一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，包括壳体、后盖、检测腔、检测腔后盖、抽气管、真空泵、排气管、发光驱动电路板、发光屏、敏感薄膜阵列、摄像头、检测电路板和显示屏等。仪器利用敏感薄膜吸附氨气分子后吸收光谱的变化导致的颜色改变来检测气体，通过屏幕颜色控制，产生与敏感薄膜吸收光谱谱形接近的透射式照明光源，使敏感薄膜吸收光谱的轻微变化就会导致较大的薄膜颜色改变，显著地提高了氨气检测灵敏度。本发明专利技术还公开了一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，采用色度学的测量方法降低了光学系统和检测电路的复杂性，并提高了信号维度，测试性能稳定，具有很高的气体分辨力。

A colorimetric ammonia detector and method based on screen light source

【技术实现步骤摘要】
一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪及方法
本专利技术涉及气体检测
，尤其涉及一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪及方法。
技术介绍
氨气(NH3)是一种无色但有强烈刺激性气味的气体，广泛存在于农牧养殖与加工、工矿生产与制冷、医药制备与储运等场合，对生命体健康有重要影响；环境中的氨气浓度大于5ppmv，就会导致家禽感染粘膜类疾病；大于25ppmv，人类接触8小时以上就会危及健康；大于75ppmv，会使家禽致命；大于150ppmv，就会导致家畜停止生长并得病；大于300ppmv，就会危及人类生命；大于16％，就可能引发爆炸；此外，氨气会与空气中的硫氧化物、氮氧化物的氧化产物产生反应，生成硫酸铵或硝酸铵，形成空气中PM2.5的重要来源；氨气的氢原子被碳基取代后会形成各种有机胺，是环境恶臭污染控制的重要对象。根据不同的应用场合，氨气的检测可分为化学分析、仪器分析和传感器检测三种方法。化学分析法利用氨气和试剂之间的化学反应，采用滴定、比色或发烟等方法进行测量，结果比较粗略，试样不可逆，需要人工操作；仪器分析法主要是利用气相色谱柱对混合气体的层析效应把目标气体中的氨气成分分离出来，再通过后继的质谱分析等气体检测仪来确定氨气浓度；仪器分析法是标准的氨气检测方法，选择性好，灵敏度高，但是设备复杂，操作繁琐，专业性强，通常是专业人员在专业场所使用。这两种方法都不适合于对氨气的现场实时检测。在农牧养殖与加工等氨气伴生场所，往往需要对氨气进行在线监测，传感器检测是最适合的方法。当前常见的氨气传感器包括金属氧化物传感器、导电聚合物传感器和电化学传感器等非光学传感器，以及PID传感器、光声光谱传感器、激光增强型传感器等光学传感器。从检测原理来看，非光学传感器主要基于物理吸附作用引起的传感器电参数改变，光学传感器主要基于氨气的特征吸收引起的光参数改变。对非光学传感器来说，物理吸附是一种分子间非特异相互作用，结合能很低，而且吸附效应只反应为一维电参数，因此此类传感器的灵敏度、选择性和识别能力都比较低。对光学传感器来说，基于气体分子光子吸收效应的光学传感器可以反映并输出宽谱带的气体分子光学吸收特性，信号维度高，检测参数特异性强，具有很高的气体选择性和识别能力，但是需要设计复杂的光路系统和微弱信号检测系统，技术难度大，开发成本高。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪及方法，精确检测环境中氨气的浓度。本专利技术的上述技术方案是通过以下方式实现的：一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：包括壳体、后盖、检测腔、检测腔后盖、抽气管、真空泵、排气管、发光驱动电路板、发光屏、敏感薄膜阵列、摄像头、检测电路板和显示屏。壳体与后盖适配，壳体的上部设有安装面板，真空泵的底面与安装面板的上表面连接，安装面板的下表面与摄像头的上表面连接。检测腔位于壳体的中部位置，接检测腔的开口端面与检测腔后盖适配。检测腔的上壁开有摄像头拍摄孔，检测腔的下壁正对摄像头的位置安装有敏感薄膜阵列，检测腔和壳体的两个侧面同轴开设有进气孔。抽气管的一端穿过检测腔的上壁进入检测腔中，抽气管的中部穿过安装面板，抽气管的另一端与真空泵的入口连接，真空泵的出口与排气管的一端连接，排气管的另一端与后盖连接。发光屏的上表面与检测腔的底壁外表面连接。发光屏驱动电路板与发光屏层叠连接，发光屏驱动电路板安装在壳体内下部。检测电路板包括电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口。电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口分别与检测电路板电连接。与现有技术相比，本专利技术的优点是：利用敏感薄膜吸附氨气分子后吸收光谱的变化导致的颜色改变来检测气体，在检测原理上利用了敏感材料分子在氨气分子作用下的气致变色效应，此类反应的吸附能通常远大于普通的物理吸附，提高了检测灵敏度；在检测方法上利用数字图像技术实现对敏感薄膜吸收光谱变化情况的分波段检测，提高了信号维度和气体分辨力，降低了光学系统和检测电路的复杂性。进一步优化为：检测腔和检测腔后盖均采用非极性材料制成。采用上述技术方案，以减小检测腔内壁与氨气分子之间因范德华力产生的吸附驻留效应，提高检测精度。进一步优化为：检测腔和检测腔后盖的内表面均光滑。采用上述技术方案，以减小检测腔内壁的表面势能对氨气分子的吸附驻留效应，提高检测精度。进一步优化为：检测腔后盖与检测腔的开口断面通过密封圈密封连接。抽气管与检测腔的上壁穿孔通过密封圈密封连接。发光屏的上表面与检测腔的底壁外表面通过密封垫圈密封连接。摄像头的镜头端面与检测腔的上壁外表面密封连接。采用上述技术方案，以形成密封的气体检测气路，防止氨气泄漏到氨气检测仪内部其他空间形成富集驻留，影响检测结果。进一步优化为：进气孔内置不透光的防尘滤网。采用上述技术方案，起到过滤环境空气中的颗粒物和防止环境光进入所述检测腔干扰图像检测的作用。进一步优化为：发光屏驱动电路和发光屏选用24位真彩色显示的一体化TFTLCD模块。采用上述技术方案，具有颜色分辨率高的优点，并且易于控制和安装，有利于产生与任何颜色的敏感薄膜的吸收光谱谱形接近的屏幕照明光源。本专利技术还公开了一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，包括以下步骤：(1)仪器标定通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的光源屏幕照明颜色，使得在光源屏幕照明颜色的照射下，测得敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三个颜色分量的色阶值的和为最小。通过特定浓度的氨气检测实验，用最小二乘法拟合得到25℃时氨气浓度与敏感薄膜归一化颜色变化量之间的吸附等温线模型，并在此模型基础上引入温度T产生的修正系数，获得敏感薄膜与氨气响应的温度修正吸附等温线模型，温度T的范围为15℃≤T≤35℃。(2)氨气检测根据标定得到的敏感薄膜照明颜色，在发光屏显示界面对应每个敏感薄膜的位置显示敏感薄膜照明颜色。真空泵抽动环境气体，气体流经检测腔，并与敏感薄膜阵列反应。摄像头每隔L秒采集一次敏感薄膜阵列图像，每次连续采集K帧，计算各敏感薄膜的平均颜色，同时温度传感器模块检测环境温度，L的取值范围为10≤L≤60，K的取值范围为K≥3。待反应平衡后，根据标定得到的温度修正吸附等温线模型，计算敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜测得的氨气浓度，取这些氨气浓度的平均值作为氨气浓度的实际检测结果。采用上述技术方案，通过屏幕颜色控制，产生与敏感薄膜吸收光谱谱形接近的透射式照明光源，使敏感薄膜吸收光谱的轻微变化就会导致较大的薄膜颜色改变，而且可以减小镜面反射产生的颜色测量误差，显著地提高了检测灵敏度。进一步优化为：对于矩形薄膜或薄膜中的一块矩形区域，敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三种颜色分量的计算方法为：式中，K为连续拍摄的K帧图像，K≥3；(x0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：包括壳体、后盖、检测腔、检测腔后盖、抽气管、真空泵、排气管、发光驱动电路板、发光屏、敏感薄膜阵列、摄像头、检测电路板和显示屏；所述壳体与所述后盖适配，所述壳体的上部设有安装面板，所述真空泵的底面与所述安装面板的上表面连接，所述安装面板的下表面与所述摄像头的上表面连接；/n所述检测腔位于所述壳体的中部位置，所述接检测腔的开口端面与所述检测腔后盖适配；所述检测腔的上壁开有摄像头拍摄孔，所述检测腔的下壁正对所述摄像头的位置安装有所述敏感薄膜阵列，所述检测腔和所述壳体的两个侧面同轴开设有进气孔；/n所述抽气管的一端穿过所述检测腔的上壁进入所述检测腔中，所述抽气管的中部穿过所述安装面板，所述抽气管的另一端与所述真空泵的入口连接，所述真空泵的出口与所述排气管的一端连接，所述排气管的另一端与所述后盖连接；/n所述发光屏的上表面与所述检测腔的底壁外表面连接；所述发光屏驱动电路板与所述发光屏层叠连接，所述发光屏驱动电路板安装在所述壳体内下部；/n所述检测电路板包括电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口；所述电源模块、所述处理器模块、所述温度传感器模块、所述真空泵驱动模块、所述摄像头驱动模块、所述显示屏驱动模块以及所述发光屏信号接口分别与所述检测电路板电连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：包括壳体、后盖、检测腔、检测腔后盖、抽气管、真空泵、排气管、发光驱动电路板、发光屏、敏感薄膜阵列、摄像头、检测电路板和显示屏；所述壳体与所述后盖适配，所述壳体的上部设有安装面板，所述真空泵的底面与所述安装面板的上表面连接，所述安装面板的下表面与所述摄像头的上表面连接；
所述检测腔位于所述壳体的中部位置，所述接检测腔的开口端面与所述检测腔后盖适配；所述检测腔的上壁开有摄像头拍摄孔，所述检测腔的下壁正对所述摄像头的位置安装有所述敏感薄膜阵列，所述检测腔和所述壳体的两个侧面同轴开设有进气孔；
所述抽气管的一端穿过所述检测腔的上壁进入所述检测腔中，所述抽气管的中部穿过所述安装面板，所述抽气管的另一端与所述真空泵的入口连接，所述真空泵的出口与所述排气管的一端连接，所述排气管的另一端与所述后盖连接；
所述发光屏的上表面与所述检测腔的底壁外表面连接；所述发光屏驱动电路板与所述发光屏层叠连接，所述发光屏驱动电路板安装在所述壳体内下部；
所述检测电路板包括电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口；所述电源模块、所述处理器模块、所述温度传感器模块、所述真空泵驱动模块、所述摄像头驱动模块、所述显示屏驱动模块以及所述发光屏信号接口分别与所述检测电路板电连接。


2.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述检测腔和所述检测腔后盖均采用非极性材料制成。


3.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述检测腔和所述检测腔后盖的内表面均光滑。


4.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述检测腔后盖与所述检测腔的开口端面通过密封圈密封连接；所述抽气管与所述检测腔的上壁穿孔通过密封圈密封连接；所述发光屏的上表面与所述检测腔的底壁外表面通过密封垫圈密封连接；所述摄像头的镜头端面与所述检测腔的上壁外表面密封连接。


5.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述进气孔内置不透光的防尘滤网。


6.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述发光屏驱动电路板和所述发光屏选用24位真彩色显示的一体化TFTLCD模块。


7.一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)色度学氨气检测仪的标定
通过颜色匹配实验确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐忠林，
申请(专利权)人：陕西工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61