模块，配置为向所述光源生成模块和所述检测处理模块发送包含有优化信息的控制信号。
作为优选，所述装置还包括通信模块和显示模块：
所述通信模块，配置为所述控制模块与外部设备进行数据通信；
所述显示模块，配置为显示所述检测处理模块对所述痕量气体污染物的检测结果。
作为优选，所述控制模块具体包括微控制器、第一优化模块和第二优化模块；
微控制器，配置为向所述光源生成模块和所述检测处理模块发送控制信号；
第一优化模块，配置为在所述检测处理模块的基础上，调节驱动信号的幅度和占空比，以优化光源的发光效率；
第二优化模块，通过参考通道的数据处理以及改变光源的驱动信号来降低污染物监测装置的本底噪声。
作为优选，所述光源生成模块具体包括光源调制模块、光源驱动模块、红外光源和滤光设备：
所述红外光源，配置为发生红外光；
所述光源驱动模块，配置为向所述红外光源发送激励信号，以驱动所述红外光源发生红外光；
所述光源调制模块，配置为对所发生的所述红外光进行调制，以输出预设频率的红外光；
所述滤光设备，配置为过滤调制后的所述红外光。
作为优选，所述光源驱动模块包括恒流驱动或者脉冲恒流驱动源。
作为优选，所述的样品池模块具体包括分束器、参考通道、样品通道和汇聚透镜：
分束器，配置为将所述过滤后的红外光分成两路，并分别射入所述参考通道和所述样品通道中；
参考通道，配置为存储预设浓度的参考样品，并使所述红外光通过预设浓度的参考样品；
样品通道，配置为存储待测样品，并使所述红外光通过所述待测样品；
汇聚透镜，配置为将通过所述参考样品和所述待测样品的红外光进行汇聚。
作为优选，所述检测处理模块具体包括光电检测器、跨阻放大模块、信号预处理模块、信号采集模块和信号处理模块；
所述光电检测器，配置为将汇聚的红外光转化为电流信号；
跨阻放大模块，配置为将所述电流信号转化为电压信号；
信号预处理模块，配置为所述电压信号进行滤波和变换；
信号采集模块，配置为将所述电压信号转换为光信号；
信号处理模块，配置为将所述光信号进行信号处理，并将处理后的结果发送至所述控制模块。
作为优选，所述信号采集模块包括模数转换器。
作为优选，所述信号处理模块包括现场可编程门阵列或者数字信号处理器。
本发明还提供一种痕量气体污染物检测方法，包括：
根据所接收的第一控制信号，生成红外光；
基于参考样品和待测样口，对所述红外光进行光路整形；
将所述整形后的红外光转换成电信号，并对所述电信号进行检测处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的技术方案通过基于参考样品和待测样品对红外光进行整形，并对整形后的红外光进行优化和检测，进一步地提高了装置的信噪比，从而提高了检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的痕量气体污染物检测装置的实施例一的示意图；
图2为本发明的痕量气体污染物检测装置的实施例二的示意图；
图3为本发明的痕量气体污染物检测方法的实施例一的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图1为本发明的痕量气体污染物检测装置的实施例一的示意图，如图1所示，本实施例的痕量气体污染物检测装置，具体可以包括光源生成模块10、样品池模块20、检测处理模块30和控制模块40。
光源生成模块10，配置为生成红外光；
样品池模块20，配置为基于参考样品和待测样品，对红外光进行光路整形；
具体地，本实施例中的待测样品主要包括痕量气体污染物，已知参考样品的各参数，使红外光通过参考样品和待测样品，根据气体对红外光的作用，红外光的光路将发生改变，那么根据两束改变了光路的红外光，即由参考样品射出的改变了光路的红外光和由待测样品射出的改变了光路的红外光的参数值进行比对，即可获得参考样品的各参数值，即可确定待测品中痕量气体染染物的含量。
检测处理模块30，配置为对整形后的红外光进行检测处理；
控制模块40，配置为向光源生成模块10和检测处理模块30发送包含有优化信息的控制信号。
本实施例的技术方案通过基于参考样品和待测样品对红外光进行整形，并对整形后的红外光进行分析、处理和优化，进一步地提高了装置的信噪比，从而提高了检测灵敏度。
图2为本发明的痕量气体污染物检测装置的实施例二的示意图，本实施例的痕量气体污染物检测装置在上述实施例一的基础上，进一步更加详细地介绍本发明的技术方案。如图2所示，本实施例的痕量气体污染物检测装置，进一步可以包括通信模块50和显示模块60。
该装置还包括通信模块50和显示模块60：
通信模块50，配置为控制模块40与外部设备进行数据通信；
显示模块60，配置为显示检测处理模块30对痕量气体污染物的检测结果。
进一步地，控制模块40具体包括微控制器401、第一优化模块402和第二优化模块403；
微控制器401，配置为向光源生成模块10和检测处理模块30发送控制信号；
第一优化模块402，配置为在检测处理模块30的基础上，调节驱动信号的幅度和占空比，以优化光源的发光效率；
第一优化模块402主要用于调节光源生成模块10的驱动信号的幅度和占空比，来优化光源的发光效率。
第二优化模块403，通过参考通道202的数据处理以及改变光源的驱动信号来降低污染物监测装置的本底噪声。
第二优化模块403主要用于通过对样品池模块20的参考通道202进行数据处理，以及改变光源的驱动信号来降低本实施例的检测装置的本底噪声，以提高本实施例的检测装置的信噪比。
需要说明的是，第二优化模块403的工作原理为：1，调整红外光源的驱动电流，并观测光电检测器301上的等效幅度噪声，以确定最优的信噪比；2，采用参考信道来降低本底噪声；3，通过提高积分时间来提高信噪比。
进一步地，光源生成模块10具体包括光源调制模块101、光源驱动模块102、红外光源103和滤光设备104：
红外光源103，配置为发生红外光。
由于红外光的波长较长，便于人工控制，因为本检测装置采用红外光进行分析。本领域的技术人员应该知道，现在大多数的光谱仪也都为红外光谱仪，例如，傅里叶变换红外光谱仪，但随着科技的进步，现在也出现以其他的光谱仪，从理论上讲，本发明的光源生成模块10可以生成其他波长的光，用于对待测样品的成分进行检测。
光源驱动模块102，配置为向红外光源103发送激励信号，以驱动红外光源103发生红外光。
具体地，红外光源103不能自行发光，而需要在驱动信号的作用下，才能生成红外光，因此本实施例的光源生成模块10设置有光源驱动模块102，以向红外光源103发送激励信号，驱动红外光源103生成红外光。
进一步地，光源驱动模块102包括恒流驱动或者脉冲恒流驱动源。
光源调制模块101，配置为对所发生的红外光进行调制，以输出预设频率的红外光。
具体地，光源调制模块101对红外光源103生成的光进行调制，以输出不同频率的红外光，以便于本实施例的检测装置的检测，同时，光源调制模块101还用于降低低频噪声所引入的干扰。
滤光设备104，配置为过滤调制后的红外光。
具体地，由于红外光源103所生成的红外光中包括有多个波长的光，因此，设置滤光设备104可以滤除掉不必要的波长的光，而仅保留需要的波长的红外光，以保证过滤后的红外光的光谱较窄，从而降低其他光谱所引入的干扰。本实施例的滤光设备104包括滤光片。
进一步地，的样品池模块20具体包括分束器201、参考通道202、样品通道203和汇聚透镜204。
具体地，分束器201，配置为将过滤后的一束红外光分成两路，并分别射入参考通道202和样品通道203中。
参考通道202，配置为存储预设浓度的参考样品，并使红外光通过预设浓度的参考样品；
样品通道203，配置为存储待测样品，并使红外光通过待测样品；
根据两束红外光通过参考通道202和样品通道203后的光路变化情况，并对两束红外光的光路变化情况进行比对，从而可以获得样品通道203内的待测样品中的痕量气体染染物的含量。
本实施例的样品池模块20还包括汇聚透镜204，该汇聚透镜204配置为将通过参考样品和待测样品的红外光进行汇聚。
由于由参考通道202和样品通道203射出的红外光虽然光路发生变化，但是由于现有的技术对光的认识程度还没有达到对电的认识程度，因此目前对光的分析过程一般为，先将光信号转化成电信号进行检测，再由电子线路对电信号进行放大处理，再还原来原来的光信号。这里为使红外光能够射入检测处理模块30进行检测，在参考通道202和样品通道203的光的出射方向处设置有汇聚透镜204，以使红外光射入检测处理模块30。
进一步地，检测处理模块30具体包括光电检测器301、跨阻放大模块302、信号预处理模块303、信号采集模块304和信号处理模块305。
具体地，光电检测器301，配置为将汇聚的红外光转化为电流信号。光电检测器301采用分时工作方式，也就是说，光电检测器301分别在不同的时刻来采集光信号，以用于后续分析。本实施例中只设置一个光电检测器301，以避够不同检测器之间存在差异性而造成的检测不精确。另外，本实施例可以直接使用现有技术的光电检测器301，例如，光电僧增管、热电探测器、光电二极管等光电检测器301。
跨阻放大模块302，配置为将电流信号转化为电压信号。
信号预处理模块303，配置为电压信号进行滤波和变换。
具体地，为了后续步骤中能够对电信号进行高精度的采样和提高整个检测装置的信噪比，此处需要信号预处理模块303对电压信号进行滤波和变换，以去除无用信号，保留有用信号。由于待测气体中除痕量气体污染物外，还包含有大量的其他气体，对电压信号进行滤波和变化后，支除了对于其他气体的信息，而仅保留关于痕量气体污染物的信号，便于提高测量精度。
信号采集模块304，配置为将电压信号转换为光信号。
信号处理模块305，配置为将光信号进行信号处理，并将处理后的结果发送至控制模块40。
需要说明的是，采样的光信号进行处理的过程与驱动模块发送激励信号同步进行，以提取待测气体的浓度信息。
进一步地，信号采集模块304包括模数转换器。
进一步地，信号处理模块305包括现场可编程门阵列(FPGA)或者数字信号处理器。
本实施例的痕量气体污染物的检测装置，能够实现对痕量气体污染物的高灵敏度检测，下面结合图2介绍本发明装置的工作原理。如图2所示，本装置包括通信模块50、显示模块60、控制模块40、光源生成模块10、样品池模块20、检测处理模块30。控制模块40控制整个装置的光源控制以及光电信号的转换处理，第一优化模块402和第二优化模块403在主控模块40的控制下，通过调节光源的频率和占空比以及驱动光电流，来提高本发明的装置的检测信噪比。
光源生成模块10包括光源调制模块101、光源驱动模块102、红外光源103和滤光设备104。红外光源103在光源调制模块101和光源驱动模块102的工作作用下驱动光源按指定频率和幅度进行发光。第一优化模块402和信第二优化模块403均是在主控模块40的控制下对光源调制模块101和光源驱动模块102进行优化。
红外光经分束器201分成两束红外光，一束红外光经过参考通道202和汇聚透镜204进入光电检测器301，另一束红外光经过样品通道203和汇聚透镜204进入光电检测器301。光电检测器301与光源驱动模块102同步，分时转换两束光，获得电流信号。电流信号经跨阻放大模块302转化为电压信号。该电压信号经过信号预处理模块303进行滤波和差分变换，并发送至到信号采集模块304进行转换成数字信号，信号处理模块305是对该数字信号进行数字处理，从而获得与气体浓度相关的数值，并发送至主控模块40；主控模块40将此检测的气体浓度信息通过通信模块50发送至显示模块60，以使显示模块60显示检测结果。
本实施例的痕量气体污染物检测装置，从提高光强和降低本底噪声两个方面提高了检测装置的检测灵敏度；而且本实施例的检测装置可以实现长时间无人值守，方便操作；同时，本实施例的检测装置还可以应用于在大气环境、环境化学、气候变化以及工业过程控制等技术领域。
图3为本发明的痕量气体污染物检测方法的实施例一的流程图，如图3所示，本实施例的痕量气体污染物检测方法，具体可以包括如下步骤：
S1，根据所接收的第一控制信号，生成红外光；
S2，基于参考样品和待测样口，对红外光进行光路整形；
S3，将整形后的红外光转换成电信号，并对电信号进行检测处理。本实施例的痕量气体污染物检测方法，通过采用上述步骤对痕量气体污染物进行检测的实现机制与上述图1所示实施例的痕量气体污染物检测装置的实现机制相同，详细可以参考上述图1所示实施例的记载，在此不再赘述。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种痕量气体污染物检测装置，其特征在于，包括光源生成模块、样品池模块、检测处理模块和控制模块；
所述光源生成模块，配置为生成红外光；
所述样品池模块，配置为基于参考样品和待测样品，对所述红外光进行光路整形；
所述检测处理模块，配置为对整形后的红外光进行检测处理；
所述控制模块，配置为向所述光源生成模块和所述检测处理模块发送包含有优化信息的控制信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括通信模块和显示模块：
所述通信模块，配置为所述控制模块与外部设备进行数据通信；
所述显示模块，配置为显示所述检测处理模块对所述痕量气体污染物的检测结果。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块具体包括微控制器、第一优化模块和第二优化模块；
微控制器，配置为向所述光源生成模块和所述检测处理模块发送控制信号；
第一优化模块，配置为在所述检测处理模块的基础上，调节驱动信号的幅度和占空比，以优化光源的发光效率；
第二优化模块，通过参考通道的数据处理以及改变光源的驱动信号来降低污染物监测装置的本底噪声。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源生成模块具体包括光源调制模块、光源驱动模块、红外光源和滤光设备：
所述红外光源，配置为发生红外光；
所述光源驱动模块，配置为向所述红外光源发送激励信号，以驱动所述红外光源发生红外光；
所述光源调制模块，配置为对所发生的所述红外光进行调制，以输出预设频率的红外光；
所述滤光设备，配置为过滤调制后的所述红外光。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光源驱动模块包括恒流驱动或者脉冲恒流驱动源。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的样品池模块具体包括分束器、参考通道、样品通道和汇聚透镜：
分束器，配置为将所述过滤后的红外光分成两路，并分别射入所述参考通道和所述样品通道中；
参考通道，配置为存储预设浓度的参考样品，并使所述红外光通过预设浓度的参考样品；
样品通道，配置为存储待测样品，并使所述红外光通过所述待测样品；
汇聚透镜，配置为将通过所述参考样品和所述待测样品的红外光进行汇聚。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测处理模块具体包括光电检测器、跨阻放大模块、信号预处理模块、信号采集模块和信号处理模块；
所述光电检测器，配置为将汇聚的红外光转化为电流信号；
跨阻放大模块，配置为将所述电流信号转化为电压信号；
信号预处理模块，配置为所述电压信号进行滤波和变换；
信号采集模块，配置为将所述电压信号转换为光信号；
信号处理模块，配置为将所述光信号进行信号处理，并将处理后的结果发送至所述控制模块。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括模数转换器。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括现场可编程门阵列或者数字信号处理器。
10.一种痕量气体污染物检测方法，其特征在于，包括：
根据所接收的第一控制信号，生成红外光；
基于参考样品和待测样口，对所述红外光进行光路整形；
将所述整形后的红外光转换成电信号，并对所述电信号进行检测处理。
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