基于紅外吸收光譜的甲醛氣體濃度檢測(cè)

秦敏+張學(xué)典+常敏

摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)甲醛氣體檢測(cè)的不足，基于紅外光譜吸收原理，采用差分吸收技術(shù)設(shè)計(jì)了甲醛氣體濃度探測(cè)系統(tǒng)。該方法對(duì)檢測(cè)的甲醛氣體光譜值以及供電電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)甲醛氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，利用虛擬儀器LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放等功能。具有操作簡(jiǎn)單，界面直觀，人機(jī)友好的特點(diǎn)，能對(duì)室內(nèi)甲醛氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞： 光譜； LabVIEW； 室內(nèi)甲醛； 氣體檢測(cè)

中圖分類號(hào)： X 83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.03.002

Detection technology of formaldehyde gas concentration based on

infrared absorption spectroscopy

QIN Min， ZHANG Xuedian， CHANG Min

（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， Univeristy of Shanghai

for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In view of the deficiency of traditional formaldehyde gas detection，the concentration of formaldehyde gas was detected by the differential absorption technique based on infrared spectrum absorption principle.The method is to realize analogtodigital conversion of formaldehyde gas spectral value and supply voltage.The optical detection system is to detect the concentration of formaldehyde gas，using the virtual instrument software LabVIEW to realize data acquisition，data processing，data storage and review function.It achieves the realtime monitoring of indoor formaldehyde gas concentration.

Keywords： spectrum； LabVIEW； indoor formaldehyde； gas detection

引 言

隨著人們對(duì)生活質(zhì)量越來越高的追求，室內(nèi)裝修已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段。各種含有化學(xué)成分的原料作為建筑裝飾材料也隨之進(jìn)入各個(gè)家庭，這就使得室內(nèi)空氣的污染程度要比室外環(huán)境高出5～10倍，其中最為主要的就是甲醛污染，因此，研究室內(nèi)甲醛氣體檢測(cè)方法具有重要的意義[13]。通過對(duì)甲醛氣體光譜分析，利用紅外光譜吸收原理[4]和差分吸收技術(shù)[56]，把經(jīng)過甲醛氣體吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)交由LabVIEW接收數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。

虛擬儀器（VI）技術(shù)是一種強(qiáng)大的技術(shù)，可應(yīng)用于各種自動(dòng)化測(cè)試，VI始終將計(jì)算機(jī)作為主心骨，利用軟件完成儀器的操控、數(shù)據(jù)的傳輸與分析、信號(hào)的采集等，并與計(jì)算機(jī)、儀器和測(cè)控系統(tǒng)硬件資源連接在一起。美國(guó)NI（National Instruments）公司開發(fā)的強(qiáng)大的LabVIEW是虛擬儀器最具代表性的結(jié)晶，是一種被稱為“G”語(yǔ)言的圖形化語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)，該軟件由前面板和程序框圖組成，包含了采集、分析、顯示、存儲(chǔ)等數(shù)量龐大的集成模塊，大大減輕了編程的復(fù)雜程度，有著其他軟件所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的編程效率。本文充分利用NI技術(shù)，將軟硬件完美結(jié)合，對(duì)甲醛濃度信號(hào)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)等，將甲醛濃度信息直觀、穩(wěn)定地展現(xiàn)了出來。

1 甲醛氣體光譜信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換

當(dāng)光穿過不同的物質(zhì)時(shí)，光子與物質(zhì)分子相互作用，部分光被吸收的現(xiàn)象是光譜分析的物理基礎(chǔ)，也是本文檢測(cè)甲醛氣體的特征吸收光譜選擇依據(jù)。如圖1所示，當(dāng)光透過甲醛氣體后其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：I（λ）為透射光源的光強(qiáng)；I0（λ）入射光源的光強(qiáng)；L為甲醛氣體厚度；-σ（λ）為吸收截面；C為甲醛氣體濃度。其中-σ（λ）表示每個(gè)甲醛分子能夠吸收光子的那部分電子雀躍面積，面積越大，表示吸收光子的能力越強(qiáng)，C作為甲醛氣體濃度，是本文所要探測(cè)的參數(shù)[7]。

光透過甲醛氣體時(shí)，光線經(jīng)過甲醛氣體的選擇性吸收，光譜結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度都發(fā)生變化，利用數(shù)學(xué)對(duì)數(shù)原理可得甲醛氣體濃度表達(dá)式為C=lnI0（λ）I（λ）[σ（λ）L]

由式（2）可知，如果σ（λ）L已知，只要測(cè)出I（λ）和I0（λ）就可以計(jì)算得到甲醛氣體濃度C。為了避免光源、光電器件等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，本文通過差分吸收技術(shù)和單光路雙波長(zhǎng)的工作方式進(jìn)行多次測(cè)量，最終檢測(cè)得到甲醛氣體濃度。甲醛氣體的特征吸收區(qū)主要在3.514 μm、3.607 μm和5.770 μm，通過HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)可以查詢甲醛氣體在紅外區(qū)域由較強(qiáng)的吸收線，因此選用3.607 μm的光源進(jìn)行甲醛氣體濃度檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，紅外光源分成兩路光束，一束為被測(cè)光束經(jīng)過吸收氣室被甲醛氣體吸收，另一束為參考光束不經(jīng)過吸收氣室，隨后兩束光到達(dá)各自方波脈沖調(diào)制模塊，兩束光形成對(duì)比光束經(jīng)過探測(cè)器，而后經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成與濃度相關(guān)的電信號(hào)。由于探測(cè)器輸出的信號(hào)強(qiáng)度弱，經(jīng)由差動(dòng)放大電路后將放大的電信號(hào)傳遞至A/D芯片，A/D芯片將采集到的甲醛濃度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳至單片機(jī)處理，并由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)解調(diào)、顯示甲醛濃度和報(bào)警等功能。本文選擇的是人機(jī)友好的LabVIEW實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

為方便測(cè)量，用濾光片使得到兩束光強(qiáng)相等，選取近似等于3.607 μm的兩束光λ1和λ2，可得式K=I-I1I-I2=exp{-[σ（λ1）-σ（λ2）]C L}

式中：K為輸出電壓信號(hào)；I為初始入射光強(qiáng)；I1為參考光束經(jīng)濾光片后的光強(qiáng)；I2為被測(cè)光束經(jīng)被測(cè)氣體和濾光片后的光強(qiáng)。式（3）就是輸出電壓信號(hào)與濃度的關(guān)系。

2 電信號(hào)處理

2.1 主控制模塊

LabVIEW是集控制與仿真為一體的高級(jí)語(yǔ)言，提供了各種方便客戶進(jìn)行算法開發(fā)與應(yīng)用的模塊。整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)需要一個(gè)模塊進(jìn)行初始化以及協(xié)調(diào)管理等工作，這就是主控制模塊的功能，除了上述功能外它還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先執(zhí)行初始化，然后再通過采集并判斷各輸入控件值，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)功能子模塊的調(diào)用和管理，以保證參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與處理、保存與顯示等功能，使得整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作[8]。主控制模塊如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集過程如下：第一步是利用VISA初始化函數(shù)設(shè)置串口參數(shù)；第二步是再次利用這個(gè)函數(shù)做清零工作，以便提供足夠的空間給要上傳的數(shù)據(jù)；第三步是進(jìn)行前導(dǎo)碼辨認(rèn)以獲取真正需要的數(shù)據(jù)，辨認(rèn)過程需要依靠While循環(huán)和Case Structure兩個(gè)函數(shù)；第四步是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程是將數(shù)據(jù)模式由字符串轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組格式，并交由處理模塊進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集如圖4所示[912]。

經(jīng)過這四步之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理部分框圖如圖5所示。數(shù)據(jù)處理子模塊以接收到的16個(gè)字節(jié)為一個(gè)處理循環(huán)，最后在前面板將甲醛氣體濃度值、是否超標(biāo)需要報(bào)警、節(jié)點(diǎn)氣壓等值直觀地顯示出來。由于LabVIEW本身具有一種多線程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)，因此各功能對(duì)應(yīng)的程序代碼能同時(shí)執(zhí)行。

根據(jù)前述電壓信號(hào)與濃度的關(guān)系，通過光電結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體濃度的檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)通過檢測(cè)放大電路和放大倍數(shù)的調(diào)整并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)，由單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)了甲醛濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)紅外光譜進(jìn)行分析研究，選取甲醛氣體吸收最好的譜線作為中心波長(zhǎng)，并充分使用了LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，對(duì)采集到的經(jīng)過甲醛吸收后的光信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和顯示等一系列操作控制過程。從結(jié)果可以看出，利用LabVIEW來設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，具有界面直觀、穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點(diǎn)，滿足室內(nèi)甲醛監(jiān)控要求。由于測(cè)量環(huán)境中存在其他干擾氣體，它們可能與甲醛氣體存在相似的特征吸收區(qū)，從而使得探測(cè)光束被其他氣體吸收，造成檢測(cè)結(jié)果的誤差，因此，如何完全清除其他氣體的影響還有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翟淑妙，徐曉儼.甲醛的暴露與健康效應(yīng)[J].環(huán)境與健康雜志，1994，11（5）：238240.

[2] 陳曉龍，黃元慶.室內(nèi)空氣甲醛氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2007（4）：6466.

[3] 李玉靜.便攜式甲醛檢測(cè)儀的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[4] 李黎，張宇，宋振宇，等.紅外光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用[J].紅外，2007，28（9）：2937.

[5] STUTZ J，PLATT U.Improving longpath differential optical absorption spectroscopy with a quartzfiber mode mixer[J].Applied Optics，1997，36（6）：11051115.

[6] SHIMOSE Y，OKAMOTO T，MARUYAMA A，et al.Remote sensing of methane gas by differential absorption measurement using a wavelength tunable DFB LD[J].IEEE Photonics Technology Letters，1991，3（1）：8687.

[7] 周永坤，陳進(jìn)良，金銘.基于現(xiàn)代通信技術(shù)甲醛檢測(cè)系統(tǒng)[J].科學(xué)與財(cái)富，2015（15）：99.

[8] 劉廣玉.幾種新型傳感器設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988.

[9] MANISH R，RAMACHANDRAN K N，GUPTA V K.Extraction spectrophotometric determination of selenium（IV） with J acid in environmental samples[J].Talanta，1994，41（10）：16231626.

[10] 任清，郭友嘉.氣相色譜法快速測(cè)定空氣中低分子量醛[J].色譜，1997，15（4）：356357.

[11] 郭家辰.甲醛檢測(cè)系統(tǒng)及其測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].昆明：云南大學(xué)，2012.

[12] 王新苗.無動(dòng)力甲醛檢測(cè)器的研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2007.