CN115274396B - 便携式磁场强化的离子迁移谱仪及其气体成分检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种便携式磁场强化的离子迁移谱仪及其气体成分检测方法。该离子迁移谱仪包括由相对设置的探针和导电板构成的针尖‑板电极放电结构，以及针尖‑板电极放电结构之间的强化磁场，本申请将电流显示单元串联接收导电板的输出暗电流，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度。本申请首次提出通过磁场强化调控离子迁移时间以将波形调整至适宜电流显示单元及运算识别单元检测的模态，从而首次通过气体放电波形实现对气体浓度的检测。现有检测算法仅能实现30%的检测精度，即使通过深度学习1cnn算法也仅能实现50%精度。而本申请通过磁场耦合强化，可达到70%‑90%精度。
Description
技术领域
本申请涉及气体成分检测设备领域，具体而言涉及一种便携式磁场强化的离子迁移谱仪及其气体成分检测方法。
背景技术
离子迁移谱仪属于仪器技术领域，主要应用对象包括化工厂、化学实验室、军事环境气体成分检测、药品检测的领域的重要高端设备。离子迁移谱仪可以通过针对气体的成分与浓度进行分析，从而可有效同时辨识多种复合气体。
离子迁移谱仪其主要原理是把气体的成分及浓度通过暗电流的模态表征出来，从而实现气体的检测。
但是目前的离子迁移谱仪存在的缺点主要是体积大。检测场景的高压离子迁移导致测试环境需维持一定的高温、气压环境，其对检测环境的要求导致满足测试准确性的仪器设备自重较重，不能便携，不便广泛应用。此外，现有的离子迁移谱没有考虑磁场耦合作用，其电子迁移波形无法实现对气体浓度的检测。并且，现有技术中波形输出不明显，特征提取困难，其识别精度最高仅能够达到50%。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种便携式磁场强化的离子迁移谱仪及其气体成分检测方法，本申请通过无源发电的方式实现高压，通过针尖-板电极结构实现有效的离子冷场常压放电，通过磁场方式调控离子迁移谱的精度，能够提供一种小型化的高性能的离子迁移谱仪，克服现有设备不便携且检测精度不高的缺陷。本申请具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其包括：探针，其接收静电电荷方式产生的高压信号，触发离子迁移；导电板，其固定设置于探针针头前方，与探针组合形成针尖-板电极放电结构，用于接收离子迁移放电信号；强化磁场，其布置于针尖-板电极放电结构之间，其磁力线沿探针针尖方向完整贯穿针尖-板电极放电结构所形成的离子迁移空间；电流显示单元，其串联导电板，用于接收并显示导电板的输出暗电流，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度。
可选的，如上任一所述的便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其中，还包括气体腔体室，其内部密封并在相对设置的两侧内壁上分别连接待检气体的进气口和出气口，所述进气口和出气口之间固定设置有第一磁铁和第二磁铁，所述探针、导电板分别固定安装并相对设置于所述第一磁铁和第二磁铁之间，由第一磁铁和第二磁铁提供强化磁场，调控离子迁移时间。
可选的，如上任一所述的便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其中，所述第一磁铁和第二磁铁之间磁性相吸或磁性互斥。
可选的，如上任一所述的便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其中，所述探针包括平行设置的若干根，各探针与导电板之间间距均设置在100μm-0.5cm的空间尺寸范围以内；所述气体腔体室为长方体，其腔体各边长度分别设置在2cm-20cm之间。
可选的，如上任一所述的便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其中，所述探针的高压信号由以下器件生成：纳米发电机，其以静电电荷累积方式无源产生高压，使探针放电实现冷场无源的离子迁移；二极管，其反向并联于纳米发电机的输出端，用于调控输出至探针的信号电压；电容，其并联在二极管正负极之间，用于提供稳定高电压输出。
可选的，如上任一所述的便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其中，还包括运算识别单元，其连接电流显示单元，根据导电板的输出暗电流。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种气体成分检测方法，其用于如上任一所述的便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其步骤包括：在气体腔体室中通入待检气体，在由第一磁铁和第二磁铁构成的强化磁场环境下，以纳米发电机激励设置于第一磁铁、第二磁铁之间的探针，通过探针对侧的导电板接收输出暗电流，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度。
可选的，如上任一所述的气体成分检测方法，其中，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度的步骤包括：通过机器学习的PCA降维算法提取暗电流波形所对应的若干特征值，然后基于特征值进行分类，或者采用2Dcnn算法，识别属于同一类的波形，根据分类获得的具有类似波形的曲线计算该成分的对应浓度。
可选的，如上任一所述的气体成分检测方法，其中，以纳米发电机激励探针的步骤包括：通过所述纳米发电机提供千伏级冷场离子放电的静电电压，将该静电电压由反向并联于纳米发电机输出端的二极管调控，并通过并联在二极管正负极之间的电容提供稳定高电压输出激励探针。
有益效果
本申请的便携式磁场强化的离子迁移谱仪由相对设置的探针和导电板构成的针尖-板电极放电结构，以及针尖-板电极放电结构之间的强化磁场构成，本申请将电流显示单元串联导电板，接收针尖-板电极放电结构之间待测气体的输出暗电流，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度。本申请首次提出通过磁场强化调控离子迁移时间以将波形调整至适宜电流显示单元及运算识别单元检测的模态，从而首次通过气体放电波形实现对气体浓度的检测。现有检测算法仅能实现30%的检测精度，即使通过深度学习1cnn算法也仅能实现50%精度。而本申请通过磁场耦合强化，可达到70%-90%精度。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是本申请的便携式磁场强化的离子迁移谱仪的原理示意图；
图2是本申请便携式磁场强化的离子迁移谱仪检测获得的离子测试曲线示意图；
图3是本申请的便携式磁场强化的离子迁移谱仪中磁场分布状态的示意图；
图4是本申请的便携式磁场强化的离子迁移谱仪中针尖布置方式的示意图；
图5是本申请检测过程中强电场与强磁场耦合状态下离子迁移方式的示意图；
图6是本申请的便携式磁场强化的离子迁移谱仪中针尖与导电板之间不同设置方式所得检测数据的对比示例；
图7是本申请离子放电相比光晕与电弧放电方式检测信号的对比示例；
图8是本申请离子放电曲线；
图9是本申请检测过程中磁场抵消状态下离子迁移方式的示意图。
图中，1表示纳米发电机；2表示导线；3表示二极管；4表示电容；5表示第一磁铁；6表示探针；7表示离子；8表示导电板；9表示第二磁铁；10表示气体腔体室；11表示电阻单元；12表示电流显示单元。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请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。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于气体腔体室本身而言，指向其内部离子迁移空间的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对离子迁移谱仪时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
图1为根据本申请的一种便携式磁场强化的离子迁移谱仪，其包括：
探针6，其接收静电电荷方式产生的高压信号，触发离子迁移；
导电板8，其固定设置于探针6针头前方，与探针6组合形成针尖-板电极放电结构，用于接收离子迁移放电信号；
强化磁场，其布置于针尖-板电极放电结构之间，其磁力线沿探针6针尖方向完整贯穿针尖-板电极放电结构所形成的离子迁移空间；
电流显示单元12，其串联导电板8，用于接收并显示导电板8的输出暗电流，根据类似图2所示的暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度。图2中，曲线波形表示不同气体成分与浓度，其中，不同峰值表示不同气体成分，峰值的高度幅值可相应表示该气体成分的浓度，图2所示的曲线可通过深度学习识别图8中原始的暗电流图形而实现，以精确识别气体浓度与成分。
在具体进行气体检测的过程中，本申请还可将针尖-板电极放电结构封闭在气体腔体室10内，并相应在该气体腔体室10内部通过密封方式在相对设置的两侧内壁上分别连接待检气体的进气口和出气口，并在所述进气口和出气口之间固定设置有第一磁铁5和第二磁铁9提供上述强化磁场。由此，所述探针6、导电板8分别固定安装并相对设置于所述第一磁铁5和第二磁铁9之间，由第一磁铁5和第二磁铁9提供强化磁场，调控离子迁移时间。实践中，上述第一磁铁5和第二磁铁9本身磁块的N S极可以设置相对或者设置为同极，其仅通过磁场的空间距离远近调整强化磁场的空间分布的强弱。第一磁铁5和第二磁铁9的磁块可以采用2cm*2cm的长宽尺寸，磁块的厚度无关紧要，2cm*2cm的磁块可通过腔体空间内强化磁场的空间分布实现磁控效果，从而通过磁场的空间分布影响离子迁移的速度，从而可以实现间接调控离子迁移的波形。
上述第一磁铁5和第二磁铁9之间磁性相吸或磁性互斥均可，其磁场强度可大可小，同样没有强制要求。在强化磁场强度较小时，磁场对离子迁移速度的干扰影响就不大，适用于离子迁移量较多或检测速度较高场合；如果磁场大，就会形成强干扰，可有效调节离子迁移波形，使其更易于被检测识别。磁场对离子迁移的波形的优化，可根据整个系统情况进行设计，一般可通过适配于电流采样幅值、频率，通过匹配对暗电流模态特征的识别运算而实现最佳离子迁移电流曲线，提高本申请检测的准确度。
由此，本申请可通过图3方式，向气体腔体室10中通入待检气体，在由第一磁铁5和第二磁铁9构成的强化磁场环境下，以纳米发电机1激励设置于第一磁铁5、第二磁铁9之间的探针6，通过探针6对侧的导电板8接收输出暗电流，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度。
上述放电过程中，气体腔体室10一般选择为长方体，其腔体各边长度一般可设置在2cm-20cm之间，其整体尺寸设置在2cm-20cm*2cm-20cm*2cm-20cm之间，由此可通过2cm*2cm的磁块布置实现强化磁场对离子迁移的优化效果：磁场影响下，图5中电子的迁移可以相应通过磁场作用而加速或者减速，导致暗电流曲线的波形发生图7阴影部分的变化，从而通过磁场的耦合作用使得电流模态更容易被识别，从而提高测试精度。具体设置中：没有设置磁铁时，离子迁移正常。以图5方式将磁铁NS对应排列后，可导致磁场分布一致，从而通过磁场作用加速离子迁移。以图9方式将此贴NS极设置为同极相对时，会导致磁场排斥，从而弱化离子迁移。由此本申请可通过NS磁场线调控离子迁移的速度，从而改变图2与图8的波形，实现更佳检测效果。
因为是离子放电，电流小，相比光晕与电弧放电，本发明通过冷离子方式提高对检测电流的识别效果。本申请的探针6可设置单独一根也可设置为相互之间平行设置的若干根，各探针与导电板8之间间距一般可设置在100μm-0.5cm的空间尺寸范围以内，由此，气体环境中的检测过程可通过离子放电原理，获取离子迁移的输出图形曲线，通过算法辨识图8中曲线，即可对应识别出不同气体的成分与浓度。
本申请的具体检测过程如下：当仪器的针尖-板电极结构遇到复合气体，通过无源发电的高压冷场常压离子迁移，耦合磁场效应，实现小型化冷场低温的离子迁移谱仪。本申请的便携式磁场强化的离子迁移谱仪包括：纳米发电机1、导线2、二极管3、电容4、磁铁、探针6、导电板8、气体腔体室10、电阻单元11、以及电流显示单元12.针尖放电激发的离子7发生迁移。
本申请中，纳米发电机1可通过无源方式产生图4中的高压提供供电，因为该高压方式为静电电荷方式产生，故而高压放电可以实现冷场无源的离子迁移；纳米发电机1所并联的二极管3与电容4可提供稳定高电压输出，该二极管、电容的参数需要经过合适调整，以有效的调节输出电压的稳定性；磁铁5、9可提供空间磁场，实现离子迁移的增强效应，磁铁的位置可以实现离子迁移谱的增强与减弱，本申请中磁铁既可以按照相互吸引的方式进行安装也可以通过相互排斥的方式安置，空间磁场的分布可相应影响离子迁移速度从而通过对迁移波形的调控提高检测精度；探针6与导电板8实现针尖-板电极结构的离子迁移空间，针尖-板结构的空间位置也可以调控离子迁移谱的检测效果；气体腔体室10可实现密闭空间的气体环境；电阻单元11可用于控制测试的输出暗电流；电流显示单元12可相应显示测试的电流，用于针对测试信号的进一步成分与浓度分析；导线2将上述电路结构有序连接以提供信号连接通路。
由此，本申请可通过无源高压发电优先选用纳米发电方式，通过静电电荷累积放电，其能量低，电压高，能够方便地实现空间击穿放电，便于实现低温的离子放电效应。具体检测过程中，本申请的针尖-板电极结构中探针6与导电板8之间的空间尺寸可设置在100μm-0.5cm间距范围内，空间尺寸可通过图6方式决定离子迁移谱的效果。气体腔体室10中密闭的腔体环境能够避免外界环境的干扰。本申请实施例中，电阻单元11、以及电流显示单元12可以相应设置为示波器或者其它现有的显示设备。本申请对导线2的材质无特殊限制，其可任意选择为铝（Al）、金（Au）、铜（Cu）、银（Ag）等任意的导电材料。
具体检测过程中，上述检测装置利用纳米发电机以静电电荷累积方式无源产生的几千伏的静电高压，通过针尖-板电极结构实现冷场离子迁移放电。如果不采用纳米发电机，一般的离子放电电压很高，电流很大，会导致离子迁移的温度很高，从而实现不了冷场放电效果。本申请还在纳米发电机的输出端还反向并联有二极管3和电容4以调控输出至探针6的信号电压，提供稳定高电压输出。由此，所述纳米发电机1提供千伏级冷场离子放电的静电电压，将该静电电压由反向并联于纳米发电机输出端的二极管3调控，并通过并联在二极管3正负极之间的电容4提供稳定高电压输出激励探针6，即可相应通过接收板的暗电流经运算识别单元的检测，即可通过机器学习的PCA降维算法提取暗电流波形所对应的若干特征值，然后基于特征值进行分类，或者采用2Dcnn算法，识别属于同一类的波形，根据分类获得的具有类似波形的曲线计算该成分的对应浓度。运算识别单元中预先训练好的深度学习算法可针对图8 的波形进行识别：其通过深度学习方式，获取波形的特征值，然后通过机器学习的PCA降维算法获取几个或者几十个特征值，再基于特征值进行分类，如果属于同一类，那么就属于一个波形。或者采用2Dcnn算法，算法的逻辑是找出特征，然后分类，然后只要类似曲线，就输出一个浓度，从而让机器认出我们人类分辨不出的波形对应的气体浓度。上述运算过程可通过现有深度学习方法，通过对算法模型进行针对性的训练而实现。
上述检测方式下，迁移放电过程中，外加的磁场可通过磁场效应实现离子迁移模态改变，从而强化气体检测的现象。尖端放电的尖头可任选在2um -1um之间，尖头与放电接受板之间的空间距离可任意设置在1um-20um之间。虽然上述放电结构会影响输出的暗电流曲线，使得设备输出的电流曲线不一样，但是本申请可通过机器学习的方式相应识别不同放电结构下所对应的不同气体成分的放电模态，从对应准确计算出其浓度。本申请中深度学习算法可相应根据检测结果的误差而相信进行优化调整。由此，本申请所提供的高压电源采用纳米发电机制备，通过无源方式实现高压，是实现小型化与冷场低温的离子源的有效方式。
综上，本申请为解决浓度气体低辨识困难的现状，提出了一种便携式磁场强化的离子迁移谱仪及其气体成分检测方法，本申请通过无源方式静电电荷累积机制实现高压，进而通过针尖-板电极结构实现冷场常压的离子迁移迁移放电，从而实现小型化的离子迁移谱仪。当仪器的针尖-板电极结构遇到复合气体时，其可通过无源发电的高压冷场常压离子迁移，并在检测过程中耦合磁场效应，通过空间磁场对离子迁移的增强或减弱效应调控离子迁移谱以提高检测效果。本申请针对无源高压发电，发电的电压输出不稳定的问题，通过并联的二极管、电容实现稳定的高压输出，增加测试的稳定性。为提高对气体低浓度的辨识，本申请通过磁场强化的方式实现离子迁移谱仪及其气体成分检测，利用磁场控制离子迁移的时间，实现特征迁移谱的调控，从而增加气体浓度与成分辨识效果。本申请所提供的基于冷场常压的离子迁移谱仪，其相比常规的设备体积小，价格便宜，便于便携式的更为广泛的使用与检测。该离子迁移谱相比气体测试机理，可以有效同时实现针对多种气体的检测分析，响应速度快，测试的气体成分范围广，在化工厂与化学实验室等领域有广泛的应用前景。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。
Claims (6)
1.一种气体成分检测方法，其特征在于，用于由探针(6)、导电板(8)、强化磁场、电流显示单元(12)和气体腔体室(10)构成的便携式磁场强化的离子迁移谱仪；
其中，所述探针(6)接收静电电荷方式产生的高压信号，触发离子迁移；
所述导电板(8)固定设置于探针(6)针头前方，与探针(6)组合形成针尖-板电极放电结构，用于接收离子迁移放电信号；
所述强化磁场布置于针尖-板电极放电结构之间，其磁力线沿探针(6)针尖方向完整贯穿针尖-板电极放电结构所形成的离子迁移空间；
所述电流显示单元(12)串联导电板(8)，用于接收并显示导电板(8)的输出暗电流，根据暗电流的模态表征检测气体的成分及浓度；
所述气体腔体室(10)的内部密封并在相对设置的两侧内壁上分别连接待检气体的进气口和出气口，所述进气口和出气口之间固定设置有第一磁铁(5)和第二磁铁(9)，所述探针(6)、导电板(8)分别固定安装并相对设置于所述第一磁铁(5)和第二磁铁(9)之间，由第一磁铁(5)和第二磁铁(9)提供强化磁场，调控离子迁移时间；
气体成分检测的步骤包括：
在气体腔体室(10)中通入待检气体，在由第一磁铁(5)和第二磁铁(9)构成的强化磁场环境下，以纳米发电机(1)激励设置于第一磁铁(5)、第二磁铁(9)之间的探针(6)，通过探针(6)对侧的导电板(8)接收输出暗电流，根据暗电流的模态按照以下方式表征检测气体的成分及浓度：
通过机器学习的PCA降维算法提取暗电流波形所对应的若干特征值，然后基于特征值进行分类，或者采用2Dcnn算法，识别属于同一类的波形，根据分类获得的具有类似波形的曲线计算该成分的对应浓度。
2.如权利要求1所述的气体成分检测方法，其特征在于，以纳米发电机(1)激励探针(6)的步骤包括：通过所述纳米发电机(1)提供千伏级冷场离子放电的静电电压，将该静电电压由反向并联于纳米发电机输出端的二极管(3)调控，并通过并联在二极管(3)正负极之间的电容(4)提供稳定高电压输出激励探针(6)。
3.如权利要求2所述的气体成分检测方法，其特征在于，所述第一磁铁(5)和第二磁铁(9)之间磁性相吸或磁性互斥。
4.如权利要求3所述的气体成分检测方法，其特征在于，所述便携式磁场强化的离子迁移谱仪中，探针(6)包括平行设置的若干根，各探针与导电板(8)之间间距均设置在100μm-0.5cm的空间尺寸范围以内；
所述气体腔体室(10)为长方体，其腔体各边长度分别设置在2cm-20cm之间。
5.如权利要求4所述的气体成分检测方法，其特征在于，所使用的探针(6)，其高压信号由以下器件生成：
纳米发电机(1)，其以静电电荷累积方式无源产生高压，使探针放电实现冷场无源的离子迁移；
二极管(3)，其反向并联于纳米发电机的输出端，用于调控输出至探针(6)的信号电压；
电容(4)，其并联在二极管(3)正负极之间，用于提供稳定高电压输出。
6.如权利要求1-5任一所述的气体成分检测方法，其特征在于，还包括运算识别单元，其连接电流显示单元(12)，根据导电板(8)的输出暗电流。
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| US6495823B1 (en) * | 1999-07-21 | 2002-12-17 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Micromachined field asymmetric ion mobility filter and detection system |
| CN106783504A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-05-31 | 同方威视技术股份有限公司 | 离子迁移谱仪 |
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2022
- 2022-06-17 CN CN202210690945.5A patent/CN115274396B/zh active Active
Patent Citations (2)
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