專利名稱：微型陣列式有毒氣體檢測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣體檢測領域，特別涉及一種微型陣列式有毒氣體檢測儀。
背景技術：
沙林、梭曼、光氣都是劇毒氣體，0.01毫克就可以致人死命。在應對一些突發性毒 氣泄漏事件、反恐防恐，以及現代高技術局部戰爭的生化襲擊中，對這些劇毒氣體微小含量 的快速檢測顯得特別重要。 目前國外已發展了許多氣體檢測技術，如紅外光譜檢測、多通道光路技術、智能節 點和現場總線多信息融合技術等，使得氣體檢測儀在精度、靈敏度以及穩定性方面都有很 大改進。但就目前而言，國內生產的氣體檢測儀利用催化燃燒/電化學方式進行檢測的檢 測器居多，檢測范圍一般在ppm(百萬分之一)級別，檢測方法較為單一，響應時間較長，精 度不高，在對微小含量的劇毒氣體的檢測方面存在較大的不足。
發明內容
現代化學知識已經證明金屬卟啉對氣體分子有識別作用，當氣體分子和金屬卟啉 接觸后，金屬卟啉的吸收光譜發生改變，因此表面呈現顏色變化。 根據色度學基本知識，任意一種顏色都可以看成是紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色的
線性組合。在顏色匹配中，與待測色達到色匹配時所需要的三基色的數量，稱為三剌激值。
一種顏色與一組三剌激值相對應，顏色感覺可以通過三剌激值來定量表示。 根據該原理，本發明主要利用金屬卟啉沉積制成氣敏傳感陣列，使被測氣體與該
氣敏傳感陣列相接觸，當被測氣體中的沙林、光氣等有毒氣體與金屬卟啉發生反應后，原本
無色透明的氣敏傳感器的三基色信息會發生相應的改變，毒氣濃度越高顏色改變就越大，
這種顏色的變化與濃度具有一一對應的關系。入射光(白光)通過大芯徑光纖照射到氣敏
傳感器陣列上，透射光因部分光波長被氣敏傳感器吸收而呈現不同的顏色，通過用彩色線
陣CCD采集透射光的三剌激值信息，與數據庫中的先測定值進行比對，就可以很快地測得
與之對應的毒氣濃度。 本發明的目的是提供一種微型陣列式有毒氣體檢測儀，所述微型陣列式有毒氣體
檢測儀包括入射光源系統、氣敏傳感陣列系統、透射光采集系統和數據分析處理系統； 所述氣敏傳感陣列系統包括一密封艙體，所述密封艙體的內部設置有中間反應
腔，所述中間反應腔的內部設置有以金屬卟啉為敏感物質的氣敏傳感器組成的氣敏傳感器
陣列板，所述中間反應腔的兩側設置有進氣口與出氣口 ，所述入射光源系統發出的入射光
通過多路光纖通道I射入中間反應腔的內部，所述多路光纖通道I的入射方向與氣敏傳感
器陣列對應設置，所述入射光通過氣敏傳感器陣列板后，經由設置在氣敏傳感器后端的多
路光纖通道II進入透射光采集系統，所述透射光采集系統與數據分析處理系統相聯接，所
述透射光采集系統將采集到的透射光信號送入數據分析處理系統進行分析處理。 進一步，所述入射光源系統包括光源和透鏡裝置，所述透鏡裝置設置在光源與多路光纖通道I的進光口之間； 進一步，所述氣敏傳感陣列系統的密封艙體為分體式設計，包括艙體1、艙體II和 上端蓋，所述艙體I位于入射光源系統一側，所述艙體II位于透射光采集系統一側，所述艙 體I與艙體II扣合后通過上端蓋固定形成密封艙體，所述中間反應腔設置在密封艙體的內 部，所述檢測艙的內部設置有用于固定氣敏傳感器陣列的固定座，所述中間反應腔的兩側 分別對稱設置有左、右緩沖腔，所述左、右緩沖腔分別通過至少一個連接通道與中間反應腔 相通，其中，所述左緩沖腔與進氣口相通，用于向中間反應腔通入待檢測氣體，所述右緩沖 腔與出氣口相通，用于排出中間緩沖腔內部的氣體； 進一步，所述艙體1、艙體II和上端蓋相互結合的部位均設置有0型密封圈； 進一步，所述氣敏傳感陣列板包括透光基層，所述透光基層上沉積多種金屬卟啉
氣敏傳感膜層形成氣敏傳感陣列，所述透光基層上設置有非金屬材質陣列保護蓋，所述非
金屬材質陣列保護蓋位于氣敏傳感陣列的上方且在蓋體的兩側開設有供待檢測氣體流通
的槽孔，所述非金屬材質陣列保護蓋的面板上設置有多個入射通光孔，所述入射通光孔的
數量與金屬卟啉氣敏傳感膜層的數量相同且位置對應； 進一步，所述氣敏傳感陣列保護蓋的蓋體采用弧面流線形設計； 進一步，所述透射光采集系統包括彩色線陣CCD，所述彩色線陣CCD通過數據傳輸
線與數據分析處理系統相聯接； 進一步，所述數據分析處理系統包括信號預處理電路、微處理器、CCD驅動電路、
主機和外接輸入輸出設備，所述信號預處理電路的信號輸入端通過數據傳輸線與彩色線陣
CCD的信號輸出端相聯，所述信號預處理電路的信號輸出端與微處理器的信號輸入端相連，
所述微處理器與主機之間通過串行通信互聯，所述微處理器通過CCD驅動電路實現對彩色
線陣CCD的驅動，所述微處理器通過I/O 口與外部輸入輸出設備相聯接。 進一步，所述微型陣列式有毒氣體檢測儀還包括氣體抽吸泵，所述氣體抽吸泵的
進氣通道與中間反應腔的出氣口相通，所述氣體抽吸泵與微處理器控制連接； 進一步，所述多路光纖通道I為大芯徑光纖，所述多路光纖通道II為小芯徑光纖。 本發明的有益效果是 1.本發明利用氣敏傳感器與毒氣反應后會呈現不同的顏色，對入射光部分光譜吸 收，因此透射光的顏色也會發生相應改變的原理來進行設計，主要包括了入射光源系統、氣 敏傳感陣列系統、透射光采集系統和數據分析處理系統，其中氣敏傳感陣列系統采用密封 艙設計，其密封效果好，裝卸方便，穩定性高，結構設計合理；透射光采集系統采用彩色線陣 CCD，具有良好的靈敏度和光電轉換特性；數據分析處理系統以微處理器為核心器件，組成 完善的部件控制、數據接收、處理及分析系統，其自動化程度高，分析速度快，結果準確；
2.本發明結構緊湊、體積較小、靈敏度高，特別適合于微小含量劇毒氣體的快速檢 測場合的使用，具有良好的推廣前景。 本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進
一步的詳細描述，其中 圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為本發明的光路系統原理示意圖； 圖3為透射光照射到CCD表面的光路示意圖； 圖4為本發明的氣敏傳感陣列板結構示意圖； 圖5為本發明的密封艙體結構示意圖； 圖6為本發明的數據處理分析系統的連接原理框圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例 僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。 如圖1所示，本發明的微型陣列式有毒氣體檢測儀，包括入射光源系統1、氣敏傳 感陣列系統2、透射光采集系統3和數據分析處理系統4 ; 氣敏傳感陣列系統2包括一密封艙體21，密封艙體21的內部設置有中間反應腔
22，中間反應腔22的內部設置有以金屬卟啉為敏感物質的氣敏傳感器陣列板23，中間反應
腔22的兩側設置有進氣口與出氣口，入射光源系統1發出的入射光通過多路光纖通道15
射入中間反應腔22的內部，多路光纖通道I5的入射方向與氣敏傳感器陣列板23對應設
置，入射光通過氣敏傳感器陣列板23后，經由設置在氣敏傳感器陣列板23后端的多路光纖
通道116進入透射光采集系統3，透射光采集系統3與數據分析處理系統4相聯接，透射光
采集系統3將采集到的透射光信號送入數據分析處理系統4進行分析處理。 其中，入射光源系統1包括光源11和透鏡裝置12，透鏡裝置12設置在光源11與
多路光纖通道15的進光口之間，本實施例中，光源11采用鹵鴇燈光源。 透射光采集系統3包括彩色線陣CCD31 ，彩色線陣CCD31通過數據傳輸線與數據分
析處理系統4相聯接。 如圖2所示，該圖表示出本發明的光路系統的結構原理，光源11通過多路光纖通 道I5(本實施例中采用小3mm的大芯徑光纖)照射到氣敏傳感陣列板23上。由于氣敏傳 感陣列板23上的敏感膜與毒氣反應后會呈現不同的顏色，對入射光部分光譜吸收，因此透 射光的顏色也會發生相應的改變。用多路光纖通道II6(本實施例中為芯徑為小0.3mm的 小芯徑光纖)接收透射光，并將透射光排成一線照射在彩色線陣CCD31上。彩色線陣CCD31 的三路并行輸出信號的幅度即反應了被測透射光三基色的三剌激值。 如圖3所示，當透射光照射到CCD表面時，光纖照射到的N個像元處，CCD的R、 G、
B三路輸出信號幅度將出現一個低谷。芯徑中心對應的像元，輸出幅度最小，此最低點表征
了透射光顏色的三剌激值信息，由此可以進一步得到相應的毒氣濃度值。 圖2中第一束光線作為參考光束，讓其全光通過，以校核光源波動以及外界環境
變化引起的誤差。本系統通過光纖傳輸，可實現光路轉折，大大簡化了系統光路設計，從而
減小了系統的體積。利用光纖傳輸，將二維試劑塊陣列的顏色信息轉化為一維信息，并排傳
送到線陣CCD的光敏面上，這使得在小尺寸內，利用線陣CCD對毒氣濃度進行多種試劑的同時測量成為可能，從而極大的縮短了測量時間，并且減小了由于一種試劑測量帶來的隨機 誤差。 氣敏傳感器陣列板23是本系統的核心部件，如圖4所示，氣敏傳感陣列板23包 括透光基層231，透光基層231上通過沉積多種金屬卟啉氣敏傳感膜層形成氣敏傳感陣列 232，本實施例中的氣敏傳感陣列由9種相互分隔的金屬卟啉氣敏傳感膜層形成的不同氣 敏傳感器233組成，透光基層231上設置有由性質穩定的化學物質制成的非金屬材質陣列 保護蓋234，非金屬材質陣列保護蓋233位于氣敏傳感陣列232的上方且在蓋體的兩側開設 有供待檢測氣體流通的槽孔，非金屬材質陣列保護蓋234的面板上設置有多個入射通光孔 235，入射通光孔234的數量與金屬卟啉氣敏傳感膜層的數量相同且位置對應。為了使氣體 流通更加順暢，減少滯留在反應腔內的氣體，非金屬材質陣列保護蓋234的蓋體采用弧面 流線形設計。 結合圖1和圖5所示，氣敏傳感陣列系統的密封艙體21為分體式設計，包括艙體 I 211、艙體11 212和上端蓋213，艙體I 211位于入射光源系統1 一側，艙體II 212位于 透射光采集系統3 —側，艙體I 211與艙體II 212扣合后通過上端蓋213固定形成密封艙 體21，中間反應腔22設置在密封艙體21的內部，密封艙體21的內部設置有用于固定氣敏 傳感陣列板23的固定座，中間反應腔22的兩側分別對稱設置有左、右緩沖腔，左、右緩沖腔 分別通過三個并列的連接通道與中間反應腔相通，其中，左緩沖腔214與進氣口 24相通，用 于向中間反應腔通入待檢測氣體，右緩沖腔215與出氣口 25相通，用于排出中間反應腔22 內部的氣體。 待測氣體從進氣口 24進來后，先充滿左緩沖腔214，再通過三個連接通道進入中 間反應腔22。中間反應腔22的設計采用弧形設計，這樣有利于氣體的充入和排除，減少滯 留在反應艙內的氣體，從而減少測量誤差。反應后的氣體進入右緩沖腔215，然后通過三個 連接通道由出氣口 25排出。 本發明的密封艙體21采用分體設計、螺栓緊固的方式，減少了制造工藝復雜性，
同時便于維修。艙體1、艙體II及上端蓋間采用丁腈橡膠0型密封，保證了密封艙的氣密
性。入射光通過多路光纖通道I 5由艙體I 211表面上的入射光孔進入密封艙體，透射光
通過多路光纖通道I 5由艙體II 212表面上的透射光孔進入透射光采集系統3。 本發明的密封艙體21的結構非常方便氣敏試劑陣列的裝卸，只要擰開螺釘，將端
蓋取下，就可以將氣敏試劑陣列板取出，更換成測量其它毒氣的氣敏試劑陣列，從而可以測
量不同毒氣的濃度。 結合圖1和圖6所示，數據分析處理系統4包括信號預處理電路41、微處理器42、 CCD驅動電路43、主機44和外接輸入輸出設備45，其中，信號預處理電路41的信號輸入端 通過數據傳輸線與彩色線陣CCD 31的信號輸出端相聯，信號預處理電路41的信號輸出端 與微處理器42的信號輸入端相連，微處理器42與主機44之間通過串行通信互聯，微處理 器42通過CCD驅動電路43實現對彩色線陣CCD 31的驅動，微處理器42通過I/O 口與外 部輸入輸出設備45 (本實施例中包括鍵盤和顯示器)相聯接。 為實現待測氣體的自控抽吸，本發明的微型陣列式有毒氣體檢測儀還包括氣體抽 吸泵7，氣體抽吸泵7的進氣通道與中間反應腔22的出氣口相通，氣體抽吸泵7與微處理器 42控制連接。
本發明用彩色線陣CCD捕獲氣敏傳感器陣列的顏色信息，經過濾波等預處理后， 再經A/D轉換送到微處理器進行數據處理，最后將測量結果發送和顯示在液晶屏上。
如圖6所示，本實施例選用的微處理器為C8051F021，其包括一個9通道的可編程 模擬多路選擇器，一個可編程增益放大器和一個100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器 型ADC，可以通過軟件編程實現A/D轉換。同時C8051F021可通過I/0 口實現與液晶顯示及 鍵盤的連接，通過UARTO實現與主機的RS-232全雙工方式通信。 鑒于CCD對驅動脈沖的高頻率和高穩定性的要求，采用單片機與外部數字電路相 結合的方法驅動CCD。由單片機系統時鐘分頻作為CCD驅動時鐘，用軟件編程產生CCD起始 脈沖。可以通過軟件設置CCD采集的頻率、起始時間和采集次數，具有調試方便和在線調整 驅動頻率的特點。通過結合數字門電路及時序電路構建驅動時序電路，克服了單片機驅動 造成的微處理器資源浪費和時序不均的問題，可以獲得穩定的高速驅動脈沖。
本發明的檢測儀的數據處理分兩步進行 1.尋峰在進行毒氣濃度分析之前，先要對采集到的數字量進行預處理，找到光 纖芯處所對應的CCD輸出信號的峰值，具體是通過程序對三基色數據沿像素從左到右掃 描，找出每個光纖照射點對應的值，即找出三基色數據中9個最低峰； 2.插值求取毒氣濃度插值求取毒氣濃度就是在進行毒氣濃度測量之前，先對標 準濃度的毒氣所對應的數字量進行存儲，建立一個數據庫，并以此作為基準。當測得被測濃 度的毒氣所對應的三基色的數字量之后，以此數字量和基準進行比對，找出其中最為接近 的標準濃度，則以此濃度來表征被測毒氣的濃度，得到準確結果。 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述微型陣列式有毒氣體檢測儀包括入射光源系統、氣敏傳感陣列系統、透射光采集系統和數據分析處理系統；所述氣敏傳感陣列系統包括一密封艙體，所述密封艙體的內部設置有中間反應腔，所述中間反應腔的內部設置有以金屬卟啉為敏感物質的氣敏傳感器組成的氣敏傳感器陣列板，所述中間反應腔的兩側設置有進氣口與出氣口，所述入射光源系統發出的入射光通過多路光纖通道I射入中間反應腔的內部，所述多路光纖通道I的入射方向與氣敏傳感器陣列對應設置，所述入射光通過氣敏傳感器陣列板后，經由設置在氣敏傳感器后端的多路光纖通道II進入透射光采集系統，所述透射光采集系統與數據分析處理系統相聯接，所述透射光采集系統將采集到的透射光信號送入數據分析處理系統進行分析處理。
2. 根據權利要求1所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述入射光源系 統包括光源和透鏡裝置，所述透鏡裝置設置在光源與多路光纖通道I的進光口之間。
3. 根據權利要求2所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述氣敏傳感陣 列系統的密封艙體為分體式設計，包括艙體1、艙體II和上端蓋，所述艙體I位于入射光源 系統一側，所述艙體II位于透射光采集系統一側，所述艙體I與艙體II扣合后通過上端蓋 固定形成密封艙體，所述中間反應腔設置在密封艙體的內部，所述檢測艙的內部設置有用 于固定氣敏傳感器陣列的固定座，所述中間反應腔的兩側分別對稱設置有左、右緩沖腔，所 述左、右緩沖腔分別通過至少一個連接通道與中間反應腔相通，其中，所述左緩沖腔與進氣 口相通，用于向中間反應腔通入待檢測氣體，所述右緩沖腔與出氣口相通，用于排出中間緩 沖腔內部的氣體。
4. 根據權利要求3所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述艙體1、艙體 II和上端蓋相互結合的部位均設置有0型密封圈。
5. 根據權利要求4所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述氣敏傳感陣 列板包括透光基層，所述透光基層上沉積多種金屬卟啉氣敏傳感膜層形成氣敏傳感陣列， 所述透光基層上設置有非金屬材質陣列保護蓋，所述非金屬材質陣列保護蓋位于氣敏傳感 陣列的上方且在蓋體的兩側開設有供待檢測氣體流通的槽孔，所述非金屬材質陣列保護蓋 的面板上設置有多個入射通光孔，所述入射通光孔的數量與金屬卟啉氣敏傳感膜層的數量 相同且位置對應。
6. 根據權利要求5所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述氣敏傳感陣 列保護蓋的蓋體采用弧面流線形設計。
7. 根據權利要求6所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述透射光采集系統包括彩色線陣CCD，所述彩色線陣CCD通過數據傳輸線與數據分析處理系統相聯接。
8. 根據權利要求7所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述數據分析處 理系統包括信號預處理電路、微處理器、CCD驅動電路、主機和外接輸入輸出設備，所述信號 預處理電路的信號輸入端通過數據傳輸線與彩色線陣CCD的信號輸出端相聯，所述信號預 處理電路的信號輸出端與微處理器的信號輸入端相連，所述微處理器與主機之間通過串行 通信互聯，所述微處理器通過CCD驅動電路實現對彩色線陣CCD的驅動，所述微處理器通過 I/O 口與外部輸入輸出設備相聯接。
9. 根據權利要求8所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述微型陣列式 有毒氣體檢測儀還包括氣體抽吸泵，所述氣體抽吸泵的進氣通道與中間反應腔的出氣口相通，所述氣體抽吸泵與微處理器控制連接。
10.根據權利要求9所述的微型陣列式有毒氣體檢測儀，其特征在于所述多路光纖通 道I為大芯徑光纖，所述多路光纖通道II為小芯徑光纖。
全文摘要
本發明公開了一種微型陣列式有毒氣體檢測儀，利用氣敏傳感器與毒氣反應后會呈現不同的顏色，對入射光部分光譜吸收，因此透射光的顏色也會發生相應改變的原理來進行設計，主要包括了入射光源系統、氣敏傳感陣列系統、透射光采集系統和數據分析處理系統，其中氣敏傳感陣列系統采用密封艙設計，其密封效果好，裝卸方便，穩定性高，結構設計合理；透射光采集系統采用彩色線陣CCD，具有良好的靈敏度和光電轉換特性；數據分析處理系統以微處理器為核心器件，組成完善的部件控制、數據接收、處理及分析系統，其自動化程度高，分析速度快，結果準確；本發明結構緊湊、體積小，特別適合微小含量劇毒氣體的快速檢測，具有良好的推廣前景。
文檔編號G01N21/31GK101726465SQ20091025099
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者廖海洋 申請人:重慶大學