基于紅外吸收光譜的甲醛氣體濃度檢測

秦敏+張學典+常敏

摘要： 針對傳統甲醛氣體檢測的不足，基于紅外光譜吸收原理，采用差分吸收技術設計了甲醛氣體濃度探測系統。該方法對檢測的甲醛氣體光譜值以及供電電壓進行模數轉換，通過光學檢測系統對甲醛氣體濃度進行檢測，利用虛擬儀器LabVIEW軟件實現數據采集、數據處理及數據存儲與回放等功能。具有操作簡單，界面直觀，人機友好的特點，能對室內甲醛氣體濃度進行實時檢測。

關鍵詞： 光譜； LabVIEW； 室內甲醛； 氣體檢測

中圖分類號： X 83 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.03.002

Detection technology of formaldehyde gas concentration based on

infrared absorption spectroscopy

QIN Min， ZHANG Xuedian， CHANG Min

（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， Univeristy of Shanghai

for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In view of the deficiency of traditional formaldehyde gas detection，the concentration of formaldehyde gas was detected by the differential absorption technique based on infrared spectrum absorption principle.The method is to realize analogtodigital conversion of formaldehyde gas spectral value and supply voltage.The optical detection system is to detect the concentration of formaldehyde gas，using the virtual instrument software LabVIEW to realize data acquisition，data processing，data storage and review function.It achieves the realtime monitoring of indoor formaldehyde gas concentration.

Keywords： spectrum； LabVIEW； indoor formaldehyde； gas detection

引 言

隨著人們對生活質量越來越高的追求，室內裝修已經發展到相當成熟的階段。各種含有化學成分的原料作為建筑裝飾材料也隨之進入各個家庭，這就使得室內空氣的污染程度要比室外環境高出5～10倍，其中最為主要的就是甲醛污染，因此，研究室內甲醛氣體檢測方法具有重要的意義[13]。通過對甲醛氣體光譜分析，利用紅外光譜吸收原理[4]和差分吸收技術[56]，把經過甲醛氣體吸收后的光信號轉換成電信號交由LabVIEW接收數據、分析處理數據和顯示數據。

虛擬儀器（VI）技術是一種強大的技術，可應用于各種自動化測試，VI始終將計算機作為主心骨，利用軟件完成儀器的操控、數據的傳輸與分析、信號的采集等，并與計算機、儀器和測控系統硬件資源連接在一起。美國NI（National Instruments）公司開發的強大的LabVIEW是虛擬儀器最具代表性的結晶，是一種被稱為“G”語言的圖形化語言開發平臺，該軟件由前面板和程序框圖組成，包含了采集、分析、顯示、存儲等數量龐大的集成模塊，大大減輕了編程的復雜程度，有著其他軟件所遠遠不及的編程效率。本文充分利用NI技術，將軟硬件完美結合，對甲醛濃度信號進行采集、處理和存儲等，將甲醛濃度信息直觀、穩定地展現了出來。

1 甲醛氣體光譜信號采集與轉換

當光穿過不同的物質時，光子與物質分子相互作用，部分光被吸收的現象是光譜分析的物理基礎，也是本文檢測甲醛氣體的特征吸收光譜選擇依據。如圖1所示，當光透過甲醛氣體后其數學表達式為

式中：I（λ）為透射光源的光強；I0（λ）入射光源的光強；L為甲醛氣體厚度；-σ（λ）為吸收截面；C為甲醛氣體濃度。其中-σ（λ）表示每個甲醛分子能夠吸收光子的那部分電子雀躍面積，面積越大，表示吸收光子的能力越強，C作為甲醛氣體濃度，是本文所要探測的參數[7]。

光透過甲醛氣體時，光線經過甲醛氣體的選擇性吸收，光譜結構和強度都發生變化，利用數學對數原理可得甲醛氣體濃度表達式為C=lnI0（λ）I（λ）[σ（λ）L]

由式（2）可知，如果σ（λ）L已知，只要測出I（λ）和I0（λ）就可以計算得到甲醛氣體濃度C。為了避免光源、光電器件等對檢測結果的影響，本文通過差分吸收技術和單光路雙波長的工作方式進行多次測量，最終檢測得到甲醛氣體濃度。甲醛氣體的特征吸收區主要在3.514 μm、3.607 μm和5.770 μm，通過HITRAN數據庫可以查詢甲醛氣體在紅外區域由較強的吸收線，因此選用3.607 μm的光源進行甲醛氣體濃度檢測。

實驗系統如圖2所示，紅外光源分成兩路光束，一束為被測光束經過吸收氣室被甲醛氣體吸收，另一束為參考光束不經過吸收氣室，隨后兩束光到達各自方波脈沖調制模塊，兩束光形成對比光束經過探測器，而后經由信號調理電路轉換成與濃度相關的電信號。由于探測器輸出的信號強度弱，經由差動放大電路后將放大的電信號傳遞至A/D芯片，A/D芯片將采集到的甲醛濃度模擬信號轉化為數字信號并傳至單片機處理，并由上位機實現解調、顯示甲醛濃度和報警等功能。本文選擇的是人機友好的LabVIEW實現相關功能。

為方便測量，用濾光片使得到兩束光強相等，選取近似等于3.607 μm的兩束光λ1和λ2，可得式K=I-I1I-I2=exp{-[σ（λ1）-σ（λ2）]C L}

式中：K為輸出電壓信號；I為初始入射光強；I1為參考光束經濾光片后的光強；I2為被測光束經被測氣體和濾光片后的光強。式（3）就是輸出電壓信號與濃度的關系。

2 電信號處理

2.1 主控制模塊

LabVIEW是集控制與仿真為一體的高級語言，提供了各種方便客戶進行算法開發與應用的模塊。整個系統在工作時需要一個模塊進行初始化以及協調管理等工作，這就是主控制模塊的功能，除了上述功能外它還能對數據進行一系列的處理。上位機監控系統啟動后，首先執行初始化，然后再通過采集并判斷各輸入控件值，實現對相應功能子模塊的調用和管理，以保證參數設置、數據采集與處理、保存與顯示等功能，使得整個系統穩定工作[8]。主控制模塊如圖3所示。

數據采集過程如下：第一步是利用VISA初始化函數設置串口參數；第二步是再次利用這個函數做清零工作，以便提供足夠的空間給要上傳的數據；第三步是進行前導碼辨認以獲取真正需要的數據，辨認過程需要依靠While循環和Case Structure兩個函數；第四步是對數據進行轉換，轉換過程是將數據模式由字符串轉換成字節數組格式，并交由處理模塊進行處理。數據采集如圖4所示[912]。

經過這四步之后將數據進行處理，數據處理部分框圖如圖5所示。數據處理子模塊以接收到的16個字節為一個處理循環，最后在前面板將甲醛氣體濃度值、是否超標需要報警、節點氣壓等值直觀地顯示出來。由于LabVIEW本身具有一種多線程進行數據處理的優勢，因此各功能對應的程序代碼能同時執行。

根據前述電壓信號與濃度的關系，通過光電結合的方式實現對甲醛氣體濃度的檢測，整個檢測通過檢測放大電路和放大倍數的調整并經A/D轉換后送單片機，由單片機現場控制檢測，真正實現了甲醛濃度的實時檢測。

3 結 論

本文對紅外光譜進行分析研究，選取甲醛氣體吸收最好的譜線作為中心波長，并充分使用了LabVIEW開發平臺，對采集到的經過甲醛吸收后的光信號進行A/D轉換，實現了數據采集、存儲、處理和顯示等一系列操作控制過程。從結果可以看出，利用LabVIEW來設計系統軟件，具有界面直觀、穩定性好、靈敏度高的特點，滿足室內甲醛監控要求。由于測量環境中存在其他干擾氣體，它們可能與甲醛氣體存在相似的特征吸收區，從而使得探測光束被其他氣體吸收，造成檢測結果的誤差，因此，如何完全清除其他氣體的影響還有待進一步的研究。

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