微型阵列式有毒气体检测仪 【技术领域】
本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种微型阵列式有毒气体检测仪。
背景技术
沙林、梭曼、光气都是剧毒气体，0.01毫克就可以致人死命。在应对一些突发性毒气泄漏事件、反恐防恐，以及现代高技术局部战争的生化袭击中，对这些剧毒气体微小含量的快速检测显得特别重要。
目前国外已发展了许多气体检测技术，如红外光谱检测、多通道光路技术、智能节点和现场总线多信息融合技术等，使得气体检测仪在精度、灵敏度以及稳定性方面都有很大改进。但就目前而言，国内生产的气体检测仪利用催化燃烧/电化学方式进行检测的检测器居多，检测范围一般在ppm(百万分之一)级别，检测方法较为单一，响应时间较长，精度不高，在对微小含量的剧毒气体的检测方面存在较大的不足。
【发明内容】
现代化学知识已经证明金属卟啉对气体分子有识别作用，当气体分子和金属卟啉接触后，金属卟啉的吸收光谱发生改变，因此表面呈现颜色变化。
根据色度学基本知识，任意一种颜色都可以看成是红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色的线性组合。在颜色匹配中，与待测色达到色匹配时所需要的三基色的数量，称为三刺激值。一种颜色与一组三刺激值相对应，颜色感觉可以通过三刺激值来定量表示。
根据该原理，本发明主要利用金属卟啉沉积制成气敏传感阵列，使被测气体与该气敏传感阵列相接触，当被测气体中的沙林、光气等有毒气体与金属卟啉发生反应后，原本无色透明的气敏传感器的三基色信息会发生相应的改变，毒气浓度越高颜色改变就越大，这种颜色的变化与浓度具有一一对应的关系。入射光(白光)通过大芯径光纤照射到气敏传感器阵列上，透射光因部分光波长被气敏传感器吸收而呈现不同的颜色，通过用彩色线阵CCD采集透射光的三刺激值信息，与数据库中的先测定值进行比对，就可以很快地测得与之对应的毒气浓度。
本发明的目的是提供一种微型阵列式有毒气体检测仪，所述微型阵列式有毒气体检测仪包括入射光源系统、气敏传感阵列系统、透射光采集系统和数据分析处理系统；
所述气敏传感阵列系统包括一密封舱体，所述密封舱体的内部设置有中间反应腔，所述中间反应腔的内部设置有以金属卟啉为敏感物质的气敏传感器组成的气敏传感器阵列板，所述中间反应腔的两侧设置有进气口与出气口，所述入射光源系统发出的入射光通过多路光纤通道I射入中间反应腔的内部，所述多路光纤通道I的入射方向与气敏传感器阵列对应设置，所述入射光通过气敏传感器阵列板后，经由设置在气敏传感器后端的多路光纤通道II进入透射光采集系统，所述透射光采集系统与数据分析处理系统相联接，所述透射光采集系统将采集到的透射光信号送入数据分析处理系统进行分析处理。
进一步，所述入射光源系统包括光源和透镜装置，所述透镜装置设置在光源与多路光纤通道I的进光口之间；
进一步，所述气敏传感阵列系统的密封舱体为分体式设计，包括舱体I、舱体II和上端盖，所述舱体I位于入射光源系统一侧，所述舱体II位于透射光采集系统一侧，所述舱体I与舱体II扣合后通过上端盖固定形成密封舱体，所述中间反应腔设置在密封舱体的内部，所述检测舱的内部设置有用于固定气敏传感器阵列的固定座，所述中间反应腔的两侧分别对称设置有左、右缓冲腔，所述左、右缓冲腔分别通过至少一个连接通道与中间反应腔相通，其中，所述左缓冲腔与进气口相通，用于向中间反应腔通入待检测气体，所述右缓冲腔与出气口相通，用于排出中间缓冲腔内部的气体；
进一步，所述舱体I、舱体II和上端盖相互结合的部位均设置有O型密封圈；
进一步，所述气敏传感阵列板包括透光基层，所述透光基层上沉积多种金属卟啉气敏传感膜层形成气敏传感阵列，所述透光基层上设置有非金属材质阵列保护盖，所述非金属材质阵列保护盖位于气敏传感阵列的上方且在盖体的两侧开设有供待检测气体流通的槽孔，所述非金属材质阵列保护盖的面板上设置有多个入射通光孔，所述入射通光孔的数量与金属卟啉气敏传感膜层的数量相同且位置对应；
进一步，所述气敏传感阵列保护盖的盖体采用弧面流线形设计；
进一步，所述透射光采集系统包括彩色线阵CCD，所述彩色线阵CCD通过数据传输线与数据分析处理系统相联接；
进一步，所述数据分析处理系统包括信号预处理电路、微处理器、CCD驱动电路、主机和外接输入输出设备，所述信号预处理电路的信号输入端通过数据传输线与彩色线阵CCD的信号输出端相联，所述信号预处理电路的信号输出端与微处理器的信号输入端相连，所述微处理器与主机之间通过串行通信互联，所述微处理器通过CCD驱动电路实现对彩色线阵CCD的驱动，所述微处理器通过I/O口与外部输入输出设备相联接。
进一步，所述微型阵列式有毒气体检测仪还包括气体抽吸泵，所述气体抽吸泵的进气通道与中间反应腔的出气口相通，所述气体抽吸泵与微处理器控制连接；
进一步，所述多路光纤通道I为大芯径光纤，所述多路光纤通道II为小芯径光纤。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用气敏传感器与毒气反应后会呈现不同的颜色，对入射光部分光谱吸收，因此透射光的颜色也会发生相应改变的原理来进行设计，主要包括了入射光源系统、气敏传感阵列系统、透射光采集系统和数据分析处理系统，其中气敏传感阵列系统采用密封舱设计，其密封效果好，装卸方便，稳定性高，结构设计合理；透射光采集系统采用彩色线阵CCD，具有良好的灵敏度和光电转换特性；数据分析处理系统以微处理器为核心器件，组成完善的部件控制、数据接收、处理及分析系统，其自动化程度高，分析速度快，结果准确；
2.本发明结构紧凑、体积较小、灵敏度高，特别适合于微小含量剧毒气体的快速检测场合的使用，具有良好的推广前景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明地目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
【附图说明】
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的光路系统原理示意图；
图3为透射光照射到CCD表面的光路示意图；
图4为本发明的气敏传感阵列板结构示意图；
图5为本发明的密封舱体结构示意图；
图6为本发明的数据处理分析系统的连接原理框图。
【具体实施方式】
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的微型阵列式有毒气体检测仪，包括入射光源系统1、气敏传感阵列系统2、透射光采集系统3和数据分析处理系统4；
气敏传感阵列系统2包括一密封舱体21，密封舱体21的内部设置有中间反应腔22，中间反应腔22的内部设置有以金属卟啉为敏感物质的气敏传感器阵列板23，中间反应腔22的两侧设置有进气口与出气口，入射光源系统1发出的入射光通过多路光纤通道I5射入中间反应腔22的内部，多路光纤通道I5的入射方向与气敏传感器阵列板23对应设置，入射光通过气敏传感器阵列板23后，经由设置在气敏传感器阵列板23后端的多路光纤通道II6进入透射光采集系统3，透射光采集系统3与数据分析处理系统4相联接，透射光采集系统3将采集到的透射光信号送入数据分析处理系统4进行分析处理。
其中，入射光源系统1包括光源11和透镜装置12，透镜装置12设置在光源11与多路光纤通道I5的进光口之间，本实施例中，光源11采用卤钨灯光源。
透射光采集系统3包括彩色线阵CCD31，彩色线阵CCD31通过数据传输线与数据分析处理系统4相联接。
如图2所示，该图表示出本发明的光路系统的结构原理，光源11通过多路光纤通道I5(本实施例中采用φ3mm的大芯径光纤)照射到气敏传感阵列板23上。由于气敏传感阵列板23上的敏感膜与毒气反应后会呈现不同的颜色，对入射光部分光谱吸收，因此透射光的颜色也会发生相应的改变。用多路光纤通道II6(本实施例中为芯径为φ0.3mm的小芯径光纤)接收透射光，并将透射光排成一线照射在彩色线阵CCD31上。彩色线阵CCD31的三路并行输出信号的幅度即反应了被测透射光三基色的三刺激值。
如图3所示，当透射光照射到CCD表面时，光纤照射到的N个像元处，CCD的R、G、B三路输出信号幅度将出现一个低谷。芯径中心对应的像元，输出幅度最小，此最低点表征了透射光颜色的三刺激值信息，由此可以进一步得到相应的毒气浓度值。
图2中第一束光线作为参考光束，让其全光通过，以校核光源波动以及外界环境变化引起的误差。本系统通过光纤传输，可实现光路转折，大大简化了系统光路设计，从而减小了系统的体积。利用光纤传输，将二维试剂块阵列的颜色信息转化为一维信息，并排传送到线阵CCD的光敏面上，这使得在小尺寸内，利用线阵CCD对毒气浓度进行多种试剂的同时测量成为可能，从而极大的缩短了测量时间，并且减小了由于一种试剂测量带来的随机误差。
气敏传感器阵列板23是本系统的核心部件，如图4所示，气敏传感阵列板23包括透光基层231，透光基层231上通过沉积多种金属卟啉气敏传感膜层形成气敏传感阵列232，本实施例中的气敏传感阵列由9种相互分隔的金属卟啉气敏传感膜层形成的不同气敏传感器233组成，透光基层231上设置有由性质稳定的化学物质制成的非金属材质阵列保护盖234，非金属材质阵列保护盖233位于气敏传感阵列232的上方且在盖体的两侧开设有供待检测气体流通的槽孔，非金属材质阵列保护盖234的面板上设置有多个入射通光孔235，入射通光孔234的数量与金属卟啉气敏传感膜层的数量相同且位置对应。为了使气体流通更加顺畅，减少滞留在反应腔内的气体，非金属材质阵列保护盖234的盖体采用弧面流线形设计。
结合图1和图5所示，气敏传感阵列系统的密封舱体21为分体式设计，包括舱体I 211、舱体II 212和上端盖213，舱体I 211位于入射光源系统1一侧，舱体II 212位于透射光采集系统3一侧，舱体I 211与舱体II 212扣合后通过上端盖213固定形成密封舱体21，中间反应腔22设置在密封舱体21的内部，密封舱体21的内部设置有用于固定气敏传感阵列板23的固定座，中间反应腔22的两侧分别对称设置有左、右缓冲腔，左、右缓冲腔分别通过三个并列的连接通道与中间反应腔相通，其中，左缓冲腔214与进气口24相通，用于向中间反应腔通入待检测气体，右缓冲腔215与出气口25相通，用于排出中间反应腔22内部的气体。
待测气体从进气口24进来后，先充满左缓冲腔214，再通过三个连接通道进入中间反应腔22。中间反应腔22的设计采用弧形设计，这样有利于气体的充入和排除，减少滞留在反应舱内的气体，从而减少测量误差。反应后的气体进入右缓冲腔215，然后通过三个连接通道由出气口25排出。
本发明的密封舱体21采用分体设计、螺栓紧固的方式，减少了制造工艺复杂性，同时便于维修。舱体I、舱体II及上端盖间采用丁腈橡胶O型密封，保证了密封舱的气密性。入射光通过多路光纤通道I 5由舱体I 211表面上的入射光孔进入密封舱体，透射光通过多路光纤通道I 5由舱体II 212表面上的透射光孔进入透射光采集系统3。
本发明的密封舱体21的结构非常方便气敏试剂阵列的装卸，只要拧开螺钉，将端盖取下，就可以将气敏试剂阵列板取出，更换成测量其它毒气的气敏试剂阵列，从而可以测量不同毒气的浓度。
结合图1和图6所示，数据分析处理系统4包括信号预处理电路41、微处理器42、CCD驱动电路43、主机44和外接输入输出设备45，其中，信号预处理电路41的信号输入端通过数据传输线与彩色线阵CCD 31的信号输出端相联，信号预处理电路41的信号输出端与微处理器42的信号输入端相连，微处理器42与主机44之间通过串行通信互联，微处理器42通过CCD驱动电路43实现对彩色线阵CCD 31的驱动，微处理器42通过I/O口与外部输入输出设备45(本实施例中包括键盘和显示器)相联接。
为实现待测气体的自控抽吸，本发明的微型阵列式有毒气体检测仪还包括气体抽吸泵7，气体抽吸泵7的进气通道与中间反应腔22的出气口相通，气体抽吸泵7与微处理器42控制连接。
本发明用彩色线阵CCD捕获气敏传感器阵列的颜色信息，经过滤波等预处理后，再经A/D转换送到微处理器进行数据处理，最后将测量结果发送和显示在液晶屏上。
如图6所示，本实施例选用的微处理器为C8051F021，其包括一个9通道的可编程模拟多路选择器，一个可编程增益放大器和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，可以通过软件编程实现A/D转换。同时C8051F021可通过I/O口实现与液晶显示及键盘的连接，通过UART0实现与主机的RS-232全双工方式通信。
鉴于CCD对驱动脉冲的高频率和高稳定性的要求，采用单片机与外部数字电路相结合的方法驱动CCD。由单片机系统时钟分频作为CCD驱动时钟，用软件编程产生CCD起始脉冲。可以通过软件设置CCD采集的频率、起始时间和采集次数，具有调试方便和在线调整驱动频率的特点。通过结合数字门电路及时序电路构建驱动时序电路，克服了单片机驱动造成的微处理器资源浪费和时序不均的问题，可以获得稳定的高速驱动脉冲。
本发明的检测仪的数据处理分两步进行：
1.寻峰：在进行毒气浓度分析之前，先要对采集到的数字量进行预处理，找到光纤芯处所对应的CCD输出信号的峰值，具体是通过程序对三基色数据沿像素从左到右扫描，找出每个光纤照射点对应的值，即找出三基色数据中9个最低峰；
2.插值求取毒气浓度：插值求取毒气浓度就是在进行毒气浓度测量之前，先对标准浓度的毒气所对应的数字量进行存储，建立一个数据库，并以此作为基准。当测得被测浓度的毒气所对应的三基色的数字量之后，以此数字量和基准进行比对，找出其中最为接近的标准浓度，则以此浓度来表征被测毒气的浓度，得到准确结果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。