CN108318427A - 环境空气检测装置 - Google Patents

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王冠学
高秀敏
伊炯
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    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
    • G01N21/3151—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths using two sources of radiation of different wavelengths

Abstract

本发明涉及一种环境空气检测装置，基于光谱检测原理，采用四路不同波长的激光器作为激发光源，通过脉冲调制电路，使其不同路光源按照某一特定频率交替激发到进气孔，进气孔为常开状态且处于使用者周围环境，而后经过分光器，将透射后的不同波长的光照射到相应的探测器上，输出相应物质的电压信号。本发明在测量使用者周围环境空气中常见的有害气体的同时，也测得了使用者周围空气中的含氧量，降低由于特殊环境而带来的缺氧的危险。同时，本发明也适用于相关呼吸道疾病患者，可直接对装置进气口进行呼气，检验呼出气体中部分有害气体。本发明主要具有功耗低、成本低、可随身携带、实用方便等特点。

Description

环境空气检测装置
技术领域
本发明涉及一种空气检测技术领域，特别是一种应用于环境有害气体检测及含氧量检测的环境空气检测装置。
背景技术
1800年左右法国科学家拉瓦锡用定量实验的方法测定了空气的组成成分，作为早期的空气检测方式，当时更多的是应用于学术研究。随着科技的发展，越来越多气体检测手段相继而出，比较有代表性的方法采用光学相机检测气体组成成分，专利号为：CN201710494212.3，其工作过程为需要对所检测的气体进行制样，从样本中抽取样本气体，并注入反射腔与载气进行混合，其缺点为操作过程繁琐，且体积庞大，不容易随身携带。除此之外，在工业中常见的气体检测方式为利用拉曼光谱分析的方法，其主要特点在于可对含量较低的气体进行定量分析，其缺点为体积大，成本高，量产难度大。
在上述现有技术中，虽对气体成分分析的方法多不胜数，但是大多数应用于工业及科学研究。但在人类的生活和工作环境中，存在诸多常见的有害气体，例如，二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等气体，对于这些有害气体的测量对于人员健康有着重要作用。此外，含氧量是表征环境质量的重要指标，因此对于含氧量的检测也显得尤为重要。然而，现有技术缺乏针对上述环境有害气体和含氧量检测的检测装置。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是，提出了一种具有体积小、成本低、易操作、使用简单、可组网的环境空气检测装置，以解决现有技术存在成本高、不容易随身携带、操作复杂等技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下的环境空气检测装置，包括：
多波长光源结构，采用多路不同波长的光源作为多路激发光源，多路激发光源经脉冲调制电路调制后透射经过待测空气；
脉冲调制电路，对多路激发光源进行调制，使得多路激发光源按照相应的特定频率交替激发到待测空气处；
探测器，接收多路激发光源透射待测空气后的不同波长光照，并将不同波长光照转换为多个电压信号，所述多个电压信号表征所述待测空气中不同气体的含量。
作为可选，所述多路激发光源透射待测空气后，由分光器进行分光，从而使得不同波长光照被所述探测器接收。
作为可选，所述待测空气位于进气孔处，所述进气孔与待测空气相通，并作为待测空气的进入孔，所述多路激发光源对进气孔处的待测空气进行透射。
作为可选，所述探测器为多通道阵列探测器，所述多个电压信号为模拟信号，所述环境空气检测装置还包括模数转换电路，所述模数转换电路接收所述多个电压信号，将其转换为多个数字电压信号输出。
作为可选，所述环境空气检测装置还包括控制器和显示屏，所述控制器接收所述多个数字电压信号，由控制器进行计算得到相应气体的含量，所述显示屏接收所述控制器输出的相应气体含量数据，并在显示屏中显示。
作为可选，进气孔上装有用于过滤固体颗粒的过滤器件。以防止颗粒进入而影响监测。
作为可选，所述多路不同波长的光源为激光源或LED光源。
作为可选，所述多路不同波长的光源为四路，分别用于检测待测空气中的二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮和含氧量。
作为可选，所述的控制器为单片机、ARM或FPGA。
作为可选，所述的显示屏为电阻式显示屏、电容式显示屏或液晶显示屏。
采用本发明，与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明基于光谱检测原理，采用四路不同波长的激光器作为激发光源，通过脉冲调制电路，使其不同路光源按照某一特定频率交替激发到进气孔，进气孔为常开状态且处于使用者周围环境，而后经过分光器，将透射后的不同波长的光照射到相应的探测器上，输出表征相应气体含量的电压信号。本发明具有成本低、体积小、使用方便、便携操作等特点，因而具有更加广泛的应用。
附图说明
图1为本发明环境空气检测装置的结构示意图。
图中所示：1、脉冲调制电路，2、多波长光源结构，3、进气孔，4、分光器，5、多通道阵列探测器，6、模数转换电路，7、控制器，8、显示屏。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图1所示，示意了本发明环境空气检测装置的一种实现方式，包括：脉冲调制电路1、多波长光源结构2、进气孔3、分光器4、多通道阵列探测器5、模数转换电路6、控制器7和显示屏8，多波长光源结构2包括多路激发光源。所述脉冲调制电路1是本装置的重要组成部分，用于驱动及调制不同波长的光源；多波长光源结构2中的激发光源用于对测量气体进行激发照射；进气孔3为一种机械结构，可呈现在装置中部，负责进入待测空气，进气孔上应装有相应的过滤固体颗粒器件(如滤网)，防止颗粒进入影响监测。所述分光器4用于对透射过气体的光谱进行分光。多通道阵列探测器5用于对分光后的光谱进行探测；模数转换电路6用于将探测器测得的模拟信号转换为数字信号传输给控制器。所述控制器7为本装置的控制系统，在控制脉冲驱动电路的同时，还需同步将测试的原始数据进行算法处理。显示屏8用于显示相关测试信息，主要实现对气体含量的数字化显示。
脉冲调制电路1在经过控制器7的调制后，驱动多波长光源结构2中的激光器，使其根据驱动时序及驱动电流大小，输出不同的光。将经调制的光照射到进气孔3，进气孔3为装置中的一部分，上面装有相应的微小颗粒过滤部件，经进气口透射的光照射到多通道阵列探测器5上，根据不同的波长照射到阵列中不同的位置上，将所测得的光信号转换为电压信号后，传输给模数转换模块6，将所转换的数字信号输出至控制器7，最后将测试结构经过控制器7计算后显示到显示屏8。
脉冲调制电路1为现有调制芯片，例如，调制芯片AFE4400、UC3843、SG3535，等等；多波长光源结构2为LD或LED,其中，光的波段范围通常采用可见光和近红外波段，如果需要检测硫氧化物和氮氧化物，我们也会应用到紫外波长光源，本实施例中可以用于检测一氧化碳、氧气、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、三氧化二氮等等；进气孔3为物理带滤网小孔；分光器4为四分之一分光器；多通道阵列探测器5为光电二极管、雪崩光电管或光电倍增管；模数转换电路6为模数转换芯片，例如，ADS1115、ADC0809；控制器7为单片机、ARM或FPGA；本实施例中显示屏8为电容式显示屏，当然，也可以采用电阻式显示屏、液晶显示屏。
本设计不仅可应用于人类正常生活的环境，同时也可应用于易产生气体的工厂、地下工作场所、特殊的动物饲养等场所。本发明也适用于相关呼吸道疾病患者，可直接对装置进气孔进行呼气，检验呼出气体中部分有害气体。
本实施例实现了一种新型环境空气检测装置，具有灵敏高，方便快捷、成本低、使用简单等优点，具有更加广泛的应用，同时也具有更加重要的使用价值。
本发明装置的工作过程为：脉冲调制电路是本装置的重要组成部分，负责驱动及调制不同波长的光源；多波长光源结构作为激发光源负责对测量气体进行激发照射；进气孔为一种机械结构，呈现在装置中部，负责进入待测空气，进气孔上应装有相应的过滤固体颗粒器件，防止颗粒进入影响监测；分光器负责对透射过气体的光谱进行分光；多通道阵列探测器负责对分光后的光谱进行探测；模数转换电路负责将探测器测试的模拟信号转换为数字信号传输给控制器；控制器为本装置的控制系统，在控制脉冲驱动电路的同时，还需同步将测试的原始数据进行算法处理；显示屏负责显示相关测试信息。脉冲调制电路在经过控制器的调制后，驱动多波长光源结构中的激光器，使其根据驱动时序及驱动电流大小，输出不同的光。将所调制的光照射到进气孔，进气孔为装置中的一部分，上面装有相应的微小颗粒过滤部件，经进气口透射的光照射到多通道阵列探测器上，根据不同的波长照射到阵列中不同的位置上，将所测得的光信号转换为电压信号后，传输给模数转换模块，将所转换的数字信号输出至控制器，最后将测试结构经过控制器计算后显示到显示屏。
本发明的技术解决方案为：包括脉冲调制电路、多波长光源结构、进气孔、分光器、多通道阵列探测器、模数转换电路、控制器、显示屏；脉冲调制电路是本装置的重要组成部分，负责驱动及调制不同波长的光源；多波长光源结构作为激发光源负责对测量气体进行激发照射；进气孔为一种机械结构，呈现在装置中部，负责进入待测空气，进气孔上应装有相应的过滤固体颗粒器件，防止颗粒进入影响监测；分光器负责对透射过气体的光谱进行分光；多通道阵列探测器负责对分光后的光谱进行探测；模数转换电路负责将探测器测试的模拟信号转换为数字信号传输给控制器；控制器为本装置的控制系统，在控制脉冲驱动电路的同时，还需同步将测试的原始数据进行算法处理；显示屏负责显示相关测试信息。脉冲调制电路在经过控制器的调制后，驱动多波长光源结构中的激光器，使其根据驱动时序及驱动电流大小，输出不同的光，即在检测过程中采用时分复用的技术，利用不同波长光进行分时照明，时间上交替，每个波长光进行脉冲调制，用以提高检测精度和抑制外界杂散光干扰。将所调制的光照射到进气孔，进气孔为装置中的一部分，上面装有相应的微小颗粒过滤部件，经进气口透射的光照射到多通道阵列探测器上，根据不同的波长照射到阵列中不同的位置上，将所测得的光信号转换为电压信号后，传输给模数转换模块，将所转换的数字信号输出至控制器，最后将测试结果经过控制器计算后显示到显示屏。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环境空气检测装置，其特征在于：
多波长光源结构(2)，采用多路不同波长的光源作为多路激发光源，多路激发光源经脉冲调制电路调制后透射经过待测空气；
脉冲调制电路(1)，对多路激发光源进行调制，使得多路激发光源按照相应的特定频率交替激发到待测空气处；
探测器，接收多路激发光源透射待测空气后的不同波长光照，并将不同波长光照转换为多个电压信号，所述多个电压信号表征所述待测空气中不同气体的含量。
2.根据权利要求1所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述多路激发光源透射待测空气后，由分光器(4)进行分光，从而使得不同波长光照被所述探测器接收。
3.根据权利要求1所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述待测空气位于进气孔(3)处，所述进气孔(3)与待测空气相通，并作为待测空气(3)的进入孔，所述多路激发光源对进气孔处的待测空气进行透射。
4.根据权利要求1、2或3所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述探测器为多通道阵列探测器(5)，所述多个电压信号为模拟信号，所述环境空气检测装置还包括模数转换电路(6)，所述模数转换电路(6)接收所述多个电压信号，将其转换为多个数字电压信号输出。
5.根据权利要求4所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述环境空气检测装置还包括控制器(7)和显示屏(8)，所述控制器(7)与脉冲调制电路(1)、显示屏(8)连接，所述控制器(7)接收所述多个数字电压信号，由控制器(7)进行计算得到相应气体的含量，所述显示屏(8)接收所述控制器(7)输出的相应气体含量数据，并在显示屏(8)中显示。
6.根据权利要求3所述的环境空气检测装置，其特征在于：进气孔(3)上装有用于过滤固体颗粒的过滤器件。
7.根据权利要求1、2或3所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述多路不同波长的光源为激光源或LED光源。
8.根据权利要求1、2或3所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述多路不同波长的光源为四路，分别用于检测待测空气中的二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮和含氧量。
9.根据权利要求5所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述的控制器为单片机、ARM或FPGA。
10.根据权利要求5所述的环境空气检测装置，其特征在于：所述的显示屏(8)为电阻式显示屏、电容式显示屏或液晶显示屏。
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