手持式甲醛檢測儀的設(shè)計(jì)

唐傳高　尤樂樂　孫志誠

摘 要：針對有害氣體甲醛的檢測，在本文中，就設(shè)計(jì)了一款手持式甲醛檢測儀。該測試儀采用英國達(dá)特甲醛電化學(xué)傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，由于是電化學(xué)反應(yīng)，所以性能穩(wěn)定，對于家庭居室內(nèi)的甲醛檢測非常適用。處理器采用快速高效的ARM系列單片機(jī)LPC1768，憑借其強(qiáng)大的運(yùn)算性能，能夠快速地對傳感器傳來的包含甲醛含量在內(nèi)的信息進(jìn)行處理，一旦濃度超過一定標(biāo)準(zhǔn)，即可啟動超限預(yù)警功能，通知使用者及時采取相應(yīng)措施，做到最大程度上的實(shí)時監(jiān)測和反饋。

關(guān)鍵詞：甲醛；電化學(xué)傳感器；實(shí)時監(jiān)測；超限預(yù)警

0 引言

甲醛是一種無色、有刺激性氣味的氣體，其毒性較高，易在常溫下?lián)]發(fā)，長期接觸甲醛的人會引起慢性呼吸道疾病、基因突變等問題。甲醛是人肉眼所無法看見的物質(zhì)，所以想要最大限度地避免甲醛的危害，就需要有一種能實(shí)時監(jiān)測周圍環(huán)境里甲醛含量的儀器。當(dāng)監(jiān)測到室內(nèi)的甲醛含量過高時，能及時打開門窗通風(fēng)，或者購買到甲醛超標(biāo)會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害的家具時，能及時發(fā)現(xiàn)，避免家人的安全受到侵害。因此，如何開發(fā)出一款簡單、準(zhǔn)確、價(jià)格低廉、易操作的甲醛測試儀是一個亟待解決的問題。

1 手持式甲醛檢測系統(tǒng)

如圖1所示即為手持式甲醛檢測系統(tǒng)的總體框圖。達(dá)特甲醛傳感器為擴(kuò)散式檢測原理傳感器，無須對其供電就能夠輸出電流信號。電流信號輸出到信號轉(zhuǎn)換板，采用LTC1049高性能運(yùn)算放大器為核心設(shè)計(jì)電路將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號進(jìn)行下一步電壓A/D轉(zhuǎn)換。LPC利用其12精度的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)數(shù)字量，再利用濾波算法消除所測數(shù)據(jù)中存在的不可靠數(shù)據(jù)，將處理完畢的數(shù)據(jù)顯示在顯示器上供使用者察看。當(dāng)其在周圍環(huán)境里測得甲醛濃度超過安全標(biāo)準(zhǔn)時，會立即發(fā)出警報(bào)，提醒使用者當(dāng)前環(huán)境里的甲醛含量已超標(biāo)。

2 電化學(xué)傳感器信號處理過程

本文中所用傳感器為電化學(xué)傳感器，輸出電流信號，所以從傳感器至單片AD信號采集需要做一定的處理，其處理電路如圖2所示。

CELL端接英國達(dá)特甲醛傳感器，傳感器的正負(fù)極對應(yīng)接在運(yùn)算放大器LTC1049的+IN和-IN端。在CELL端和運(yùn)算放大器之間有場效應(yīng)管J177，其主要作用是控制傳感器流出的電流是否流進(jìn)LTC1049運(yùn)放所在的處理電路。又因?yàn)長TC1049運(yùn)放-IN和+IN端之間有虛短的效果，所以LTC1049運(yùn)放的輸出端OUT輸出的電壓值為+IN極電壓值加上電容C1兩端的電壓值，而傳感器+IN極上對地所接的一個1.2V穩(wěn)壓二極管將+IN極電壓鉗制在1.2V，因此，LTC1049的OUT輸出端輸出的電壓值為C1兩端的電壓加上1.2V。甲醛傳感器輸出的電信號非常微弱，因此放大器需要選擇高放大倍數(shù)的運(yùn)放，而電路設(shè)計(jì)和元器件的選擇就顯得非常關(guān)鍵。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用購買到的甲醛標(biāo)準(zhǔn)氣體來對所設(shè)計(jì)的手持式甲醛測試儀進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)條件：先將購得的達(dá)特甲醛傳感器與本文設(shè)計(jì)的電路連接好，不用供電，放在一邊24小時。這是為了將傳感器從出廠到測試前內(nèi)部滯留的化學(xué)反應(yīng)效果釋放掉，否則會影響實(shí)驗(yàn)的精度。測試條件是在15℃環(huán)境下與25℃環(huán)境下，以0.5ppm為梯度對傳感器進(jìn)行測試。如圖3所示，為測試結(jié)果散點(diǎn)圖。

4 總結(jié)

測試結(jié)果反映出測試儀的效果還是不錯的，可以很明顯地看出傳感器在該濃度范圍內(nèi)測試所呈現(xiàn)出來的線性規(guī)律。對于不同的溫度環(huán)境，對相同濃度的甲醛進(jìn)行檢測，有差別但不是很大，暫時還沒有確切的結(jié)論，需要進(jìn)一步的進(jìn)行試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院）