CN111077099B - 一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法和装置，同时检测甲醛气体的两个红外吸收峰位置来检测甲醛对红外光的吸收情况，最终计算甲醛浓度；由于大气中气体都有自己的特征吸收峰，不会与甲醛的两个吸收峰都重合，这样就可以通过选择未被影响的吸收峰，作为检测浓度的数据，就可以大大减少其他气体的影响，提供甲醛浓度的检测精度；本发明中通过事先标定浓度电压比值系数k，并不单独设置一个参考通道，因此可以简化检测流程；本发明的基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测装置，光源、探测器、电子元器件等组成部分的寿命长，可以延长使用时间；且装置简单易于实现。
Description
技术领域
本发明属于光电子、电子、光学技术领域，具体涉及一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法及装置。
背景技术
甲醛，化学式为HCHO。是一种有强烈刺激性气味的无色气体。甲醛是一种重要的有机原料，主要用于塑料工业、合成纤维、皮革工业、医药和染料等。
甲醛是室内环境污染的主要污染物,室内甲醛主要来源于以树脂为粘合剂的木制人造板，释放途径有木材及制板原料自身散发出的甲醛。甲醛是原浆毒物，能与蛋白质结合。对人体健康的影响最为突出，国家标准规定室内空气中甲醛含量不得大于0.08mg/m3,甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质,是潜在的强致突变物之一,具有强烈的致癌和促癌作用。
虽然目前测定甲醛的方法很多，如分光光度法、色谱法、荧光法、化学发光法、电化学法等，这些方法中大多必须先用大气采样器将空气中的甲醛抽至吸收液中，再带回实验室进行分析。这样的话，实验周期较长，不适合公共场所的快速检测。
在民用等领域，通常采用甲醛试纸、试剂检测法，这是一种化学方法，材料简单，费用低，但主要依赖于人眼，通过目视比色法进行判断，灵敏度较低，测量误差大。同时，此种方法为一次性，反应液不能重复使用。无法完成实时监测。
民用领域还通常采用电化学传感器。这种传感器采用电化学方法，甲醛与反应材料发生反应，从而改变材料的电导率。这种方法检测速度快。但是，电化学传感器中参与化学反应的材料会随着反应的进行不断减少，因此使用寿命短，需要经常跟换。另外，空气中多种气体如甲烷、氨气及其他可挥发有机物(VOC)都刻意参与氧化还原反应，从而影响电化学传感器读数，这叫做交叉影响。因此这种甲醛传感器会受到多种气体影响，导致测量结果非常不准确。
提供一种测量结果准确的甲醛检测仪是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法及装置，可以通过简单的方法和装置实现对甲醛浓度的精确检测。
一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法，包括：
采用波长范围至少为3.6um到5.78um的红外光源照射待测甲醛气体；
采用透过波长为3.6um的滤波片对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光，并将滤波后红外光信号转换为电压信号，作为第一信号；
采用透过波长为5.78um的滤波片对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光，并将滤波后红外光信号转换为电压信号，作为第二信号；
判断第一信号与第二信号之间的差值是否在设定范围内：
如果在设定范围内，将第一信号或者第二信号值乘以浓度电压比K，则得到待测甲醛气体的浓度；
如果不在设定范围内，将第一信号和第二信号中的较大值乘以浓度电压比值K，则得到待测甲醛气体的浓度；
其中，浓度电压比值K为事先标定的甲醛浓度与对应的甲醛红外光谱电压值的比值。
一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测装置，包括：红外光源、第一滤波片、第二滤波片、第一红外探测器、第二红外探测器、第一放大器、第二放大器以及信号处理器；
所述红外光源产生波长范围至少为3.6um到5.78um的红外光，并照射到待测甲醛气体上；
所述第一滤波片的透过波长为3.6um，用于对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光；
所述第二滤波片的透过波长为5.78um um，用于对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光；
所述第一红外探测器用于接收经第一滤波片滤光后的红外光谱，并将光信号转换为电压信号；
所述第二红外探测器用于接收经第二滤波片滤光后的红外光谱，并将光信号转换为电压信号；
所述信号处理器用于判断第一信号与第二信号之间的差值是否在设定范围内：
如果在设定范围内，将第一信号或者第二信号值乘以浓度电压比K，则得到待测甲醛气体的浓度；
如果不在设定范围内，将第一信号和第二信号中的较大值乘以浓度电压比值K，则得到待测甲醛气体的浓度；
其中，浓度电压比值K为事先标定的甲醛浓度与对应的甲醛红外光谱电压值的比值。
较佳的，当一个红外光源的波段不能覆盖3.6um到5.78um范围时，采用两个以上红外光源进行组合，使得组合波段至少能覆盖3.6um到5.78um范围。
较佳的，所述红外光源为LED灯。
进一步的，还包括两个放大器，分别对两个红外探测器输出的电压信号进行放大后送入信号处理器。
较佳的，所述红外探测器采用热电偶或热电堆。
较佳的，所述信号处理器爱用微处理单元、DSP或者FPGA实现。
本发明具有如下有益效果：
本发明的基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法，同时检测甲醛气体的两个红外吸收峰位置来检测甲醛对红外光的吸收情况，最终计算甲醛浓度；由于大气中气体都有自己的特征吸收峰，不会与甲醛的两个吸收峰都重合，这样就可以通过选择未被影响的吸收峰，作为检测浓度的数据，就可以大大减少其他气体的影响，提供甲醛浓度的检测精度；本发明中通过事先标定浓度电压比值系数k，并不单独设置一个参考通道，因此可以简化检测流程；
本发明采用甲醛对特定光波长吸收的方法，是物理方法，相对于试纸、试剂检测法，这种化学方法，不需要试剂，可以实时测量。
本发明的基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测装置，光源、探测器、电子元器件等组成部分的寿命长，可以延长使用时间；且装置简单易于实现。
附图说明
图1为甲醛的红外吸收光谱；
图2为二氧化碳的红外吸收光谱；
图3为水的红外吸收光谱；
图4为二氧化硫的红外吸收光谱；
图5为本发明的检测装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明采用红外吸收光谱的方法，针对甲醛红外光谱，在其特征吸收峰处，检测甲醛对红外光的吸收情况，来计算甲醛浓度。
相对于一般的红外吸收光谱的方法。本发明采用双吸收峰检测方式：如图1所示，甲醛在两个特定波数上有强烈吸收峰，分别位于波数为1730cm-1和2800cm-1的位置。图2至图4中为几种常见气体的吸收峰，这些常见气体的吸收谱，在甲醛的两个吸收峰位置恰好没有吸收峰，每种气体最多影响某一个峰处的数据，即使与甲醛的某一个吸收峰重合，也不会与两个特征吸收峰都重合。只有甲醛在两个位置有几乎相同的强烈吸收，且吸收系数相同。因此，基于上述研究结果，本发明通过检测甲醛在上述两个位置的吸收峰，来计算甲醛浓度，具体为：
先采用波长范围覆盖甲醛两个吸收峰的红外光源照射待测甲醛气体；然后再分别采用采用透过波长为3.6um的滤波片对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光，并将滤波后红外光信号转换为电压信号，作为第一信号；采用透过波长为5.78um的滤波片对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光，并将滤波后红外光信号转换为电压信号，作为第二信号；判断第一信号与第二信号之间的差值是否在设定范围内：
如果两个信号相等或者非常相近，说明其他气体几乎没有影响，将两个电压信号中任意一个乘以浓度电压比值K，则得到待测甲醛气体的浓度。如果不在设定范围内，即两个电压值一大一小，数值小的通道说明有其他气体的吸收叠加在上面，导致该通道到达探测器的光少，数值低。此时，将电压较大值乘以浓度电压比值K，则得到待测甲醛气体的浓度；通过两个通道的对比，就可以大大减少其他气体的影响，测量的甲醛数值更精确。其中，对于浓度电压比值K可以通过事先标定实现，即：待测甲醛气体浓度已知，按照上述方法，探测得到电压信号，即可得到浓度与电压比值K；通过多次标定，可得到精确的比值K。
这样通过同时测量两个吸收峰的数值，通过这两个数值的对比，就可以消除其他气体的影响。这样，采用双通道红外吸收光谱的方法可以做到实时、准确的检测甲醛浓度。解决了醛试纸、试剂检测法，检测速度慢，不能重复检测的问题。也解决了电化学传感器受到多种气体影响的问题，使测量更准确。
如图5所示，整个系统由光源、气体仓，两组滤波片，两组探测器，两组放大器，及信号处理器、光源驱动电路组成。
光源可以是一个或多个红外LED，提供可以频谱范围覆盖两个吸收峰位置的光。如果一个LED的光谱范围无法覆盖波数从1730cm-1和2800cm-1，即波长范围为3.6um到5.78um，则可以选用多个不同发光波长的LED来组合应用，已达到需要的波长覆盖范围。当然不限于用LED灯，只要能提供此范围光谱的光源都可以。
滤波片1和2设计成仅能透过波数为1730cm-1和2800cm-1。只要控制滤波片上的镀膜厚度即可实现。红外探测器可以选用热电偶或热电堆。放大器可选用常见的集成运算放大器。每一个通道都可以选择两级放大。信号处理器可以选用常见的微处理单元(MCU)芯片，或DSP，FPGA等。由光源发出的光，经待测气体吸收，到达滤光片1和滤光片2，仅能透过波数为1730cm-1和2800cm-1的光。这两个波数的光分别被探测器1和探测器2吸收，转变成电信号，再分别由放大器1和放大器2进行放大，然后由信号处理器(MCU)通过AD采集，完成模数变换。获得两个通道的电压值。信号处理器按照上述方法经过计算就可以得到甲醛浓度值。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于红外吸收光谱的甲醛浓度检测方法，其特征在于，包括：
采用波长范围至少为3.6um到5.78um的红外光源照射待测甲醛气体；
采用透过波长为3.6um的滤波片对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光，并将滤波后红外光信号转换为电压信号，作为第一信号；
采用透过波长为5.78um的滤波片对经待测甲醛气体吸收后的红外光进行滤光，并将滤波后红外光信号转换为电压信号，作为第二信号；
判断第一信号与第二信号之间的差值是否在设定范围内：
如果在设定范围内，将第一信号或者第二信号值乘以浓度电压比K，则得到待测甲醛气体的浓度；
如果不在设定范围内，将第一信号和第二信号中的较大值乘以浓度电压比值K，则得到待测甲醛气体的浓度；
其中，浓度电压比值K为事先标定的甲醛浓度与对应的甲醛红外光谱电压值的比值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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