TW201719147A

TW201719147A - 氣體偵測方法及其偵測系統

Info

Publication number: TW201719147A
Application number: TW104139796A
Authority: TW
Inventors: Yi-Hsi Chen; Guo-Rung Shiu
Original assignee: Genuine Lasers Corp
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01

Abstract

本發明之氣體偵測方法至少包含下列步驟：提供至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源對一待測氣體進行照射，根據照射該待測氣體輸出一對應之光聲訊號；提供一數據資料庫，該數據資料庫係儲存有對應該光聲訊號之特定氣體種類及濃度；以及由測得該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待測氣體之種類及濃度。

Description

氣體偵測方法及其偵測系統

本發明係有關於一種氣體偵測方法，尤指一種至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源可偵測待測氣體，並經由數據比對而可確定待側氣體之種類及濃度之氣體偵測方法及其偵測系統。

PM2.5已被國際WHO承認為一級致癌物，2012年5月，環保署發布「空氣品質標準修正草案」，將PM2.5納入台灣空氣品質管制並啟動標準監測，是30年來重大的空氣品質立法。細懸浮微粒PM2.5係指空氣中氣動粒徑等於或小於2.5微米(μm)的粒狀污染物，其形成可分為原生性及衍生性，PM2.5之前趨物主要以碳、硫氧化物、氮氧化物、氨、VOCs等構成，減量策略即著重減少其前趨物產生。目前《空氣汙染防治法》只管室外、不管室內，但在室內空氣不易流通，汙染可能更大。國人每人每天約有80~90%的時間處於室內環境中(包括在住家、辦公室或其他建築物內)，室內空氣品質的良窳，直接影響工作品質及效率，因此室內空氣污染物對人體健康影響應當受到重視。

故利用氣體偵測系統可監測住家、公共空間或工作場所的環境氣體變化，可偵測環境中有毒物質的氣體濃度變化，以供改善空氣品質，亦可應用在醫學的檢測，檢測病人的呼吸氣體，以得知疾病的種類。

一般的氣體偵測系統大部分皆採用化學方式偵測或是光學方式偵測。對於採用化學反應方式偵測氣體方面，除了反應的速度較慢以外，在系統使用一段時間後，就必須更換偵測吸附材料，造成使用成本較高也不便。另外，在光學量測方式方面，習知氣體偵測系統屬於單光源(single-beam)光學感測器，係利用一寬頻光源配合濾光片，或是使用單一波長雷射來做為偵測光源，並針對不同待測氣體選用不同波長的濾波片或雷射，其結構較為複雜，且成本較高。而濾光片之過濾頻寬難以縮小也影響了偵測的精準度。

然而，傳統的氣體偵測系統無法同時偵測多波長波段的吸收峰，當某特定波段包含多個不同氣體的吸收譜線時，會影響待測氣體偵測的精確度及準確性。為了有效辨別，需要改量測其他吸收較弱的譜線，搭配高靈敏度的訊號偵測器，或是使用頻寬更精確穩定的雷射光源，兩者皆會大幅提高偵測系統的複雜度及使用成本。因此研發一種改良的氣體偵測系統，可簡單有效地量測待測氣體是有其必要。

為解決此課題，本發明提供一種結構簡單，利用至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源可偵測待測氣體，並經由數據比對而可確定待側氣體之種類及濃度，並可降低生產成本的技術手段。

為達成上述之目的，本發明之氣體偵測方法，至少包含下列步驟：提供至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源分別對一待測氣體進行照射，根據照射該待測氣體輸出一對應之光聲訊號；提供一數據資料庫，該數據資料庫係儲存有對應該光聲訊號之特定氣體種類及濃度；以及由測得該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待側氣體之種類及濃度。

本發明利用至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源可偵測待測氣體，可捨棄常見的濾光片的使用可大幅縮小系統尺寸且藉由元件結構與參數的調整，可同時對特定氣體的多個吸收峰做多波長的偵測，相較於常見的單光源光學感測器能更簡單有效地量測特定氣體的種類與濃度。

依據上述技術特徵，步驟a中係提供至少一第一寬頻光源及第二寬頻光源，第一、第二寬頻光源係分別由一聲波頻率調變其輸出功率。

依據上述技術特徵，至少一寬頻光源係為發光二極體或多縱模雷射，其中發光二極體可以為紅外光。

依據上述技術特徵，步驟a中寬頻光源在照射待測氣體後，待測氣體因吸收照射光源，會產生壓力變化，該動態變化的壓力訊號為聲波形式，偵測此因吸收光而產生的聲波訊號，亦即光聲訊號。

依據上述技術特徵，步驟a中寬頻光源在照射待測氣體後，可利用一壓力感測器(或聲波感測器)，將光聲訊號讀取出來。

為達成上述之目的，本發明另提供一種之氣體偵測系統，至少包含有：一腔室，可供容置待測氣體；至少一第一寬頻光源及第二寬頻光源，該第一寬頻光源及第二寬頻光源之頻寬範圍為1nm~1000nm，於該腔室一側分別投射至少二不同波段範圍之照射光源至該腔室內；至少一壓力感測器(或聲波感測器)，用以偵測腔室內之壓力變化(或聲波大小)，並輸出一對應之光聲訊號；一數據資料庫，數據資料庫係儲存有對應特定氣體種類及濃度之光聲訊號的標準圖譜；以及一分析單元，將該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待側氣體之種類及濃度。

依據上述技術特徵，進一步設有至少一光束傳導單元，可供對應至少一第二寬頻光源，使其至少一第二寬頻光源投射至腔室內。

1‧‧‧氣體偵測系統

10‧‧‧腔室

20‧‧‧第一寬頻光源

30‧‧‧壓力感測器

40‧‧‧數據資料庫

50‧‧‧分析單元

70‧‧‧第二寬頻光源

80‧‧‧光束傳導單元

第1圖所示為本發明中氣體偵測方法之流程步驟示意圖。

第2圖所示為本發明中氣體偵測系統之結構示意圖。

第3a圖所示為C₂H₂氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收分佈模擬圖。

第3b圖所示為C₂H₂氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收峰強度譜線圖。

第4a圖所示為CH₂O氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收分佈模擬圖。

第4b圖所示為CH₂O氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收峰強度譜線圖。

第5a圖所示為CH₄氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收分佈模擬圖。

第5b圖所示為CH₄氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收峰強度譜線圖。

第6a圖所示為CO氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收分佈模擬圖。

第6b圖所示為CO氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收峰強度譜線圖。

第7a圖所示為CO₂氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收分佈模擬圖。

第7b圖所示為CO₂氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收峰強度譜線圖。

第8a圖所示為H₂O氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收分佈模擬圖。

第8b圖所示為H₂O氣體在不同波長之發光二極體光源下的吸收峰強度譜線圖。

為利貴審查員瞭解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請參閱第1圖所示為本發明中氣體偵測方法之流程步驟示意圖。首先，本發明之氣體偵測方法，至少包含下列步驟：步驟a、提供至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源分別對一待測氣體進行照射，根據照射該待測氣體輸出一對應之光聲訊號；其中，寬頻光源照射待測氣體時，如果光的頻率與待測氣體的吸收頻段相同，則氣體分子將吸收部分光。待測氣體之濃度越高，就有越多的光被吸收。因為氣體吸收能量其內部便產生壓力變化，此壓力變化的頻率會跟光源強度的調變頻率一致，當光源以聲波頻率調變時，此壓力變化就會產生聲波，亦即光聲訊號。例如：可利用微機電麥克風當作壓力感測器，將光聲訊號讀取出來；或者在本步驟a中寬頻光源在照射待測氣體後，可先偵測動態壓力變化產生一對應之聲波訊號，即為光聲訊號。

其中，該步驟a中亦可提供至少一第一寬頻光源及第二寬頻光源，該第一、第二寬頻光源與調變器連結係分別發出至少二不同波長之照射光源而分別對待測氣體進行照射。本案實施例中，該至少一寬頻光源係為紅外光，亦或者該至少一寬頻光源可以為頻寬範圍為1nm~1000nm之多縱模雷射。

步驟b、提供一數據資料庫，該數據資料庫係儲存有對應該光聲訊號之特定氣體種類及濃度。如第4a、4b圖至第9a、9b圖所示係為四種不同波長的發光二極體光源，照射同一種氣體下，針對不同波長的發光二極體(LED)會有不同的吸收峰值，並將四種LED的吸收峰值強度作為該氣體的特徵，並將該特徵儲存於數據資料庫以做為比對之依據；其中，該LED29、LED32、LED34、LED46係代表波長分別為2900nm、3200nm、3400nm、4600nm的LED；而發光二極體光源之波長範圍可以為2000~6000nm，且本發明的氣體偵測範圍係為760~14000nm。

步驟c、由測得該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待側氣體之種類及濃度。

請同時參閱第2圖所示為本發明中氣體偵測系統之結構示意圖。本發明之氣體偵測系統1，其至少包含有：一腔室10，可供容置待測氣體；至少二寬頻光源，於該腔室10一側投射至少二不同波長之照射光源至該腔室10內，如圖所示之實施例中，該氣體偵測系統設有至少一第一寬頻光源20以及至少一第二寬頻光源70對該待測氣體進行照射，該第一、第二寬頻光源20、70係分別發出至少二不同波長之照射光源，而分別對待測氣體進行照射。

至少一感測器，用以偵測該腔室10內之待測氣體動態壓力變化，例如可以為壓力感測器30而可偵測待測氣體動態之壓力變化，並輸出一對應之光聲訊號；亦可以將壓力感測器替換為聲波感測器，可偵測腔室內之聲波大小，而同樣可輸出一對應之光聲訊號；一數據資料庫40，該數據資料庫40係儲存有對應該光聲訊號之特定氣體種類及濃度；以及一分析單元50，分別與該壓力感測器30及數據資料庫40連接，以接收該光聲訊號，將該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待側氣體之種類及濃度。當然，該分析單元可進一步將所測得待側氣體之種類及濃度等結果輸出，例如可進一步連接電子部品(例如電腦或手持裝置)或顯示器，可供使用者可得知檢測結果。

另外，進一步設有至少一光束傳導單元80，可供對應至少一第二寬頻光源70，使其至少一第二寬頻光源70投射至該腔室10內，該至少一寬頻光源可以發光二極體或多縱模雷射。當然，該至少一第一寬頻光源以及至少一第二寬頻光源可以同時進行照射或部分進行照射，而可相互搭配形成不同組數據與資料庫做比對。

本發明利用至少二不同波長且頻寬範圍為1nm ~1000nm之寬頻光源可偵測待測氣體，可捨棄常見的濾光片的使用可大幅縮小系統尺寸且藉由元件結構與參數的調整，可同時對特定氣體的所有吸收峰做多波長的偵測，相較於常見的單光源光學感測器能更簡單有效地量測特定氣體的種類與濃度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種氣體偵測方法，至少包含下列步驟：步驟a、提供至少二不同波長且頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源分別對一待測氣體進行照射，根據照射該待測氣體輸出一對應之光聲訊號；步驟b、提供一數據資料庫，該數據資料庫係儲存有對應該光聲訊號之特定氣體種類及濃度；以及步驟c、由測得該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待側氣體之種類及濃度。
如請求項1所述之氣體偵測方法，其中，該步驟a中係提供至少一第一寬頻光源及第二寬頻光源，該第一、第二寬頻光源係分別發出至少二不同波長之照射光源。
如請求項1所述之氣體偵測方法，其中，該至少一寬頻光源係為發光二極體或多縱模雷射。
如請求項1至3任一項所述之氣體偵測方法，其中，該步驟a中寬頻光源在照射待測氣體後，可偵測動態壓力變化產生一對應之光聲訊號。
如請求項1至3任一項所述之氣體偵測方法，其中，該步驟a中寬頻光源在照射待測氣體後，可利用一壓力感測器，將光聲訊號讀取出來。
一種氣體偵測系統，至少包含有：一腔室，可供容置待測氣體；至少二頻寬範圍為1nm~1000nm之寬頻光源，於該腔室一側投射至少二不同波長之照射光源至該腔室內；至少一感測器，用以偵測該腔室內之待測氣體動態壓力變化，並輸出一對應之光聲訊號；一數據資料庫，該數據資料庫係儲存有對應該光聲訊號之特定氣體種類及濃度；以及一分析單元，分別與該壓力感測器及數據資料庫連接，將該光聲訊號與該數據資料庫進行比對，以確定待側氣體之種類及濃度。
如請求項6所述之氣體偵測系統，其中，該氣體偵測系統設有至少一第一寬頻光源以及至少一第二寬頻光源對該待測氣體進行照射，該第一、第二寬頻光源係分別發出至少二不同波長之照射光源。
如請求項7所述之氣體偵測系統，其中，進一步設有至少一光束傳導單元，可供對應至少一第二寬頻光源，使其至少一第二寬頻光源投射至該腔室內。
如請求項7所述之氣體偵測系統，其中，該至少一寬頻光源係為發光二極體或多縱模雷射。
如請求項6至9任一項所述之氣體偵測系統，其中，該感測器係為壓力感測器或聲波感測器。