CN109406452A - 一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法，包括：信号发生模块、激光器驱动、激光光源、探测器、锁相放大模块、信号处理模块和结果显示模块，信号发生模块、激光器驱动和激光光源依次电连接，探测器与锁相放大模块连接，信号处理模块一端与锁相放大模块连接，另一端与结果显示模块连接。本发明提供了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法，检测灵敏度高、测量范围可覆盖整个房屋空间、可远程操作和通过网络接收测量结果，极大地简化了整个测量过程和保障了现场工作人员的生命安全。
Description
技术领域
本发明涉及甲醛检测设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法。
背景技术
随着城市化的不断发展，中国每年都会有成千上万的新装修的房子，然而许多房子新装修完后不可避免地释放出对人体有巨大危害的甲醛气体，因此，对于房屋内甲醛的测量显得十分重要。目前，甲醛通常是电化学、紫外差分和红外吸收光谱的方法进行测量。
但是，其中电化学方法的检测范围有限，并且因为电学传感器一般采用氧化还原反应产生电流的原理，在测量环境中很多气体被氧化，导致测量结果不准确；而且电化学方法响应速度慢，分析耗费时间长，不能实时响应；电化学传感器容易被氧化，因此使用寿命短，需要经常更换。紫外差分的方法在该波段范围内甲醛吸收强度弱，导致测量灵敏度低，不适合要求高精度的室内甲醛测量。而红外吸收光谱的方法中，光源波段宽，在该波段气体吸收谱线多，容易受到干扰，影响甲醛测量的准确度。并且以上三种测量方式大多采用定点或者气体采样进行测量，这样就使得测量空间有限或者需要多个气体分析装置，增加了测量难度。
因此，如何提供一种检测灵敏度高、测量范围广的基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法，检测灵敏度高、测量范围可覆盖整个房屋空间、可远程操作和通过网络接收测量结果，极大地简化了整个测量过程和保障了现场工作人员的生命安全。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，包括：信号发生模块、激光器驱动、激光光源、探测器、锁相放大模块、信号处理模块和结果显示模块，所述信号发生模块、所述激光器驱动和所述激光光源依次电连接，所述探测器与所述锁相放大模块连接，所述信号处理模块一端与所述锁相放大模块连接，另一端与所述结果显示模块连接。
本发明公开的基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，激光器发射的激光经过室内待测气体，经墙壁、衣柜、镜子、窗帘等漫反射面反射，由探测器接收，探测器用于将接收到的经室内甲醛吸收后的激光信号转换为相应的电信号并将电信号传输给锁相放大模块，锁相放大模块根据接收到的电信号进行信号调解，并且提取二次谐波信号，信号处理模块计算二次谐波的幅值，从而反演得到甲醛的浓度并将结果传给结果显示模块。
优选的，还包括会聚透镜，所述会聚透镜放置于所述探测器之前，且直径大、焦距小，便于收集经漫反射反射回来的光信号。
优选的，所述探测器的光敏元件底部添加有制冷片，提高探测器的探测率。
优选的，还包括旋转台，所述旋转台放置于所述甲醛检测装置的底部，通过旋转台的旋转使得甲醛检测装置能够扫过整个室内环境，使得整个探测范围增加，另外，还可通过旋转发现甲醛散发源成为可能，避免像现有技术中在测量过程中还需对进行气体采样，从而使用范围更加广泛。
优选的，还包括结果发射模块和手机客户端，所述结果发射模块与所述信号处理模块相连，所述结果发射模块将所述信号处理模块测得的甲醛浓度信息发送到手机客户端。
优选的，所述结果显示模块与所述信号处理模块相连，将测量的结果实时显示，并且设置有操作界面，可以调整扫描频率和结果刷新速度。
优选的，所述激光光源采用中心波长为3.6μm的可调谐ICL激光器。
本发明还公开了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置的检测方法，通过在控制系统产生的缓慢扫描信号上叠加快速调制信号加在激光驱动上，激光器驱动通过改变ICL激光二极管的控制温度和注入电流实现激光输出频率和功率的调谐；调制光信号通过待测气体，出射光由对应的光电探测器接收就得到与光强相关的电压信号，将电压信号输入数字正交锁相放大器进行解调，然后提取二次谐波信号；最终根据得到的二次谐波信号幅值计算此时气体浓度值；然而TDLAS波长调制技术需要气体采集，使得探测范围有限；基于TDLAS波长调制-遥感探测技术在TDLAS波长调制技术的基础上结合光学遥感探测技术来实现开放光路探测，使得在整个测量过程不需要进行气体取样，激光器出射的激光通过室内墙壁反射回来由探测器接收到，通过分析接收到的信号最终得到甲醛浓度值。由于使用激光光源，能够做到指纹识别，从而避免其他气体组分干扰，并且探测灵敏度能达到ppb量级。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置及检测方法，甲醛检测装置体积小、不需采样、检测灵敏度高、测量范围可覆盖整个房屋空间、可远程操作和通过网络接收测量结果，极大地简化了整个测量过程，同时通过远程操作也能够保证现场工作人员的生命健康安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的结构示意图。
其中，图中各附图标记为：
1-信号发生模块，2-激光器驱动，3-激光光源，4-探测器，5-锁相放大模块，6-信号处理模块，7-结果显示模块，8-会聚透镜，9-旋转台，10-结果发射模块，11-墙等漫反射面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，包括信号发生模块1、激光器驱动2、激光光源3、探测器4、锁相放大模块5、信号处理模块6、结果显示模块7、会聚透镜8、旋转台9、结果发射模块10。信号发生模块1与激光器驱动2相连，信号发生模块1产生频率为20Hz的电流锯齿波扫描信号上叠加50KHz的快速正弦调制信号。激光器驱动2与激光光源3相连，激光器驱动2给激光光源3一个温度控制和一个电流扫描信号控制激光光源3出射激光。会聚透镜8放置于探测器4前，将被待测甲醛气体吸收后经墙等漫反射面11漫反射回来的激光信号汇聚于探测器4光敏面上，并且会聚透镜8与探测器4的光敏面平行，探测器4将光信号转换为电信号。锁相放大模块5连接在探测器4和信号处理模块6之间，锁相放大模块5将探测器4的电信号进行解调，得到二次谐波信号。信号处理模块6将二次谐波信号进行累加平均处理，最终提取信号幅值，反演得到甲醛浓度值，并且将甲醛气体浓度信息传输给结果显示模块7。旋转台9至于甲醛检测装置的最底层，旋转台9启动时，甲醛检测装置缓慢扫过一圈，就能分析得出整个室内的甲醛浓度。
本实施例公开的基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置的工作原理为：信号发生模块1产生扫描信号给激光器驱动2，激光器驱动2通过改变温度和电流控制激光光源3出射激光，激光通过待测室内气体，然后由墙壁、衣柜、窗帘漫反射面11反射回来，经会聚透镜8聚焦到探测器4的光敏面上，探测器4将光信号转换为电信号，通过BNC线将电信号传送给锁相放大模块 5，锁相放大模块5对电信号进行解调，信号处理模块6对二次谐波信号进行平均、滤波、浓度反演的处理，最终将浓度结果传送给结果显示模块7和结果发射模块10，结果发射模块10将信号处理模块6测量的甲醛浓度信息发送到手机客户端。体积小、便于携带、可充电、可在任何室内检测。
使用时，用户将该甲醛检测装置旋转台9底部固定住。旋转台9工作时，甲醛检测装置360度旋转，通过该甲醛检测装置测量室内的甲醛浓度，相对于现有技术中的测一个点来说测量精度大大提升。
同时，用户通过手机客户端接收测量结果，实时得到测量结果，而且，工作人员无需在现场，避免损害工作人员的身体健康。
本发明还公开了一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置的检测方法，方法包括以下步骤：通过在控制系统产生的缓慢扫描信号上叠加快速调制信号加在激光驱动上，激光器驱动通过改变ICL激光二极管的控制温度和注入电流实现激光输出频率和功率的调谐；调制光信号通过待测气体，出射光由对应的光电探测器接收就得到与光强相关的电压信号，将电压信号输入数字正交锁相放大器进行解调，然后提取二次谐波信号；最终根据得到的二次谐波信号幅值计算此时气体浓度值；然而TDLAS波长调制技术需要气体采集，使得探测范围有限；基于TDLAS波长调制-遥感探测技术在TDLAS波长调制技术的基础上结合光学遥感探测技术来实现开放光路探测，使得在整个测量过程不需要进行气体采样，激光器出射的激光通过室内墙壁反射回来由探测器接收到，通过分析接收到的信号最终得到甲醛浓度值。能够做到指纹识别，从而避免其他气体组分干扰，并且探测灵敏度能打到ppb量级，可测量整个室内环境的甲醛气体。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，包括：信号发生模块(1)、激光器驱动(2)、激光光源(3)、探测器(4)、锁相放大模块(5)、信号处理模块(6)和结果显示模块(7)，所述信号发生模块(1)、所述激光器驱动(2)和所述激光光源(3)依次电连接，所述探测器(4)与所述锁相放大模块(5)连接，所述信号处理模块(6)一端与所述锁相放大模块(5)连接，另一端与所述结果显示模块(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，还包括会聚透镜(8)，所述会聚透镜(8)放置于所述探测器(4)之前。
3.根据权利要求2所述的一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，所述探测器(4)的光敏元件底部添加有制冷片。
4.根据权利要求3所述的一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，还包括旋转台(9)，所述旋转台(9)放置于所述甲醛检测装置检测装置的底部。
5.根据权利要求4所述的一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，还包括结果发射模块(10)和手机客户端，所述结果发射模块(10)与所述信号处理模块(6)相连，所述结果发射模块(10)将所述信号处理模块(6)测得的甲醛浓度信息发送到手机客户端。
6.根据权利要求5所述的一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，所述结果显示模块(7)与所述信号处理模块(6)相连，将测量的结果实时显示，并且设置有操作界面。
7.根据权利要求6所述的一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置，其特征在于，所述激光光源(3)采用中心波长为3.6μm的可调谐ICL激光器。
8.一种基于中红外可调谐激光器的甲醛检测装置的检测方法，其特征在于，包括：通过在控制系统产生的缓慢扫描信号上叠加快速调制信号加在激光器驱动上，激光器驱动通过改变ICL激光二极管的控制温度和注入电流实现激光输出频率和功率的调谐；调制光信号通过待测气体，出射光由对应的光电探测器接收就得到与光强相关的电压信号，将电压信号输入数字正交锁相放大器进行解调，然后提取二次谐波信号；最终根据得到的二次谐波信号幅值计算此时气体浓度值；然而TDLAS波长调制技术需要气体采集，使得探测范围有限；基于TDLAS波长调制-遥感探测技术在TDLAS波长调制技术的基础上结合光学遥感探测技术来实现开放光路探测，使得在整个测量过程不需要进行气体取样，激光器出射的激光通过室内墙壁反射回来由探测器接收到，通过分析接收到的信号最终得到甲醛浓度值。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110940632A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-03-31 | 河南农业大学 | 一种基于tdlas的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法 |
| CN113607687A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-11-05 | 清华大学 | 一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统 |
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2018
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| CN110940632A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-03-31 | 河南农业大学 | 一种基于tdlas的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法 |
| CN110940632B (zh) * | 2019-10-31 | 2022-04-26 | 河南农业大学 | 一种基于tdlas的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法 |
| CN113607687A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-11-05 | 清华大学 | 一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统 |
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