CN102269699B - 禽舍硫化氢气体浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种禽舍硫化氢气体浓度检测系统及方法，涉及有害气体检测技术领域。该系统包括：激光器，用于发射设定波长的激光，光收发器，与激光器连接，将发射光发送至反射器，并将反射器反射回的反射光发送至光电检测器；反射器，将由光收发器发出的激光反射回光收发器；光电检测器，与光收发器相连，对反射光进行光电转换，将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器；信号采集处理及显示器，与光电检测器相连，根据该电信号，采用朗伯比尔定律反演硫化氢气体的浓度，并显示得到的硫化氢浓度信息。本发明的系统及方法可实时获取一定范围内的H2S气体浓度、使用寿命长、且检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及有害气体检测技术领域，尤其涉及一种禽舍硫化氢气体浓度检测系统及方法。
背景技术
家禽养殖环境中的含硫有机物(粪便、垫草、饲料等)在分解过程中会产生H2S气体。H2S气体具有毒性，并散发出刺激性气味。当禽舍内存在低浓度的H2S气体时，会对禽类和饲养人员的嗅觉产生刺激，引起呼吸道的不适感和疾病；当禽舍内存在高浓度的H2S气体时，会导致禽类和饲养人员中毒，甚至死亡；在禽舍内的H2S气体向外排放时，会造成周边空气的恶化。H2S气体的毒性虽然较强，但禽舍内的H2S气体浓度一般较低，给其在线检测带来了一定的困难。
现常用的禽舍内H2S气体在线检测方法有两种。一种为紫外荧光分析法(Temporal and spatial distributions of aerial contaminants in an enclosed pig buildings in winter，Environmental Research，44卷，第6期，11-19页)：将H2S气体通过转炉在400℃时转化为SO2，通过激光诱导荧光分析SO2的浓度，从而获得H2S的浓度。另一种方法为电化学法(Micro-machined nano-crystalline silver doped SnO2 H2S sensor，Sensors anf Actuators B：Chemical，114卷，第1期，32-39页)，即使待测气体与制备的金属氧化物电极起化学反应，从而分析H2S的浓度。
紫外荧光分析法可对禽舍内H2S气体浓度进行精确测定，但有如下缺陷：
(1)需要进行高温化学反应，期间耗费时间和能量；
(2)虽可实现在线监测，但反应速度慢，测量时间长；
(3)装置的体积一般比较大；
(4)仅可获得测量位置的H2S气体浓度，不能对一定区域内的H2S气体浓度进行监测。
电化学法可实现禽舍内H2S气体浓度的低成本在线检测，但有如下缺陷：
(1)禽舍内H2S气体浓度较低，电化学电极反应不敏感，检测精度不高；
(2)电化学电极存在基线飘移，需经常对其进行校准；
(3)电化学电极实用寿命较短，需及时更换；
(4)需要接触测量，仅可获得测量位置的H2S气体浓度，不能对一定区域内的H2S气体浓度进行监测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种可实时获取一定范围内的H2S气体浓度、使用寿命长、且检测精度高的非接触式禽舍H2S气体浓度检测系统及方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种禽舍内硫化氢气体浓度检测系统，该系统包括：激光器，用于发射设定波长的激光，所述设定波长为硫化氢气体的特征波长；光收发器，与所述激光器连接，用于将发射光发送至反射器，并将反射器反射回的反射光发送至光电检测器；反射器，用于将由所述光收发器发出的激光反射回所述光收发器；光电检测器，与所述光收发器相连，用于对所述反射光进行光电转换，并将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器；信号采集处理及显示器，与所述光电检测器相连，用于根据所述电信号，采用朗伯比尔定律反演待测硫化氢气体的浓度，并显示得到的待测硫化氢气体的浓度信息。
优选地，该系统还包括：激光器控制模块，与所述激光器相连， 用于驱动所述激光器发射激光信号。
优选地，该系统还包括：温控模块，所述激光控制模块相连，用于将所述激光器的温度控制在恒定范围内，并产生调制信号，对激光器发射的激光的波长进行调制。
优选地，所述激光器为分布反馈DFB激光器。
优选地，所述光收发器包括：光准直器，用于滤除所述激光器发射的激光中的杂散光，以及汇聚反射器反射回的反射光；分光单元，用于对所述光准直器汇聚的反射光进行分光处理。
优选地，所述光收发器与所述激光器通过光纤连接。
优选地，所述反射器为平面反射镜，或为由互相垂直的两个反射镜构成的角镜结构。
本发明还提供了一种禽舍内硫化氢气体浓度检测方法，该方法包括步骤：
S1.驱动激光器发射设定波长的激光，所述设定波长为硫化氢气体的特征波长；
S2.光收发器将激光器发射的光发送至反射器，并将发射器反射回的反射光发送至光电检测器；
S3.光电检测器对所述反射光进行光电转换，并将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器；
S4.信号采集处理及显示器根据所述电信号，采用朗伯比尔定律反演待测硫化氢气体的浓度，并显示得到的待测硫化氢气体的浓度。
优选地，步骤S4包括：
S4.1信号采集处理及显示器对所述电信号进行放大以及滤波处理，并进行模数转换，得到数字化的待测硫化氢气体的二次谐波信号；
S4.2多次重复步骤S1-S4.1，得到待测硫化氢气体的多个二次谐波信号；
S4.3用于已知浓度的硫化氢气体的二次谐波信号对待测硫化氢 气体的多个二次谐波信号进行最小二乘法线性拟合，得到待测硫化氢气体的二次谐波信号的最优值；
S4.4根据朗伯比尔定律，用所述已知浓度的硫化氢气体的浓度乘以所述最优值得到所述待测硫化氢气体的含量。
(三)有益效果
本发明的系统及方法通过DFB激光器开放光程发射窄线宽激光，然后测量其光谱吸收强度的方式，在非接触的情况下实现了在线快速检测H2S气体的浓度。该系统简单便携，可控光程范围大，适用于大、中、小型各类禽舍的H2S气体检测，灵敏度高，液晶显示便于人性化操作。相对于原有技术，极大程度节约了人力、物力和时间。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的禽舍硫化氢气体浓度检测系统结构框图；
图2为依照本发明一种实施方式的禽舍硫化氢气体浓度检测方法流程图。
具体实施方式
本发明提出的禽舍硫化氢(H2S)气体浓度检测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。
本实施方式的禽舍H2S气体浓度检测系统采用主动探测方式，用激光器产生波长为H2S气体的特征波长的激光。激光发射后，在畜禽内经几十米的传输后，在反射器表面发生全发射，经分光后，被光电检测器获取。对光电检测器获得的激光光谱信号进行定量化分析，即可获得光路中的待测H2S气体总浓度。
如图1所示，依照本发明一种实施方式的禽舍硫化氢(H2S)气体浓度检测系统包括：
激光器4，用于发射波长为H2S气体的特征波长的激光。优选地，激光传输距离在5m-200m之间。激光器4还用于发射波长为参照波长 的激光，参照波长用于对背景噪声进行消除：特征波长在硫化氢气体中存在吸收，而参照波长不存在吸收，将二者相减，既得到系统本身的噪声。
光收发器5，与激光器4连接，用于将发射光发送至反射器6，并将反射器6反射回的反射光发送至光电检测器2。
反射器6，安装在禽舍的固定位置，且与激光器4之间无遮挡物，用于将由光收发器5发出的激光反射回光收发器5，反射器6表面可镀铝。
光电检测器2，与光收发器5相连，用于对反射光进行光电转换，并将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器1。光电检测器2响应的波段范围涵盖激光器4所发射的两个波长。
信号采集处理及显示器1，与光电检测器2相连，用于对光电检测器2发送的微弱电信号进行放大、滤波等处理，再由数模转换器进行采集，从而获得数字化的激光光谱数据，根据该激光光谱数据(二次谐波信号)，采用朗伯比尔定律(Lambert-Beer)反演待测H2S气体的浓度，并显示得到的待测H2S的浓度信息。
由Lambert-Beer定律可知，测量得到的二次谐波信号的幅度是与气体浓度直接成正比关系的，因此可以直接根据处理后的二次谐波信号幅度来反演待测H2S气体的浓度。但是在反演前，必须找到标准浓度(一般浓度比较高)的H2S气体做参考，根据标准气体测得的二次谐波信号，对测得的待测H2S气体的二次谐波信号进行最小二乘法线性拟合，得到待测H2S气体的二次谐波的最优值，标准气体的浓度乘上这个最优值便得到待测H2S气体的浓度。
该系统还包括：激光器控制模块3，与激光器4相连，用于驱动激光器4，并且使激光器4工作在P-I特性曲线阈值电流之上的线性调制区域。经分析，需要把一个低频的三角波和一个较高频的正弦波以及一个直流量进行合并，最终形成一个电流信号来驱动DFB激光器。除 此之外，该激光器控制模块3还有对激光器4的保护作用，主要包括上电保护、工作电压限制以及输入电压控制。
光收发器5优选地通过光纤与激光器4连接。该光收发器5包括：
光准直器，用于滤除激光器4发射的激光中的杂散光，以及用于汇聚反射器6反射回的反射光；
分光单元，用于对光准直器汇聚的反射光进行分光处理，优选地，由狭缝和衍射光栅组成，分离后的光线入射到光电检测器2。
如图2所示，本发明还提供了一种禽舍硫化氢气体浓度检测方法，该方法包括步骤：
S1.激光器控制模块驱动激光器发射设定波长的激光，该设定波长即为H2S气体的特征波长；
S2.光收发器将激光器发射的光发送至反射器，并将发射器反射回的反射光发送至光电检测器；
S3.光电检测器对所述反射光进行光电转换，并将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器；
S4.信号采集处理及显示器根据所述电信号，采用朗伯比尔定律反演得到待测H2S气体的浓度，并显示得到的待测H2S气体浓度。
其中，步骤S4包括：
S4.1信号采集处理及显示器对电信号进行放大以及滤波处理，并进行模数转换，得到数字化的待测H2S气体的二次谐波信号；
S4.2多次重复步骤S1-S4.1，得到待测H2S气体的多个二次谐波信号；
S4.3用于已知浓度的H2S气体在本系统的检测环境下的二次谐波信号对待测H2S气体的多个二次谐波信号进行最小二乘法线性拟合，得到待测H2S气体的二次谐波信号的最优值；
S4.4根据朗伯比尔定律，用已知浓度的H2S气体的浓度乘以最优值得到待测H2S气体的含量。
实施例1
本实施例中的激光器为可调写二极管激光器，其发射的激光波长同时会受到温度和输出电流的影响。本实施例采取温度衡量、调节电流的方式输出两个波段的光束。本实施例的系统还包括：
温控模块，与激光控制模块相连，用于将激光器的温度控制在恒定范围内，并产生调制信号，对激光器发出的激光的波长进行调制。
实施例2
本实施例的激光器为分布反馈(Distributed Feed Back，DFB)激光器。该DFB激光器的作用是产生以1578nm(H2S气体的吸收谱峰)为中心的窄带激光。因为本实施例采用的是带有制冷控制的DFB激光器，所以无需外加温控模块。
反射器所选用的是平面反射镜，能够将入射光严格平行地反射回去。
光电检测器的作用是把光信号转换成电信号，以便于后续的信息处理。光电检测器接收光辐射后产生的光电流IP与光照的关系为：
IP＝ηEAeλ/hc
式中，η为光电吸收过程的量子效率；E为光辐射通量密度；A为光电二极管的接收面积；λ为光波长；hc为单个光子能量。
实施例3
本实施例的系统结构与实施例2类似，由信号采集处理及显示器、光电检测器、激光器控制模块、DFB激光器、光收发器、反射器几部分组成。
较之于实施例2，本实施例的光程较长(30m)(光程指光线穿过的长度，这个值是由测量的距离决定的。光程越长，特征激光波段被吸收的越多，因此，如果距离过长，强吸收的激光波段会饱和，此时应采用较弱的特征激光，如波长为1570nm)，较强的光谱吸收峰会在气体浓度强时达到饱和状态，因此本实施例采用1570nm的DFB激光 器，规避H2S气体在1578nm的强吸收。
同时，由于出射与接收之间的距离较远，本实施例的反射器采用角镜结构，即由互相垂直的两个反射镜体构成，无论光线以何种角度入射，理论上均平行于入射光路返回。
本实施例的浓度反演方法与前两个实施例均相同，即在二次谐波基础上进行H2S气体浓度的计量。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种禽舍硫化氢气体浓度检测方法，其特征在于，该方法采用禽舍硫化氢气体浓度检测系统，该系统包括分布反馈DFB激光器，用于发射1570nm波长的激光；激光器控制模块，与所述激光器相连，用于驱动所述激光器发射激光信号，并且使激光器工作在P-I特性曲线阈值电流之上的线性调制区域，把一个低频的三角波和一个较高频的正弦波以及一个直流量进行合并，最终形成一个电流信号来驱动DFB激光器；温控模块，与激光控制模块相连，用于将所述激光器的温度控制在恒定范围内，并产生调制信号，对激光器发射的激光的波长进行调制；光收发器，与所述激光器连接，用于将发射光发送至反射器，并将反射器反射回的反射光发送至光电检测器；反射器，用于将由所述光收发器发出的激光反射回所述光收发器，反射器为平面反射镜，或为由互相垂直的两个反射镜构成的角镜结构；光电检测器，与所述光收发器相连，用于对所述反射光进行光电转换，并将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器；信号采集处理及显示器，与所述光电检测器相连，用于根据所述电信号，采用朗伯比尔定律反演待测硫化氢气体的浓度，并显示得到的待测硫化氢气体的浓度信息；该方法包括步骤：
S1.驱动激光器产生1570nm的激光通过温控模块调制发射特征波长的激光；
S2.光收发器将激光器发射的光发送至反射器，并将反射器反射回的反射光发送至光电检测器；
S3.光电检测器对所述反射光进行光电转换，并将转换得到的电信号发送至信号采集处理及显示器；
S4.信号采集处理及显示器根据所述电信号，采用朗伯比尔定律反演待测硫化氢气体的浓度，并显示得到的待测硫化氢气体的浓度。
2.如权利要求1所述的禽舍硫化氢气体浓度检测方法，其特征在 于，步骤S4包括：
S4.1信号采集处理及显示器对所述电信号进行放大以及滤波处理，并进行模数转换，得到数字化的待测硫化氢气体的二次谐波信号；
S4.2多次重复步骤S1-S4.1，得到待测硫化氢气体的多个二次谐波信号；
S4.3用于已知浓度的硫化氢气体的二次谐波信号对待测硫化氢气体的多个二次谐波信号进行最小二乘法线性拟合，得到待测硫化氢气体的二次谐波信号的最优值；
S4.4根据朗伯比尔定律，用所述已知浓度的硫化氢气体的浓度乘以所述最优值得到所述待测硫化氢气体的含量。
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