一种恶臭有毒气体光电检测笔及方法技术

本发明专利技术公开了一种恶臭有毒气体光电检测笔，包括壳体、检测电路板、光电气体传感器、电气连接件以及笔帽。光电气体传感器包括支架、补光LED、发射LED、检测LED、气敏薄膜以及精密电容。补光LED和发射LED发光面均向下，并排安装在支架的上部下表面。检测LED发光面向上，和精密电容并联且并排安装在支架的下部上表面。利用气敏薄膜在恶臭有毒气体作用下吸收光谱的变化对因发射LED的透光照射而在检测LED内产生的反向光电流的调制作用进行气体检测，通过补光LED进行二次测量补偿环境因素对测量结果的影响。结构小巧，成本低廉，功耗低微，检测准确。还公开了一种恶臭有毒气体光电检测方法，可以显著降低传感器的成本、功耗和体积。

【技术实现步骤摘要】
一种恶臭有毒气体光电检测笔及方法
本专利技术涉及气体检测
，尤其涉及一种恶臭有毒气体光电检测笔及方法。
技术介绍
恶臭有毒气体是指一切损害生活环境的气体物质，轻则刺激嗅觉器官，引起人们不愉快的感官体验；重则损害身体健康，造成重大的生命财产损失。在国标《恶臭污染物排放标准》(GB14554-1993)中，规定了氨气(NH3)等八种典型恶臭污染气体的排放标准，这些气体均为有毒气体；在国标《工业场所有害因素职业接触限值》(GBZ2-2002)中，对包括氨气等八种恶臭有毒气体在内的几百种有毒气体在工作场所环境空气中的容许浓度进行了规定，比如规定对氨气15分钟短暂接触浓度不能超过30mg/m3，8小时平均接触浓度不超过20mg/m3。恶臭有毒气体按分子构成可以大致分为碳氢化合物和含氮、含硫、含氧的无机气体或挥发性有机化合物，其中含氮、含硫气体的种类最多，感官刺激性相对较大，毒性相对较强。此类含氮、含硫恶臭有毒气体主要产生于有机物的腐化分解，广泛存在于地质涵洞、能源矿井、城市下水道、垃圾填埋场、食品加工储运场所和动物排泄物中，是恶臭污染气体控制和监测的主要对象。对部分恶臭有毒气体，国家标准还规定了相应的检测方法，如GB/T14676规定了三甲胺测量的气相色谱法；GB/T14679规定了二硫化碳测量的分光光度法等。这些方法均为离线的实验室化学分析方法，设备昂贵，过程复杂，专业性强，不适合恶臭有毒气体的实时、实地、在线和直观检测，此类应用通常采用气体传感器。目前常用的能够对恶臭有毒气体进行广谱检测的传感器主要有金属氧化物传感器、电化学传感器和光电离传感器。其中，金属氧化物传感器利用气体的氧化还原特性对半导体金属导电能力的影响来检测气体，价格适中，应用广泛；电化学传感器利用气体在电极上的电化学反应引起的电参数变化来检测气体，价格较高，应用较多；光电离传感器利用光子能量对气体电子的电离效应引起的电参数变化来检测气体，价格昂贵，应用较少。这些气体传感器用于恶臭有毒气体检测普遍存在以下问题：一是选择性不强，对含氮、含硫气体等主要恶臭有毒气体的敏感程度相对于其他气体没有显著优势；二是对检测电路的要求较高，均需要设计模拟信号检测电路和模数转换电路以便与处理器接口；三是功耗较大，传感器功耗通常在几百毫瓦以上，不适合用作无线传感器节点。
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恶臭有毒气体光电检测笔及方法，通过气敏薄膜对一对LED(LightEmittingDiode，发光二极管)的透射光谱和反向光电流的调制实现对恶臭有毒气体的光电检测。本专利技术的上述技术方案是通过以下方式实现的：一种恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：包括壳体、检测电路板、光电气体传感器、电气连接件以及笔帽。壳体与笔帽适配，形成光电检测笔的完整外壳。壳体的内部分别安装有电气连接件和检测电路板，检测电路板与电气连接件的左端电连接，电气连接件的右端与光电气体传感器连接。电气连接件安装在壳体内部右端开口处，电气连接件的上端与壳体内部上壁连接，电气连接件的下端与壳体内部底壁连接。光电传感器的另一端伸入笔帽内。光电气体传感器包括支架、补光LED、发射LED、检测LED、气敏薄膜以及精密电容。补光LED和发射LED的发光面均向下，并排安装在支架的上部下表面。检测LED的发光面向上，和精密电容并排安装在支架的下部上表面。发射LED面对面位于检测LED的正上方位置，发射LED的发光面覆盖气敏薄膜，气敏薄膜与检测LED之间存在间隙。发射LED用于产生具有特定光谱形态的发射光，发射光经气敏薄膜吸收后形成透射光，照射检测LED。气敏薄膜用于吸附恶臭有毒气体分子，并且在恶臭有毒气体分子的作用下发生吸收光谱的改变，起到改变透射光光谱成分和光谱强度的作用。检测LED在透射光的照射下产生反向光电流。精密电容与检测LED并联连接，精密电容与检测LED的极间分布电容一起形成检测LED的负极和正极之间的极间总电容，并减小因检测LED的极间分布电容误差引起的极间总电容的相对误差。补光LED用于补偿环境光和环境温度等环境因素对测量结果的影响。与现有技术相比，本专利技术的优点是：通过气敏薄膜对一对LED的透射光谱和反向光电流的调制实现光电气体感知，其中发射LED透过气敏薄膜照射反向偏置的检测LED产生光电流，利用气敏薄膜在恶臭有毒气体作用下吸收光谱的变化对此光电流的调制作用进行气体检测，同时通过补光LED在可控的测量时间内补偿环境光和环境温度等环境因素对测量结果的影响。用普通LED代替PD(photo-diode，光电二极管)进行光信号检测，结构小巧，成本低廉，功耗低微，测试准确，可工作在单机便携状态或无线传感器网络节点状态。进一步优化为：光电气体传感器还包括安装引脚，安装引脚的一端埋设在支架内，安装引脚的另一端与电气连接件的右端连接。采用上述技术方案，实现了光电气体传感器在电气连接件上的安装固定和安装引脚与检测电路板之间的电连接。进一步优化为：安装引脚包括第一金属插针、第二金属插针、第三金属插针以及第四金属插针。第一金属插针在支架内的埋入端分别与补光LED的负极、发射LED的负极以及检测LED的正极电连接，第二金属插针在支架内的埋入端与补光LED的正极电连接，第三金属插针在支架内的埋入端与发射LED的正极电连接，第四金属插针在支架内的埋入端与检测LED的负极电连接。采用上述技术方案，实现第一金属插针、第二金属插针、第三金属插针以及第四金属插针与光电气体传感器上各电子部件的对应电连接，起到在光电气体传感器和检测电路板之间传递信号的作用。进一步优化为：发射LED与检测LED的发射光谱部分重叠，补光LED与检测LED的发射光谱部分重叠。采用上述技术方案，实现在发射LED或补光LED的照射下，检测LED内部能够产生反向光电流。进一步优化为：气敏薄膜由透明的薄膜衬底和具有气致变色效应的恶臭有毒气体敏感材料组成，恶臭有毒气体敏感材料选用金属卟啉类化合物。采用上述技术方案，实现气敏薄膜的吸收光谱在恶臭有毒气体的作用下发生改变，提高对含氮、含硫类恶臭有毒气体的检测灵敏度。进一步优化为：所述气敏薄膜在恶臭有毒气体作用下吸收光谱的变化范围位于所述发射LED与所述检测LED的光谱重叠区内。采用上述技术方案，实现气敏薄膜在恶臭有毒气体的作用下，能够通过改变发射LED和检测LED之间的透射光谱来影响检测LED内部的反向光电流大小。进一步优化为：补光LED和发射LED均采用恒流源驱动，补光LED的驱动电流小于发射LED的驱动电流的四分之一。采用上述技术方案，减小光源误差导致的测量结果误差，控制补光LED对测量结果的影响。本专利技术还公开了一种恶臭有毒气体光电检测方法，包括以下步骤：光电气体传感器上的发射LED与检测LED组成光电气体检测LED对。发射LED正向偏置，发射光经气敏薄膜部分吸收后形成透射光，照射检测LED。正向偏置指发射LED的正极电压高于负极电压，电流从发射LED的正极流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：包括壳体、检测电路板、光电气体传感器、电气连接件以及笔帽；所述壳体与所述笔帽适配，形成所述光电检测笔的完整外壳；所述壳体的内部分别安装有电气连接件和检测电路板，所述检测电路板与所述电气连接件的左端电连接，所述电气连接件的右端与所述光电气体传感器连接；所述电气连接件安装在所述壳体内部右端开口处，所述电气连接件的上端与所述壳体内部上壁连接，所述电气连接件的下端与所述壳体内部底壁连接；所述光电传感器的另一端伸入所述笔帽内；/n所述光电气体传感器包括支架、补光LED、发射LED、检测LED、气敏薄膜以及精密电容；所述补光LED和所述发射LED的发光面均向下，并排安装在所述支架的上部下表面；所述检测LED的发光面向上，和所述精密电容并排安装在所述支架的下部上表面；所述发射LED面对面位于所述检测LED的正上方位置，所述发射LED的发光面覆盖所述气敏薄膜，所述气敏薄膜与所述检测LED之间存在间隙；所述发射LED用于产生具有特定光谱形态的发射光，所述发射光经所述气敏薄膜吸收后形成透射光，照射所述检测LED；所述气敏薄膜用于吸附恶臭有毒气体分子，并且在所述恶臭有毒气体分子的作用下发生吸收光谱的改变，起到改变所述透射光光谱成分和光谱强度的作用；所述检测LED在所述透射光的照射下产生反向光电流；所述精密电容与所述检测LED并联连接，所述精密电容与所述检测LED的极间分布电容一起形成所述检测LED的负极和正极之间的极间总电容，并减小因所述检测LED的极间分布电容误差引起的所述极间总电容的相对误差；所述补光LED用于补偿环境光和环境温度等环境因素对测量结果的影响。/n...

【技术特征摘要】
1.一种恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：包括壳体、检测电路板、光电气体传感器、电气连接件以及笔帽；所述壳体与所述笔帽适配，形成所述光电检测笔的完整外壳；所述壳体的内部分别安装有电气连接件和检测电路板，所述检测电路板与所述电气连接件的左端电连接，所述电气连接件的右端与所述光电气体传感器连接；所述电气连接件安装在所述壳体内部右端开口处，所述电气连接件的上端与所述壳体内部上壁连接，所述电气连接件的下端与所述壳体内部底壁连接；所述光电传感器的另一端伸入所述笔帽内；
所述光电气体传感器包括支架、补光LED、发射LED、检测LED、气敏薄膜以及精密电容；所述补光LED和所述发射LED的发光面均向下，并排安装在所述支架的上部下表面；所述检测LED的发光面向上，和所述精密电容并排安装在所述支架的下部上表面；所述发射LED面对面位于所述检测LED的正上方位置，所述发射LED的发光面覆盖所述气敏薄膜，所述气敏薄膜与所述检测LED之间存在间隙；所述发射LED用于产生具有特定光谱形态的发射光，所述发射光经所述气敏薄膜吸收后形成透射光，照射所述检测LED；所述气敏薄膜用于吸附恶臭有毒气体分子，并且在所述恶臭有毒气体分子的作用下发生吸收光谱的改变，起到改变所述透射光光谱成分和光谱强度的作用；所述检测LED在所述透射光的照射下产生反向光电流；所述精密电容与所述检测LED并联连接，所述精密电容与所述检测LED的极间分布电容一起形成所述检测LED的负极和正极之间的极间总电容，并减小因所述检测LED的极间分布电容误差引起的所述极间总电容的相对误差；所述补光LED用于补偿环境光和环境温度等环境因素对测量结果的影响。


2.根据权利要求1所述的恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：所述光电气体传感器还包括安装引脚，所述安装引脚的一端埋设在所述支架内，所述安装引脚的另一端与所述电气连接件的右端连接。


3.根据权利要求2所述的恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：所述安装引脚包括第一金属插针、第二金属插针、第三金属插针以及第四金属插针；所述第一金属插针在所述支架内的埋入端分别与所述补光LED的负极、所述发射LED的负极以及所述检测LED的正极电连接，所述第二金属插针在所述支架内的埋入端与所述补光LED的正极电连接，所述第三金属插针在所述支架内的埋入端与所述发射LED的正极电连接，所述第四金属插针在所述支架内的埋入端与所述检测LED的负极电连接。


4.根据权利要求1所述的恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：所述发射LED与所述检测LED的发射光谱部分重叠，所述补光LED与所述检测LED的发射光谱部分重叠。


5.根据权利要求1所述的恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：所述气敏薄膜由透明的薄膜衬底和具有气致变色效应的恶臭有毒气体敏感材料组成，所述恶臭有毒气体敏感材料选用金属卟啉类化合物。


6.根据权利要求5所述的恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：所述气敏薄膜在恶臭有毒气体作用下吸收光谱的变化范围位于所述发射LED与所述检测LED的光谱重叠区内。


7.根据权利要求1所述的恶臭有毒气体光电检测笔，其特征在于：所述补光LED和所述发射LED均采用恒流源驱动，所述补光LED的驱动电流小于所述发射LED的驱动电流的四分之一。


8.一种恶臭有毒气体光电检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
光电气体传感器上的发射LED与检测LED组成光电气体检测LED对；
所述发射LED正向偏置，发射光经气敏薄膜部分吸收后形成透射光，照射所述检测LED；
所述正向偏置指所述发射LED的正极电压高...

【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