CN208060387U - 一种多功能甲醛气体实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能甲醛气体实时监测装置，包括光源模块、荧光检测模块、反射光检测模块、敏感膜探头、过滤网、双路光电探测电路、模数转换模块、数据处理电路、脉冲模块和显示模块；荧光检测模块、反射光检测模块分别与双路光电探测电路连接，双路光电探测电路、模数转换模块、数据处理电路依次连接，脉冲模块和显示模块分别与数据处理电路连接，光源模块与脉冲模块连接；敏感膜探头为基于表面等离子体光催化的多变量响应敏感膜；过滤网和敏感膜探头固定装置连接。本实用新型可以有效监控当前环境质量并实时显示甲醛浓度、湿度和温度数值，具有更高灵敏度、更好的稳定性，并可实时监测，在家庭、工业等领域都具有广泛的应用前景。

Description

一种多功能甲醛气体实时监测装置

技术领域

本实用新型涉及环境工程的技术领域，具体涉及一种对甲醛气体浓度、湿度和温度进行实时监测的设备。

背景技术

现有的环境监测设备中，集成度都比较低，甲醛气体传感器需要结合其他监测设备，如湿度和温度传感器，才能完成对甲醛气体、空气湿度及温度的综合监测。已有的这些传感器，除了集成度低之外，传感器本身的结构也相对复杂，稳定性欠佳。

发明内容

为了解决现有监测设备所存在的集成度低、稳定性不好等问题，本实用新型提出一种多功能甲醛气体实时监测装置，能实现单一芯片多参量测量，并设计了相应的数据处理电路和显示模块，装置集成化更高，且系统简单、稳定性更好，整体的体积更小、更便携。

本实用新型采用如下技术方案实现：一种多功能甲醛气体实时监测装置，包括光源模块、荧光检测模块、反射光检测模块、敏感膜探头、过滤网、双路光电探测电路、模数转换模块、数据处理电路、脉冲模块和显示模块；荧光检测模块、反射光检测模块分别与双路光电探测电路连接，双路光电探测电路、模数转换模块、数据处理电路依次连接，脉冲模块和显示模块分别与数据处理电路连接，光源模块与脉冲模块连接；

所述敏感膜探头包括敏感膜芯片、用于固定敏感膜芯片的敏感膜探头固定装置，敏感膜探头为基于表面等离子体光催化的多变量响应敏感膜，其中响应的变量包括甲醛气体浓度、湿度和温度；测量变量为荧光强度检测和反射光强度检测；过滤网和敏感膜探头固定装置连接。

优选地，所述光源模块与敏感膜探头之间成30-60角度入射，光源模块前方放置一滤光片。

优选地，所述荧光检测模块包括滤光片和探测光信号的光纤，该探测光信号的光纤一端正对着敏感膜探头且与敏感膜探头之间距离为5-10mm，另一端放置一个长波通滤光片并连接双路光电探测电路。

优选地，所述反射光检测模块包括用于探测光信号的光纤，该光纤的一端与敏感膜探头之间成30-60角度，另一端直接连接双路光电探测电路。

优选地，所述多变量响应敏感膜采用纳米复合敏感膜，由石英玻璃基片、PDMS层、荧光量子点层、金膜层和氢氧化钠层自下而上层层组装而成的。所述荧光量子点层的激发光和荧光的波长距离在50nm以上；荧光量子点层中的荧光量子点为CdS、CdTe、CdSe、ZnS、PbS或PbO，荧光量子点的直径为1～4nm，荧光量子点层的厚度为100～500nm；所述金膜层的厚度为5～50nm；所述氢氧化钠层用1～10mol/L氢氧化钠溶液旋涂而成。

优选地，所述双路光电探测电路由两路放大倍数不同的光电探测器组成，每路光电探测器的结构相同，均包括四级集成反相比例运算电路和高通滤波器。

优选地，所述数据处理电路包括峰峰值检测模块和数据拟合模块，峰峰值检测模块根据来自模数转换模块的两路数字信号，提取出荧光电压信号和反射光电压信号的强度值，即电压峰值；并经过数据拟合模块的拟合对比运算得到当前甲醛气体浓度值、湿度值和温度值。

优选地，所述数据处理电路，对于荧光信号，利用峰值检测原理检测当前荧光信号的电压值，并且根据峰值差分运算检测峰值变化速度以检测是否存在温度漂移，得到温度值之后再根据温度值和相应的电压峰值找到甲醛气体浓度值；对于反射光信号，由于反射光信号只对湿度敏感，所以直接利用峰峰值检测方法得到反射光信号的电压值，再查找数据库里对应的数据得到当前湿度值。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：基于表面等离子体光催化机理技术，能综合对甲醛气体浓度、湿度和温度进行实时检测，具有更高灵敏度和更短响应时间，且稳定性好、寿命长，且集成度更高，在家庭、工业等领域都具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型中环境监测装置的结构示意图；

图2为本实用新型中环境监测装置的剖切图；

图3为本实用新型的结构框图；

图4为本实用新型所述双路光电探测电路原理图；

图5为本实用新型所述FPGA芯片与模数转换模块连接原理图；

图6为本实用新型所述FPGA芯片实现数据处理的流程图；

图7为本实用新型对甲醛、温度和湿度的响应特性曲线对比图，其中A为在常温恒湿的气室中通10ppm的甲醛气体的响应曲线，B为在湿度不变的氮气气室中荧光量子点的荧光强度随温度变化曲线，C为通不同湿度的氮气的气室中敏感膜对湿度的特异性响应曲线。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本实用新型的技术方案作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

参见图1-3，本实用新型多功能甲醛气体实时监测装置包括环境监测装置16和信号处理装置两部分。其中环境监测装置16包括光源模块1、荧光检测模块2、反射光检测模块3、敏感膜探头14和过滤网15；信号处理装置包括双路光电探测电路4、模数转换模块5、数据处理电路6、脉冲模块7和显示模块8；荧光检测模块2、反射光检测模块3分别与双路光电探测电路4连接，双路光电探测电路4、模数转换模块5、数据处理电路6依次连接，脉冲模块7和显示模块8分别与数据处理电路6连接，光源模块1与脉冲模块7连接。

光源模块1为LED光源，安装在光源固定装置9内，LED光源与敏感膜探头14之间成30-60角度入射，LED光源前方放置一滤光片13，目的是使LED光源波段为特定波段。脉冲模块7为光源模块1提供3.3V的脉冲电源。

荧光检测模块2包括滤光片12和探测光信号的光纤，该探测光信号的光纤内芯的直径范围为10μm-1mm，且通过FC/APC接口安装在光纤固定装置10内；该探测光信号的光纤一端正对着敏感膜探头14且与敏感膜探头之间距离为5-10mm，另一端放置一个560nm长波通滤光片12并连接双路光电探测电路4的一路，将光信号转换为可观测的电流信号。560nm长波通滤光片12用于过滤光源的波段并使荧光波段通过。

反射光检测模块3包括通过FC/APC接口安装在光纤固定装置11内的光纤，该光纤用于探测光信号，一端与敏感膜探头14之间成30-60角度，从而接收LED光源打在敏感膜探头上的反射光；另一端直接连接双路光电探测电路4的另一路，将光信号转换为可观测的电流信号。该探测光信号的光纤内芯的直径范围为10μm-1mm。

敏感膜探头14包括敏感膜芯片、敏感膜探头固定装置。所述敏感膜芯片为一种基于表面等离子体光催化机理的直径为8-10mm的圆形芯片，敏感膜探头固定装置用于固定敏感膜芯片。本实施例中，敏感膜探头为一种基于表面等离子体光催化的多变量响应敏感膜，其中响应的变量包括甲醛气体浓度、湿度和温度；测量变量为荧光强度检测和反射光强度检测。多变量响应敏感膜采用纳米复合敏感膜，是由石英玻璃基片、PDMS层、荧光量子点层、金膜层和氢氧化钠层自下而上层层组装而成的。其中，荧光量子点层的激发光和荧光的波长距离在50nm以上；荧光量子点可选CdS、CdTe、CdSe、ZnS、PbS、PbO等，荧光量子点的直径优选为1～4nm，荧光量子点层的厚度优选为100～500nm；金膜层的厚度优选为5～50nm；氢氧化钠层优选用1～10mol/L氢氧化钠溶液旋涂而成。敏感膜芯片可以轻易替换。

敏感膜对湿度的检测原理主要依靠敏感膜在检测甲醛气体的过程中，敏感膜表面的甲氧基盐随湿度变化会析出与溶解，从而改变膜的光反射率。通过检测敏感膜的光反射率可以得到敏感膜对湿度的特异性响应。敏感膜对甲醛的检测原理基于表面光催化增强荧光强度，即荧光会随着甲醛浓度升高而升高。敏感膜对温度的检测原理基于荧光量子点对温度的敏感性，即荧光量子点的荧光强度随温度变化会增强或减弱。根据测试曲线来看可以从算法上鉴别温度和甲醛响应曲线，荧光对甲醛的响应的曲线斜率为0.2k/(ppm·s)左右，荧光对温度的响应的曲线斜率为-0.000005k/(℃·s)左右。在同时检测甲醛气体和温度的过程中，对所得的荧光强度变化的数据进行处理，可以分别得到敏感膜对甲醛气体和温度的响应。

过滤网15通过螺纹和敏感膜探头固定装置连接，用于过滤空气中的杂物，使得甲醛气体、湿度和温度有效接触敏感膜芯片。过滤网为采用聚四氟乙烯材质制成的多孔塑料结构，用于保护敏感膜探头免受杂物影响。

双路光电探测电路4由两路放大倍数不同的光电探测器组成，光电探测器与光纤通过 FC/APC接口连接。每路光电探测器的结构相同，均包括四级集成反相比例运算电路和高通滤波器，如图4，分别将荧光信号和反射光信号转换为两路模拟电压信号。

模数转换模块5将双路光电探测电路中荧光信号转换成的电压信号和反射光信号转换成的电压信号分别转换为两路12位的数字信号，并发送给FPGA芯片。模数转换模块由集成模数转换芯片及外围电路组成，如图5，也为双路的，由两个相同的模数转换模块组成。

数据处理电路6包括峰峰值检测模块和数据拟合模块，峰峰值检测模块根据来自模数转换模块的两路数字信号，提取出荧光电压信号和反射光电压信号的强度值，即电压峰值；并经过数据拟合模块的拟合对比运算得到当前甲醛气体浓度值、湿度值和温度值。

数据处理电路6采用FPGA芯片spanrtan-6以及外围电路实现。图6为FPGA芯片实现数据处理的流程图，对于荧光信号，利用峰值检测原理检测荧光信号的当前电压值，并且根据峰值差分运算检测峰值变化速度以检测是否存在温度漂移，得到温度数值之后再根据温度数值和相应的电压峰值找到甲醛浓度值，因此根据电压峰值和峰值变化速度可以实现温度和甲醛浓度的测量。FPGA芯片的数据库中保存了之前多次测量得到的拟合数据，可以利用电压峰值和峰值变化速度值通过查找数据库里对应的数据得到当前温度和甲醛浓度对应的数值。对于反射光信号，由于反射光信号只对湿度敏感，所以直接利用峰峰值检测方法得到反射光电压信号的电压值，再查找数据库里对应的数据得到当前湿度值，最后将查找得到的数值显示在显示模块中。

显示模块8包括LCD模块及其相关控制电路，经过数据处理电路处理得到的当前甲醛气体浓度值、湿度值和温度值由显示模块显示当前甲醛浓度、湿度和温度的数值。

图7表示控制三个变量：甲醛气体浓度为10ppm、温度25℃-70℃和相对湿度在40％-60％，分别测试得到的响应曲线。如图7中的A所示，在常温恒湿的气室中，通10ppm的甲醛气体的响应曲线，敏感膜对甲醛的检测主要是因为敏感膜在激发光源的照射下，会与甲醛发生催化氧化，具体表现在敏感膜的荧光改变。通过用探测光纤在敏感膜的上方检测荧光的变化可以得到甲醛气体浓度的特异性响应；当向气室中通入甲醛气体时，敏感膜的荧光会增强，而激发光强不会改变。如图7中的B所示，在湿度不变的氮气气室中，敏感膜对温度的检测原理基于荧光量子点对温度的敏感性，即荧光量子点的荧光强度随温度变化会增强或减弱；当温度由25℃变化为70℃时，敏感膜的荧光光强会下降，在此过程中激发光强不会变化。如图 7中的C所示，在常温环境下，通不同湿度的氮气的气室中，敏感膜对湿气的检测原理主要依靠敏感膜表面的氢氧化钠晶体随湿度变化会析出与溶解，从而改变膜的光反射率。通过检测激发光源的光强可以得到敏感膜对湿度的特异性响应；当湿度由40％变化为60％时，激发光强下降，而敏感膜的荧光光强不会改变。在同时检测甲醛气体和温度的过程中，对所得的荧光强度变化的数据进行处理，可以分别得到敏感膜对甲醛气体和温度的响应。图中的强度作为相对量，因为数据处理的积分时间不一样，只需关心时间的相对变化量即可。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，包括光源模块、荧光检测模块、反射光检测模块、敏感膜探头、过滤网、双路光电探测电路、模数转换模块、数据处理电路、脉冲模块和显示模块；荧光检测模块、反射光检测模块分别与双路光电探测电路连接，双路光电探测电路、模数转换模块、数据处理电路依次连接，脉冲模块和显示模块分别与数据处理电路连接，光源模块与脉冲模块连接；

所述敏感膜探头包括敏感膜芯片、用于固定敏感膜芯片的敏感膜探头固定装置，敏感膜探头为基于表面等离子体光催化的多变量响应敏感膜，其中响应的变量包括甲醛气体浓度、湿度和温度；测量变量为荧光强度检测和反射光强度检测；过滤网和敏感膜探头固定装置连接。

2.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述光源模块与敏感膜探头之间成30-60角度入射，光源模块前方放置一滤光片。

3.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述荧光检测模块包括滤光片和探测光信号的光纤，该探测光信号的光纤一端正对着敏感膜探头且与敏感膜探头之间距离为5-10mm，另一端放置一个长波通滤光片并连接双路光电探测电路。

4.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述反射光检测模块包括用于探测光信号的光纤，该光纤的一端与敏感膜探头之间成30-60角度，另一端直接连接双路光电探测电路。

5.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述多变量响应敏感膜采用纳米复合敏感膜，由石英玻璃基片、PDMS层、荧光量子点层、金膜层和氢氧化钠层自下而上层层组装而成的。

6.根据权利要求5所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述荧光量子点层的激发光和荧光的波长距离在50nm以上，荧光量子点层中的荧光量子点为CdS、CdTe、CdSe、ZnS、PbS或PbO，荧光量子点的直径为1～4nm，荧光量子点层的厚度为100～500nm；所述金膜层的厚度为5～50nm；所述氢氧化钠层用1～10mol/L氢氧化钠溶液旋涂而成。

7.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述过滤网为采用聚四氟乙烯材质制成的多孔塑料结构。

8.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述双路光电探测电路由两路放大倍数不同的光电探测器组成，每路光电探测器的结构相同，均包括四级集成反相比例运算电路和高通滤波器。

9.根据权利要求1所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述数据处理电路包括峰峰值检测模块和数据拟合模块，峰峰值检测模块根据来自模数转换模块的两路数字信号，提取出荧光电压信号和反射光电压信号的强度值，即电压峰值；并经过数据拟合模块的拟合对比运算得到当前甲醛气体浓度值、湿度值和温度值。

10.根据权利要求9所述的多功能甲醛气体实时监测装置，其特征在于，所述数据处理电路，对于荧光信号，利用峰值检测原理检测当前荧光信号的电压值，并且根据峰值差分运算检测峰值变化速度以检测是否存在温度漂移，得到温度值之后再根据温度值和相应的电压峰值找到甲醛气体浓度值；对于反射光信号，由于反射光信号只对湿度敏感，所以直接利用峰峰值检测方法得到反射光信号的电压值，再查找数据库里对应的数据得到当前湿度值。