CN110068540B - 基于气体成份浓度检测系统的检测方法 - Google Patents

基于气体成份浓度检测系统的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气体成份浓度检测系统的检测方法，包括滤镜盘、检测气盒和光强接收盘，在滤镜盘盘面上包围设置有N个滤镜孔，每个所述滤镜孔内对应固定有一种折射率的滤镜片；所述滤镜盘的入光面侧固定光源安装位，任一光源安装在该光源安装位上后，光源光线照射在所述滤镜片上；所述滤镜盘的出光面上连接有旋转偏转驱动机构，驱动所述滤镜盘按照设定的角度沿轴线进行旋转或者偏转。有益效果：根据检测需要得到对应的光谱种类的特定波长的光谱，可以达到大范围的波长调制，装置结构简单，可靠性高，设备成本低。

Description

基于气体成份浓度检测系统的检测方法
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，具体的说是一种基于气体成份浓度检测系统的检测方法。
背景技术
随着检测技术的不断进步，光谱检测技术已经出现在各行各业。例如气体成份检测、液体浓度检测、金属含量检测等。但是往往在检测技术中，针对检测物的不同，需要提供特定种类且特定波长的光谱。例如：采用傅里叶红外光谱，检测天然气组分时，需要的红外光谱，但是具体的波长需要根据气体种类的不同，进行不同的设定。然而有些波长特殊，在检测过程中，需要临时调整出特定的波长时，需要更换光源甚至改变检测平台的设置等。更换波长不同的光源时，过程复杂，检测平台结构改变大，耗费时间，可靠性差等缺陷。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于气体成份浓度检测系统的检测方法，根据检测需要得到对应的光谱种类的特定波长的光谱，可以达到大范围的波长调制，装置结构简单，可靠性高，设备成本低。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种可调式波长光谱生成仪，其特征在于：包括滤镜盘，在滤镜盘盘面上包围设置有N个滤镜孔，每个所述滤镜孔内对应固定有一种折射率的滤镜片；
所述滤镜盘的入光面侧固定光源安装位，任一光源安装在该光源安装位上后，光源光线照射在所述滤镜片上；
所述滤镜盘的出光面上连接有旋转偏转驱动机构，驱动所述滤镜盘按照设定的角度沿轴线进行旋转或者偏转。
所述滤镜孔或者呈圆孔、方孔等，N个滤镜孔均匀包围设置在滤镜盘上；
所述滤镜孔或者呈扇形，N个滤镜孔均匀包围设置在滤镜盘上；
通过上述设计，根据所需的波长长度，结合滤镜片的折射率和厚度，驱动滤镜盘旋转，使光源照射到对应的滤镜片，并调节滤镜盘，使其发生偏转后，改变光源从滤镜片入射的角度，从而使穿出滤镜片的光的波长达到预设要求。通过该波长光谱生成仪，可以实现波长大范围调制，以符合需求。
其中，N为正整数，可根据需要进行任意设定。
再进一步的，所述旋转偏转驱动机构包括万向接头，该万向接头包括依次连接的第一杠杆和第二杠杆，所述万向接头的第一杠杆与所述滤镜盘的出光面中心连接，所述万向接头的第二杠杆与旋转驱动电机的旋转驱动轴连接；
在所述万向接头的第一杠杆上活动套接有偏转驱动轴套，该偏转驱动轴套上设置有铰接点，该偏转驱动轴套铰接点与舵机的驱动杆连接；
所述旋转驱动电机和所述舵机均设置在支架上。
其中，旋转驱动电机为步进电机，可以按照设定的角度，进行对应的调节，已达到预设要求。通过设置舵机，带动活动套接在第一杠杆上的偏转驱动轴套沿着滤镜盘轴向前后运动，从而驱动万向接头第一杠杆相对第二杠杆弯折，采用舵机，可以实现弯折角度可以调节，方便检测和控制。
再进一步的技术方案为：在所述偏转驱动轴套与所述支架之间还铰接有水平偏转限位架；
该水平偏转限位架包括第一铰接块和第二铰接块；
所述第一铰接块固定在所述偏转驱动轴套上；
所述第二铰接块固定在所述支架，所述第二铰接块沿所述旋转驱动轴水平方向延伸后与所述第一铰接块铰接，且该铰接轴心线与所述偏转驱动轴套偏转的轴心线平行，所述第一铰接块、第二铰接块铰接轴心线穿过所述万向接头(4a)的第一杠杆、第二杠杆的连接点。
采用上述方案，利用水平偏转限位架4f及偏转驱动轴套4b对万向接头第一杠杆进行限位，保证万向接头的第一杠杆与偏转驱动轴套4b间的位置相对固定其中，铰接轴心线与所述偏转驱动轴套偏转的轴心线平行，即控制万向节的偏转方向仅限于舵机的驱动杆的拉伸平面。确保万向接头第一杠杆在偏转驱动轴套带动下同步偏转时的同心性由于万向接头第一杠杆在偏转驱动轴套拉动下时，是呈扇形形状偏转，只有当所述第一铰接块、第二铰接块之间的轴心线与万向接头偏转轴心线重合时，才能使水平偏转限位架在限制偏转时不影响万向接头的转动，即二者同步发生扇形偏转。
再进一步的技术方案为：还包括控制器，所述控制器的旋转驱动端和所述旋转驱动电机连接；
所述控制器偏转驱动端与所述舵机连接；
所述控制器的偏转角度检测端和设置在所述舵机内部的角度传感器连接。
采用上述方案，结合控制器对旋转驱动电机的旋转角度进行控制，通过控制舵机，实现滤镜盘的偏转角度进行检测，其中，舵机的拉伸角度和镜盘的偏转角度可以根据二者的相互关系，得到舵机的拉伸角度。
一种基于可调式波长光谱生成仪的气体成份浓度检测系统，其关键技术在于：还包括固定在所述万向接头的第一杠杆上的检测气盒和光强接收盘，所述检测气盒和光强接收盘依次设置在所述滤镜盘的出光面侧和偏转驱动轴套之间，所述滤镜盘、检测气盒和所述光强接收盘同轴设置且相互平行；
所述检测气盒盒体为透明材质，用于填充被检测气体；
在所述光强接收盘设置有光照强度检测薄膜，所述光照强度检测薄膜与所述控制器的气体检测输入端连接。
通过上述设计，将检测气盒、光强接收盘依次设置在所述滤镜盘的出光面侧，结合可调式波长光谱生成仪得到满足需求的光谱波长，对被检测气体直接进行检测，并结合光强接收盘来检测通过检测气盒后的光谱光强，来结合计算出被检测气体的成份浓度。
一种基于气体成份浓度检测系统的检测方法，具体步骤按照以下步骤进行：
S1：预先设定被检测气体的种类、所需的光谱类型以及对应的光谱波长λ，并安装与光谱类型对应的光源，获取检测气盒的盒体厚度L；
S2：根据光谱类型以及对应的光谱波长λ，综合选择滤镜片，得到折射率n和滤镜片厚度d，并得到滤镜片入光面的光源入射角度θ以及穿过对应滤镜片后的初始光照强度I0；
S3：控制器控制旋转驱动电机旋转，使光源照射在与折射率n对应的滤镜片上；
S4：控制器控制舵机驱动拉伸，使偏转驱动轴套拉动万向接头的第一杠杆沿着杠杆连接头偏转θ角度；
S5：控制器获取光照强度检测薄膜检测到的出射光照强度Iv；
S6：根据初始光照强度I0和出射光照强度Iv，再结合比尔-朗伯定律计算出检测气盒被检测气体的成份浓度c。
其中，在步骤S2中，
根据公式计算得到光源入射角度；
Figure GDA0003354599440000051
其中，m为常数；d滤镜片厚度；且
Figure GDA0003354599440000052
其中，步骤S6中，根据初始光照强度I0和出射光照强度Iv，计算出成份浓度c的计算公式为：
Iv＝I0exp[-a(v)cL] (2)；
其中，a(v)为吸收系数，吸收系数可以查表查询到。L为检测气盒的盒体厚度L。
本发明的有益效果：根据检测需要得到对应的光谱种类的特定波长的光谱，可以通过调节万向节控制滤镜盘旋转，通过拉伸偏转驱动轴套改变入射角度，并结合偏转限位机构提高偏转可靠性，达到大范围的波长调制，装置结构简单，可靠性高，维护成本低。实现快速检测，无需更改设备结构，即可实现多种气体在不同波长条件下进行检测。
附图说明
图1是本发明的可调式波长光谱生成仪的结构示意图一；
图2是本发明的可调式波长光谱生成仪的结构示意图二；
图3是本发明的滤镜盘的第一实施方式结构示意图；
图4是本发明的滤镜盘的第二实施方式结构示意图；
图5是本发明的检测气盒和光强接收盘安装结构示意图；
图6是本发明光源安装和照射示意图；
图7是本发明气体成份浓度检测系统的控制框图；
图8是本发明的气体成份浓度检测方法流程图；
图9是本发明的光折射原理图；
图10是法里-珀罗干涉仪的原理图；
图11是穿入滤镜片入射角度改变对波长的影响示意图；
图12是穿入滤镜片折射率改变对波长的影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
从图1和2可以看出，一种可调式波长光谱生成仪，其特征在于：包括滤镜盘1，在滤镜盘1盘面上包围设置有N个滤镜孔，每个所述滤镜孔内对应固定有一种折射率的滤镜片2；
作为一种实施方式，N＝6，从图1-3可以看出，且滤镜孔呈圆形；
作为另一种实施方式，N＝6，从图4可以看出，且滤镜孔呈扇形。
从图1和6还可以看出，所述滤镜盘1的入光面侧固定光源安装位3，任一光源安装在该光源安装位3上后，光源光线照射在所述滤镜片2上；
所述滤镜盘1的出光面上连接有旋转偏转驱动机构4，驱动所述滤镜盘1按照设定的角度沿轴线进行旋转或者偏转。
在本实施例中，结合图1、2和图5可以看出，所述旋转偏转驱动机构4包括万向接头4a，该万向接头4a包括依次连接的第一杠杆和第二杠杆，所述万向接头4a的第一杠杆与所述滤镜盘1的出光面中心连接，所述万向接头4a的第二杠杆与旋转驱动电机4d的旋转驱动轴连接；
结合图4可以看出，在所述万向接头4a的第一杠杆上活动套接有偏转驱动轴套4b，该偏转驱动轴套4b上设置有铰接点，该偏转驱动轴套4b铰接点与舵机4e的驱动杆连接，结合图1和图2可以看出，该驱动杆包括偏转拉杆和舵机臂，其中偏转拉杆的一端与所述偏转驱动轴套4b铰接点球头连接，该偏转拉杆的另一端与舵机臂的一端球头连接，舵机臂的另一端与所述舵机4e的驱动输出端连接。通过偏转拉杆和舵机臂配合，当舵机4e旋转驱动舵机臂的一端以其另一端为中心弧形转动时，带动偏转拉杆沿弧形方向移动，从而偏转拉杆的一端拉动铰接点，致使套接在万向接头4a的第一杠杆的偏转驱动轴套4b带动第一杠杆在沿垂直于弧形的平面偏转。由于弧形转动时，需要一定让性，则采用球头连接，防止相互阻挡。
其中，舵机4e带动偏转驱动轴套4b进行偏转的原理在现有技术中已经适用广泛，例如汽车、机械臂等车轮转向中均有适用，结构简单容易理解，故在此发明中不再赘述。
在本实施例中，结合图1和2可以看出，所述旋转驱动电机4d和所述舵机4e均设置在支架5上。
结合图1、2和5还可以看出，在所述偏转驱动轴套4b与所述支架5之间还铰接有水平偏转限位架4f；
该水平偏转限位架4f包括第一铰接块和第二铰接块；
所述第一铰接块固定在所述偏转驱动轴套4b上；
所述第二铰接块固定在所述支架5，所述第二铰接块沿所述旋转驱动轴水平方向延伸后与所述第一铰接块铰接，且该铰接轴心线与所述偏转驱动轴套4b偏转的轴心线平行。
在本实施例中，结合图5可以看出，所述第一铰接块、第二铰接块铰接轴心线穿过所述万向接头4a的第一杠杆、第二杠杆的连接点。
在本实施例中，结合图7可以看出，为了实现智能控制，还包括控制器6，所述控制器6的旋转驱动端和所述旋转驱动电机4d连接；所述控制器6偏转驱动端与所述舵机4e连接；所述控制器6的偏转角度检测端和设置在所述舵机4e内部的角度传感器7连接。
一种基于可调式波长光谱生成仪的气体成份浓度检测系统，结合图1和图6可以看出，还包括固定在所述万向接头4a的第一杠杆上的检测气盒8和光强接收盘9，所述检测气盒8和光强接收盘9依次设置在所述滤镜盘1的出光面侧和偏转驱动轴套4b之间，所述滤镜盘1、检测气盒8和所述光强接收盘9同轴设置且相互平行；
在本实施例中，所述检测气盒8盒体为透明材质，用于填充被检测气体；且在该检测气盒8上设置有进气口和出气口，用于送气和排气。在本实施例中，检测气盒8的盒体厚度L。
为了检测通过检测气盒8后的光谱光照强度，在所述光强接收盘9的迎光面上设置有光照强度检测薄膜9a，结合图7可以看出，所述光照强度检测薄膜9a与所述控制器6的气体检测输入端连接。
一种基于气体成份浓度检测系统的检测方法，结合图8流程图可以看出，按照以下步骤进行：
S1：预先设定被检测气体的种类、所需的光谱类型以及对应的光谱波长λ，并安装与光谱类型对应的光源，获取检测气盒8的盒体厚度L；
S2：根据光谱类型以及对应的光谱波长λ，综合选择滤镜片2，得到折射率n和滤镜片厚度d，并得到滤镜片入光面的光源入射角度θ以及穿过对应滤镜片后的初始光照强度I0；
结合图9可以看出，当光从一种介质射入另一种介质时，会发生折射现象。入射角θ1和出射角
Figure GDA0003354599440000091
存在：
Figure GDA0003354599440000092
其中真空中的折射率为1，即n1＝1，故有
Figure GDA0003354599440000093
同一单色光在不同介质中传播，频率不变而波长不同。以波长λ1表示光在真空中的波长，n2表示介质的折射率，则光在介质中的波长λ′或者速度v为
Figure GDA0003354599440000094
结合图10可以看出，法里-珀罗干涉仪的原理图，光通过介质为n、滤镜片厚度d的滤镜片时，根据(3)可知速度或者波长会发生变化，故透射光的光程差
Δ＝n(AB+BC)-CD (4)
其中
Figure GDA0003354599440000095
CD＝ACsinθ
且
Figure GDA0003354599440000096
故
Figure GDA0003354599440000097
由(2)可知有
Figure GDA0003354599440000098
将上述带入(4)中，可得
Figure GDA0003354599440000101
则法里-珀罗干涉仪(F-P干涉仪)的第m级亮条纹
Figure GDA0003354599440000102
即
Figure GDA0003354599440000103
联立(2)和(7)可得
Figure GDA0003354599440000104
其中，m为常数，表示法里-珀罗干涉仪的第m级亮条纹；d滤镜片厚度；且
Figure GDA0003354599440000105
在本实施例中，
Figure GDA0003354599440000106
θ＝min[θi]，i＝1，2，3，4，5，6。
S3：控制器6控制旋转驱动电机4d旋转，使光源照射在与折射率n对应的滤镜片2上；
S4：控制器6控制舵机4e驱动拉伸，使偏转驱动轴套4b拉动万向接头4a的第一杠杆沿着杠杆连接头偏转θ角度；
S5：控制器6获取光照强度检测薄膜9a检测到的出射光照强度Iv；
S6：根据初始光照强度I0和出射光照强度Iv，再结合比尔-朗伯定律计算出检测气盒8被检测气体的成份浓度c。
根据初始光照强度I0和出射光照强度Iv，计算出成份浓度c的计算公式为：
Iv＝I0exp[-a(v)cL]；
其中，a(v)为吸收系数，在本实施例中，吸收系数查表设定。L为检测气盒8的盒体厚度L。
以波长λ为因变量，入射角θ为自变量，绘制如图11所示的函数图像，由图可知，当入射角度θ由
Figure GDA0003354599440000111
变化到0时，波长会随之增加。
同理，以λ为因变量，折射率n为自变量，绘制如图12所示的函数图像，由图可知，当折射率n＞1时，波长会随着折射率的增加而增大。
本发明通过将滤镜盘1、检测气盒8和光强接收盘9平行设置，并且在滤镜盘1盘面6个滤镜片2，通过控制转动滤镜盘1，使光源光谱通过的滤镜介质不同，结合舵机4e和偏转驱动轴套4b，拉动万向接头4a发生偏转，在保持光源不动的情况下，改变滤镜盘1当前的设置方向，使其在图1中的水平方向发生偏转，从而改变光源的入射角度。则通过改变光谱穿过的介质和入射角度，得到特定的波长。通过本发明的系统，可以得到不同光谱的特定波长，可调节的波长范围大，并且过程容易结构简单，无需更换设备就可以达到测试多种样本的目的，适用范围广。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于气体成份浓度检测系统的检测方法，其中，气体成份浓度检测系统包括可调式波长光谱生成仪和固定在万向接头(4a)的第一杠杆上的检测气盒(8)和光强接收盘(9)；
其中，可调式波长光谱生成仪包括滤镜盘(1)，在滤镜盘(1)盘面上包围设置有N个滤镜孔，每个所述滤镜孔内对应固定有一种折射率的滤镜片(2)；所述滤镜盘(1)的入光面侧固定光源安装位(3)，任一光源安装在该光源安装位(3)上后，光源光线照射在所述滤镜片(2)上；所述滤镜盘(1)的出光面上连接有旋转偏转驱动机构(4)，驱动所述滤镜盘(1)按照设定的角度沿轴线进行旋转或者偏转；
所述旋转偏转驱动机构(4)包括万向接头(4a)，该万向接头(4a)包括依次连接的第一杠杆和第二杠杆，所述万向接头(4a)的第一杠杆与所述滤镜盘(1)的出光面中心连接，所述万向接头(4a)的第二杠杆与旋转驱动电机(4d)的旋转驱动轴连接；在所述万向接头(4a)的第一杠杆上活动套接有偏转驱动轴套(4b)，该偏转驱动轴套(4b)上设置有铰接点，该偏转驱动轴套(4b)铰接点与舵机(4e)的驱动杆连接；所述旋转驱动电机(4d)和所述舵机(4e)均设置在支架(5)上；
在所述偏转驱动轴套(4b)与所述支架(5)之间还铰接有水平偏转限位架(4f)；该水平偏转限位架(4f)包括第一铰接块和第二铰接块；所述第一铰接块固定在所述偏转驱动轴套(4b)上；所述第二铰接块固定在所述支架(5)，所述第二铰接块沿所述旋转驱动轴水平方向延伸后与所述第一铰接块铰接，且该铰接轴心线与所述偏转驱动轴套(4b)偏转的轴心线平行；所述第一铰接块、第二铰接块铰接轴心线穿过所述万向接头(4a)的第一杠杆、第二杠杆的连接点；
可调式波长光谱生成还包括控制器(6)，所述控制器(6)的旋转驱动端和所述旋转驱动电机(4d)连接；所述控制器(6)偏转驱动端与所述舵机(4e)连接；所述控制器(6)的偏转角度检测端和设置在所述舵机(4e)内部的角度传感器(7)连接；
检测气盒(8)和光强接收盘(9)依次设置在滤镜盘(1)的出光面侧和偏转驱动轴套(4b)之间，所述滤镜盘(1)、检测气盒(8)和所述光强接收盘(9)同轴设置且相互平行；
所述检测气盒(8)盒体为透明材质，用于填充被检测气体；
在所述光强接收盘(9)的迎光面上设置有光照强度检测薄膜(9a)，所述光照强度检测薄膜(9a)与控制器(6)的气体检测输入端连接；
将检测气盒、光强接收盘依次设置在所述滤镜盘的出光面侧，结合可调式波长光谱生成仪得到满足需求的光谱波长，对被检测气体直接进行检测，并结合光强接收盘来检测通过检测气盒后的光谱光强，来结合计算出被检测气体的成份浓度；
其特征在于，具体步骤按照以下步骤进行：
S1：预先设定被检测气体的种类、所需的光谱类型以及对应的光谱波长λ，并安装与光谱类型对应的光源，获取检测气盒(8)的盒体厚度L；
S2：根据光谱类型以及对应的光谱波长λ，综合选择滤镜片(2)，得到折射率n和滤镜片厚度d，并得到滤镜片入光面的光源入射角度θ以及穿过对应滤镜片后的初始光照强度I0；
S3：控制器(6)控制旋转驱动电机(4d)旋转，使光源照射在与折射率n对应的滤镜片(2)上；
S4：控制器(6)控制舵机(4e)驱动拉伸，使偏转驱动轴套(4b)拉动万向接头(4a)的第一杠杆沿着杠杆连接头偏转θ角度；
S5：控制器(6)获取光照强度检测薄膜(9a)检测到的出射光照强度Iv；
S6：根据初始光照强度I0和出射光照强度Iv，再结合比尔-朗伯定律计算出检测气盒(8)被检测气体的成份浓度c。
2.根据权利要求1所述的基于气体成份浓度检测系统的检测方法，其特征在于：在步骤S2中，
根据公式(1)计算得到光源入射角度；
Figure FDA0003354599430000031
其中，m为常数；d滤镜片厚度；且
Figure FDA0003354599430000032
3.根据权利要求1所述的基于气体成份浓度检测系统的检测方法，其特征在于：步骤S6中，根据初始光照强度I0和出射光照强度Iv，计算出成份浓度c的计算公式为：
Iv＝I0exp[-a(v)cL] (2)；
其中，a(v)为吸收系数，L为检测气盒(8)的盒体厚度L。
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