CN204556494U - 气体分析检测装置、系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种气体分析检测装置、系统，该气体分析检测装置包括激光器、石英音叉、探测器、数据采集卡、激光器输入信号产生器，所述激光器输入信号产生器输出端与所述激光器输入端相连，所述激光器发出的激光分别传输至所述石英音叉和所述探测器，所述数据采集卡输入端分别与所述探测器输出端和所述石英音叉输出端相连，所述探测器用于将光信号转换成电信号，所述数据采集卡用于接收所述探测器和所述石英音叉输出的电信号。本实用新型的有益效果是：本实用新型的气体分析检测装置具有灵敏度高、体积小、抗干扰能力强、易于便携、速度快、成本低等优点。

Description

气体分析检测装置、系统
技术领域
本实用新型涉及呼气分析设备领域，尤其涉及气体分析检测装置、系统。
背景技术
13C呼气试验分析仪是一种非侵入式、无创、无痛的医疗诊断设备，通过检测人体呼气中CO2稳定同位素13CO2/12CO2的比值，通过计算，在临床上准确诊断受访者是否存在幽门螺杆菌（HP）感染及各种消化脏器功能状况检测。
基于气体检测，目前的方案有：
1. 基于红外光谱法测定的呼气试验分析仪：主要是采用非分光红外吸收光谱法(NDIR)，使用红外光源，同时采用干涉滤光片以及单光束双波长技术。
2. 基于质谱检测法的呼气试验分析仪：主要是用电场和磁场将运动的离子按它们的质荷比分离后进行检测的方法，测出离子准确质量即可确定离子的化合物组成。
但是目前技术存在如下缺陷：
1. 红外光谱法缺点：
由于红外光源波长范围比较宽，即使通过滤光片出来的光谱纯度也不高，光谱线宽仍然大于特定气体的吸收谱线宽度，通过气体池后造成吸收交叉干扰，不能真实反映被测气体的吸收。对特定气体的选择性差，背景气体干扰大，误差比较大，设计复杂，体积大，且有运动部件，对环境振动敏感。
2. 质谱法缺点：
测量精度虽然高，但系统设计操作复杂，检测速度慢，不易便携，而且价格十分昂贵，不利于产品化。
实用新型内容
为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种气体分析检测装置。
本实用新型提供了一种气体分析检测装置，包括激光器、石英音叉、探测器、数据采集卡、激光器输入信号产生器，所述激光器输入信号产生器输出端与所述激光器输入端相连，所述激光器发出的激光分别传输至所述石英音叉和所述探测器，所述数据采集卡输入端分别与所述探测器输出端和所述石英音叉输出端相连，所述探测器用于将光信号转换成电信号，所述数据采集卡用于接收所述探测器和所述石英音叉输出的电信号。
作为本实用新型的进一步改进，该气体分析检测装置还包括参考池，所述激光器发出的激光穿过所述参考池传输至所述探测器。
作为本实用新型的进一步改进，该气体分析检测装置还包括光路机构，所述激光器发出的激光通过所述光路机构传输至所述石英音叉，所述激光器发出的激光依次通过所述光路机构、所述参考池传输至所述探测器。
作为本实用新型的进一步改进，所述光路机构包括半透镜、准直透镜、聚焦透镜、反射镜，所述激光器发出的激光依次通过所述半透镜、所述准直透镜、所述聚焦透镜传输至所述石英音叉，所述激光器发出的激光依次通过所述半透镜、所述反射镜、所述参考池传输至所述探测器。
作为本实用新型的进一步改进，该气体分析检测装置还包括锁相放大器，所述石英音叉输出端与所述锁相放大器输入端相连，所述锁相放大器输出端与所述数据采集卡输入端相连。
作为本实用新型的进一步改进，该气体分析检测装置还包括前置放大器，所述前置放大器输入端与所述石英音叉输出端相连，所述前置放大器输出端与所述锁相放大器输入端相连。
作为本实用新型的进一步改进，所述激光器输入信号产生器为函数发生器，所述函数发生器输出端分别与所述激光器和所述锁相放大器相连。
作为本实用新型的进一步改进，所述激光器为分布式反馈激光器或带间级联激光器。
本实用新型还提供了一种包括所述气体分析检测装置的系统，该系统包括终端设备，所述终端设备输入端与所述数据采集卡相连，所述终端设备输出端与所述激光器相连。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的气体分析检测装置具有灵敏度高、体积小、抗干扰能力强、易于便携、速度快、成本低等优点。
附图说明
图1是本实用新型的原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型公开了一种气体分析检测装置，包括激光器1、石英音叉2、探测器3、数据采集卡4、激光器输入信号产生器，所述激光器输入信号产生器输出端与所述激光器1输入端相连，所述激光器1发出的激光分别传输至所述石英音叉2和所述探测器3，所述数据采集卡4输入端分别与所述探测器3输出端和所述石英音叉2输出端相连，所述探测器3用于将光信号转换成电信号，所述数据采集卡4用于接收所述探测器3和所述石英音叉2输出的电信号。
该气体分析检测装置还包括参考池5，所述激光器1发出的激光穿过所述参考池5传输至所述探测器3。
该气体分析检测装置还包括光路机构，所述激光器1发出的激光通过所述光路机构传输至所述石英音叉2，所述激光器1发出的激光依次通过所述光路机构、所述参考池5传输至所述探测器3。
所述光路机构包括半透镜6、准直透镜7、聚焦透镜8、反射镜9，所述激光器1发出的激光依次通过所述半透镜6、所述准直透镜7、所述聚焦透镜8传输至所述石英音叉2，所述激光器1发出的激光依次通过所述半透镜6、所述反射镜9、所述参考池传5输至所述探测器3。
该气体分析检测装置还包括锁相放大器10，所述石英音叉2输出端与所述锁相放大器10输入端相连，所述锁相放大器10输出端与所述数据采集卡4输入端相连。
该气体分析检测装置还包括前置放大器11，所述前置放大器11输入端与所述石英音叉2输出端相连，所述前置放大器11输出端与所述锁相放大器10输入端相连。
所述激光器输入信号产生器为函数发生器12，所述函数发生器12输出端分别与所述激光器1和所述锁相放大器10相连。
所述激光器1为分布式反馈激光器或带间级联激光器；ICL激光器，英文即Interband Cascade Lasers（带间级联激光器），简称ICL激光器；DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器。
分布式反馈激光器：采用中心波长2.74um DFB激光器，利用13CO2与12CO2在2.74um附近刚好有强吸收峰，而且吸收峰相距很近，可以通过扫描DFB激光器的波长，跨过13CO2与12CO2两个不同的气体吸收峰。
石英音叉2：石英音叉是一种利用石英晶体的压电效应制成的振荡器件。压电效应包括正压电效应和逆压电效应两个方面的内容。当在某些电介质晶体上沿一定方向施加外力时，在发生形变的同时，在其某两个相对的表面上出现异号极化电荷。当外力去掉后，形变消失，两表面重新回到不带电状态，这种只是由于应变或应力，而产生电极化的现象称为正压电效应。当施加的力是随时间变化的机械力时，可以通过覆盖在晶体表面上的电极将形变引起的电流导引出来。
前置放大器11：主要作用是提高系统的信噪比，减少外界干扰，与检测信号的石英音叉2相连，把信号放大降噪并传输到锁相放大器10。
探测器3：属于光电探测器，把光信号转换成电信号，用于探测通过参考池5后的激光信号，并转换为电信号传输到数据采集卡4。
参考池5：是一种封闭的气体参考池，内部装有特定浓度气体，气体种类与待测气体相同，主要作用是用于消除测量过程中激光器中心光强的变化给系统造成的影响。
锁相放大器10：锁相放大器10是基于相关检测的弱信号测量分析设备，其核心部件是相敏检测器，主要由乘法器和积分器组成。
函数发生器12：主要包括电流控制和温度控制功能，产生锯齿波和正弦波作为激光器输入信号，并通过调整比例、积分、微分精确控制激光器温度。
数据采集卡4：是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
本实用新型还公开了一种包括气体分析检测装置的系统，该系统包括终端设备13，所述终端设备13输入端与所述数据采集卡4相连，所述终端设备13输出端与所述函数发生器12相连。
本实用新型的气体分析检测装置基于QEPAS技术的原理，基于QEPAS技术的原理：
石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy, QEPAS)，主要是用石英音叉代替光声池和麦克风来累积并检测光声信号，光声信号的产生有赖于被检测气体周期性的红外吸收，从而得到石英音叉的振动信号，实现了对痕量气体含量的检测，利用QEPAS技术进行气体定量检测，需同时用到比尔-朗伯（Beer-lambert）定律。
1）石英增强光声光谱中是用石英音叉来代替麦克风作为光声信号传感器。石英音叉是一种利用石英晶体的压电效应制成的振荡器件。压电效应包括正压电效应和逆压电效应两个方面的内容。当在某些电介质晶体上沿一定方向施加外力时，在发生形变的同时，在其某两个相对的表面上出现异号极化电荷。当外力去掉后，形变消失，两表面重新回到不带电状态，这种只是由于应变或应力，而产生电极化的现象称为正压电效应。当施加的力是随时间变化的机械力时，可以通过覆盖在晶体表面上的电极将形变引起的电流导引出来。
2）比尔-朗伯（Beer-lambert）定律，即气体吸收定律，本专利中使用2.74um DFB激光器，利用13CO2与12CO2在2.74um附近刚好有强吸收峰，而且吸收峰相距很近，可以通过扫描DFB激光器的波长，跨过13CO2与12CO2两个不同的气体吸收峰，从而精确得到13CO2与12CO2的不同吸收并反映到石英音叉不同的振动信号，进而算出13CO2与12CO2的比值，得出受访者是否感染HP。
使用本实用新型的气体分析检测装置进行幽门螺杆菌检测方法：通过口服含有13C的尿素试剂后，如果受访者胃部内存在HP感染，HP中富含的尿素酶会将13C尿素分解为13CO2和NH3，并通过肺部排出，这样通过测定呼气中13CO2与12CO2的比值，即可诊断是否感染HP以及感染的程度。
通过增加手机APP互联和开放的API能力，实现“硬+软+服务”有机结合在一起，可让用户实时了解自己的健康状况和历史数据，并可以通过社交平台交流和分享个人信息。
本实用新型的气体分析检测装置具有灵敏度高、体积小、抗干扰能力强、易于便携、速度快、成本低等优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种气体分析检测装置，其特征在于：包括激光器、石英音叉、探测器、数据采集卡、激光器输入信号产生器，所述激光器输入信号产生器输出端与所述激光器输入端相连，所述激光器发出的激光分别传输至所述石英音叉和所述探测器，所述数据采集卡输入端分别与所述探测器输出端和所述石英音叉输出端相连，所述探测器用于将光信号转换成电信号，所述数据采集卡用于接收所述探测器和所述石英音叉输出的电信号。
2.根据权利要求1所述的气体分析检测装置，其特征在于：该气体分析检测装置还包括参考池，所述激光器发出的激光穿过所述参考池传输至所述探测器。
3.根据权利要求2所述的气体分析检测装置，其特征在于：该气体分析检测装置还包括光路机构，所述激光器发出的激光通过所述光路机构传输至所述石英音叉，所述激光器发出的激光依次通过所述光路机构、所述参考池传输至所述探测器。
4.根据权利要求3所述的气体分析检测装置，其特征在于：所述光路机构包括半透镜、准直透镜、聚焦透镜、反射镜，所述激光器发出的激光依次通过所述半透镜、所述准直透镜、所述聚焦透镜传输至所述石英音叉，所述激光器发出的激光依次通过所述半透镜、所述反射镜、所述参考池传输至所述探测器。
5.根据权利要求1所述的气体分析检测装置，其特征在于：该气体分析检测装置还包括锁相放大器，所述石英音叉输出端与所述锁相放大器输入端相连，所述锁相放大器输出端与所述数据采集卡输入端相连。
6.根据权利要求5所述的气体分析检测装置，其特征在于：该气体分析检测装置还包括前置放大器，所述前置放大器输入端与所述石英音叉输出端相连，所述前置放大器输出端与所述锁相放大器输入端相连。
7.根据权利要求5所述的气体分析检测装置，其特征在于：所述激光器输入信号产生器为函数发生器，所述函数发生器输出端分别与所述激光器和所述锁相放大器相连。
8.根据权利要求1所述的气体分析检测装置，其特征在于：所述激光器为分布式反馈激光器或带间级联激光器。
9.一种包括权利要求1至8任一项所述气体分析检测装置的系统，其特征在于：该系统包括终端设备，所述终端设备输入端与所述数据采集卡相连，所述终端设备输出端与所述激光器输入信号产生器相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106770071A (zh) * 2016-11-29 2017-05-31 中国科学院合肥物质科学研究院 一种自由基的测量系统及方法

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