動物實驗室的便攜式環境監測裝置的制作方法

本發明涉及實驗室環境監測裝置，更具體地說，涉及一種動物實驗室的便攜式環境監測裝置。

背景技術：

實驗動物在人工環境中生長、繁殖和接受試驗處理，特定場所及其周圍空間為實驗動物環境，生物醫學研究中，要得到準確、可靠試驗數據，要避免環境因素對動物的生理生化活動不利影響，創造一個良好的試驗動物環境，各項監測指標對動物生活環境起到至關重要的作用。尤為重要的就是空氣潔凈度和顆粒物污染；空氣潔凈度指標針對動物飼養室內部空氣漂浮顆粒物(微生物較多附著在顆粒物上)與有害氣體，主要來源是動物排泄物發酵分解。其中分解物包括氨、甲基硫醇。硫化氫、苯乙烯、乙醛等。動物飼養環境溫度上升、飼養密度增加、通風條件不良、排泄物和墊料未及時處理都會導致氨濃度急劇上升。而氨作為刺激性物質濃度升高時會刺激動物眼結膜。鼻腔粘膜和呼吸道粘膜引起流淚、咳嗽。嚴重者產生急性肺水腫引起動物死亡。長期處于高濃度氨環境下動物上呼吸道出現慢性炎癥，嚴重影響動物健康。顆粒物指標隨顆粒物大小而不同，顆粒物主要來源有兩種途徑：室外空氣經過濾處理不當直接帶入及動物皮毛、皮屑、飼料和墊料等往往被氣流攜帶或動物揚起在空氣中漂浮。對于動物來說，與人類相似，對其影響較大的是直徑小于5μm以下的粉塵，這類粉塵在空氣中漂浮時間久，經呼吸道吸入到達細支氣管與肺泡從而引起呼吸道疾病；顆粒物除本身對動物產生不良影響外，其作為微生物載體對動物健康造成影響更大。

實驗動物設施是連續運行的，各種環境因素一直處在變動之中，也需要經常性的監測和維護。同時實驗動物所處實驗房中各項環境指標要求非常嚴格，各種測量裝置及人員在進入之前都需要進行消毒處理，傳統氨氣測量設備無法直接面對目前的消毒需求。

根據中國醫學科學院醫學實驗動物研究所、北京實驗動物研究中心等機構的實驗動物研究中發現：我國實驗動物的種類多為鼠(大鼠、小鼠、地鼠、豚鼠、免疫缺陷鼠、疾病模型鼠等)、兔、雞、犬、豬、豬(小型豬等)、樹鼩、猴(獼猴等)等，此類實驗動物都具有繁殖能力強、體型較小的特點。同時實驗動物設施是連續運行的，各種環境因素一直處在變動之中，也需要經常性的監測和維護。對試驗動物環境及設施條件,國家有標準化的規定，根據GB 14925-2010《實驗動物環境及設施》規定，檢測項目包括溫度、相對濕度、空氣潔凈度、氨濃度、噪聲、照度和換氣量等。因此其實驗環境必須針對不同動物設有不同標準，從而最大限度降低實驗動物本身對實驗的影響。

現有的測定空氣中氨的化學方法有次氯酸鈉—水楊酸分光光度法、納氏試劑分光光度法、靛酚藍試劑比色法等。這些化學方法測量具有響應時間短、測量靈敏等優點，但是缺點也相當明顯，測量方法及操作步驟繁雜，需要借助專業的實驗室器皿，同時也只能進行單點測量，對于測量檢測系統來說不可取。

傳統的電化學傳感器被一層電解質薄膜分開，并由一個低阻抗的外部電路連通。擴散進入傳感器的氣體在感應電極表面發生氧化或還原反應，在兩電極間產生一個內部電流，電流值對應于氧氣濃度。然而當被測氣體濃度持續增加時，感應電極電動勢將超過允許范圍，傳感器輸出將變成非線性的，因而限制了氣體的測量濃度。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的氨測量方法不能適用于實驗室檢測的問題，本發明的目的是提供一種動物實驗室的便攜式環境監測裝置。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種動物實驗室的便攜式環境監測裝置，包括主控模塊、氨氣傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、傳感器適配器。氨氣傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器分別連接至傳感器適配器，傳感器適配器連接主控模塊，氨氣傳感器包括感應電極、負電極和參考電極，參考電極連接外部穩壓電路以穩定感應電極的電動勢。溫度傳感器和濕度傳感器的信號用以矯正氨氣濃度數據。

進一步地，主控模塊包括多個A/D接口、氨氣傳感器輸出模擬信號，并通過主控模塊配置為8位或12位數字格式。

進一步地，還包括顯示模塊，顯示模塊連接至主控模塊，主控模塊將氨氣濃度數據傳輸至顯示模塊。

進一步地，傳感器適配器、主控模塊設置于一殼體中，氨氣傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器設置于殼體的同一方向的側面。

進一步地，氨氣傳感器的氣敏材料為二氧化錫。

進一步地，氨氣傳感器包括4個引腳，其信號從2、4引腳傳出，4號引腳信號直接輸出模擬電壓信號，2號引腳信號則通過放大器放大并由可調節電阻分壓后輸出數字電壓信號。

為實現上述目的，本發明還采用如下技術方案：

在上述技術方案中，本發明的動物實驗室的便攜式環境監測裝置及方法能夠應用于實驗室消毒情況下的實驗室氨氣濃度的測量。

附圖說明

圖1是本發明環境監測裝置的結構示意圖；

圖2是氨氣傳感器及其外圍電路的電路圖；

圖3是本發明環境監測方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。

參照圖1，本發明首先公開一種動物實驗室的便攜式環境監測裝置，其主要模塊包括主控模塊1、氨氣傳感器3、溫度傳感器4、濕度傳感器5、傳感器適配器2、存儲模塊6、顯示模塊7、無線通信模塊8。上述模塊集成于一殼體中，殼體尺寸為263*184*95mm，采用塑料防水材質，同時具有較強耐腐蝕性，也避免了金屬殼體的信號屏蔽，保證了信號的正常傳遞。出氣閥采用塑料電纜防水接頭，防水等級可達到IP67。

如圖1所示，氨氣傳感器3、溫度傳感器4和濕度傳感器5分別連接至傳感器適配器2，傳感器適配器2連接主控模塊1，氨氣傳感器3包括感應電極、負電極和參考電極，參考電極連接外部穩壓電路以穩定感應電極的電動勢。溫度傳感器4和濕度傳感器5的信號用以矯正氨氣濃度數據。顯示模塊7為LCD模塊，其連接至主控模塊1，主控模塊1將氨氣濃度數據傳輸至顯示模塊7。無線通信模塊8以供裝置遠程獲取數據，由于本便攜裝置可攜帶性強，流動性大，則傳輸距離可能很大，同時傳輸數據較小，因此選擇了GPRS傳輸方式，同時鑒于不同的運用場所可以添加不同的無線通信模塊8，例如WIFI模塊通過路由器傳輸、藍牙模塊等等。

作為一個便攜式設備，傳感器適配器2、主控模塊1均設置于一殼體中，氨氣傳感器3、溫度傳感器4和濕度傳感器5設置于殼體的同一方向的側面。由于本發明的裝置針對動物實驗室進行測量，其對象是動物的排泄物釋放的帶有氨氣的混合氣體，而這樣的混合氣體量少、分布不均勻、具有指向性和區域性。因此，本發明這樣做的優點在于，溫度傳感器4和濕度傳感器5和氨氣傳感器3充分接近，在矯正氨氣傳感器3的度數方面更為有利。

在本發明中，主控制模塊以STM32F103微控制器為核心，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。器件包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C 和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。保證了對于氨氣傳感器3信號的高效轉換，同時也為后期模塊的添加和移植提供了可能性。STM32的 DAC模塊(數字/模擬轉換模塊)是12位數字輸入，電壓輸出型的DAC。氨氣傳感器3模塊的輸出就是電壓模擬信號，其連接到STM32F103任意 A/D引腳后，配置8位或12位模式，同時輸入參考電壓VREF+便獲得更精確的轉換結果，即轉換成相應的數字信號。在獲得氨氣傳感器3模塊輸出位電壓后再利用其電壓、氨氣濃度曲線關系獲得函數，經過換算處理即可得到相應氨氣濃度數據，從而完成氨氣濃度測量工作。

除了STM32F103主控制模塊外，其余模塊都是添加到主控模塊1上，由主控模塊1控制氨氣傳感器3及溫濕度傳感器數據信號的獲取；之后經過程序處理后轉化成氨氣濃度及溫濕度數據，并使其顯示在LCD屏幕上，同時進行數據的存儲。

參照圖2，圖1中的氨氣傳感器3采用了三電極電化學的測量方式。三電極氨氣傳感器是在二電極傳感器的基礎上，通過接入外部穩壓電路，并加入參考電極以穩定感應電極電動勢。如此，即使負電極持續極化也不會對感應電極產生任何影響，所以三電極氨氣傳感器具有更廣的測量范圍。

如圖2所示，氨氣傳感器(MQ傳感器)通電后電源指示等通電亮起，其氣敏材料是清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，當傳感器所處環境存在氨氣時，傳感器電導率隨著空氣中濃度增加而增加，信號從MQ傳感器2、 4引腳傳出，4號引腳信號直接輸出模擬電壓信號(AOUT)，2號引腳信號則通過放大器LM393AD放大并由可調節電阻分壓后輸出，即數字電壓信號(DOUT)。其中可調節電阻作用用于傳感器模塊的調節和調零，當處于無氨氣環境中調節旋鈕使報警指示燈處于亮與不亮邊緣；當存在氨氣環境測量時由于電壓升高則指示燈亮起。

在本發明中，電化學氨氣傳感器ME3-NH3根據電化學的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個適當的電位，在該電位下可以發生待測氣體的電化學氧化，由于氧在氧化和還原反應時所產生的法拉第電流很小，可以忽略不計，于是待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。這樣，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。

參照圖3，使用本發明裝置的檢測方法，其包括以下的主要步驟：

S1：系統開始后先進行初始化檢測，確定傳感器模塊及其他模塊正常后便開始測量準備。

S2：啟動電子閥并抽氣。具體來說，打開電磁閥并打開抽風機抽氣，待將裝置內部氣體抽氣完全時關閉電磁閥，裝置內部形成類真空狀態(實際上無法達到真空，但將絕大部分氣體抽出)。

S3：判斷是否加入了無線網絡模塊？若是，繼續后續步驟，若否，返回S2。

S4：待氣體抽氣完成后按照實驗室要求進行消毒處理(噴霧或浸泡式消毒)。

S5：消毒完全后放進待測實驗房，即放入實驗室待測氣體環境并打開電磁閥，由于外界氣壓大于裝置內氣壓，則裝置內部會被氣體充滿。

S6：此時，判斷是否觸發氨氣傳感器測量事件？若是，則進入S8，若否，則進入S7。

S7：等待觸發氨氣傳感器測量事件，并返回S6。

S8：經測量電路測得數據并經過函數程序轉化成氨氣濃度，如果測量氣體超過設定動物實驗房氨氣標準則進行聲光報警

S9：LCD顯示氨氣濃度數據，無線傳感裝置(即GPRS模塊)則將數據不斷傳送至客戶端，測得數據后不斷循環測量直至關閉測量。

測量結束后，將裝置內部氣體抽出，以避免刺激氣體對內部傳感器的影響，同時降低前次測量氣體對下次測量的影響。至此測量結束。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。