实验环境中一氧化氮检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境安全技术领域，尤其是涉及一种能够快速、准确检测实验室环境 中一氧化氮浓度的实验环境中一氧化氮检测系统及检测方法。
【背景技术】
[0002] -氧化氮（N0)是无色无味、不溶于水的有毒气体。由于一氧化氮带有自由基， 这使它的化学性质非常活泼。当它与氧气反应后，可形成具有腐蚀性的气体一一二氧化氮 (N02)，二氧化氮可使一氧化氮和氧气的反应钝化。
[0003] -氧化氮具有强氧化性，易与有机物接触燃烧，遇到氢气时会爆炸性化合。接触空 气会散发出棕色有酸性氧化性的棕黄色雾。一氧化氮较不活泼，但在空气中易被氧化成二 氧化氮，二氧化氮有强烈腐蚀性和毒性。
[0004] 目前对于低浓度一氧化氮检测方法主要依靠仪器分析的方法，如气相色谱法等。 上述检测方法虽然可以准确的检测环境中微量一氧化氮的浓度，但是普遍存在检测周期 长、成本昂贵等不足，而且，需要经过专业培训的熟练技术人员操作仪器设备，无法实现环 境中微量一氧化氮的现场准确快速检测。
[0005] 因此，目前使用的用于微量一氧化氮的检测系统存在灵敏度低、选择性差、稳定性 差或者不能长期使用的问题。
[0006] 中国专利授权公告号：CN101846610A，授权公告日2010年9月29日，公开了一种 气体检测装置及气体检测系统，其包括石英板、第一电极、第二电极及吸附层，所述石英板 具有相对的第一表面和第二表面，所述第一电极形成于第一表面，所述第二电极形成于第 二表面，所述吸附层形成于第一电极表面，所述吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，用于吸 附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而获得待检测气体的浓度。该发明存 在检测速度慢，检测精度低的不足。
【发明内容】
[0007] 本发明是为了克服现有技术中的气体检测方法的检测周期长、成本高、设备昂贵 的不足，提供了一种能够快速、准确检测实验室环境中一氧化氮浓度的实验环境中一氧化 氮检测系统及检测方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种实验环境中一氧化氮检测系统，包括控制器，存储器、底板，设于底板上的横 截面呈矩形的气室和支撑架，设于支撑架上的导向结构和横向丝杆；
[0010] 所述气室内壁顶部设有频率可调超声波发生器和用于向下吹风的若干个风扇，气 室上部内设有由电热丝构成的第一金属网和第二金属网，第一金属网和第二金属网之间设 有若干块间隔分布的气体敏感膜，第二金属网下部的气室内设有用于将气室分隔为上下两 部分的水平隔板，气室内底部设有超声波接收器、托板、检测头和沿托板上表面螺旋分布的 轨道，检测头上设有MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化氮传感器；
[0011] 横向丝杆一端与设于支撑架上的第一电机的转轴连接，所述气室上设有用于插入 水平隔板的开口，水平隔板外端设有连接板，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动 的第二电机，连接板与丝杆螺纹连接，连接板与导向结构滑动连接，位于水平隔板上部和下 部的气室上分别设有一组进气管和出气管；进气管和出气管上均设有电磁阀；开口和水平 隔板之间设有密封结构；水平隔板上部的进气管上设有过滤网；
[0012] 控制器分别与频率可调超声波发生器、超声波接收器、存储器、各个电扇、各个电 磁阀、第一金属网、第二金属网、第一电机、第二电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化 氮传感器电连接。
[0013] 气体敏感膜用于吸附实验室气体，气体敏感膜具有气体富集作用，可将气体敏感 膜依次在HN03(1 : 1)、丙酮和双蒸水中超声清洗15min，清洗后的电极置于室温下晾干备 用；按一定比例将苹果汁与聚乙二醇溶液混合，用超声振荡均匀得到混合物，用微量注射器 吸取5 μ L质量分数为5 % Naf ion的混合物，滴涂于气体敏感膜表面，室温下晾干待用。
[0014] 频率可调超声波发生器和超声波接收器用于带动气体敏感膜最大幅度的震动，第 一金属网和第二金属网用于加热气体敏感膜，从而使气体敏感膜中吸附的气体尽可能多的 散发出来；各个风扇用于将经过烘烤从气体敏感膜中散发出来的气体吹向气室下部，便于 各个传感器检测；水平隔板用于分隔气室上部和下部，从而方便气室上部和下部同时进行 气体富集和传感器清洗；支撑架、导向结构、横向丝杆和第一电机用于带动水平隔板水平移 动，从而使控制器可通过第一电机控制水平隔板将气室内分为上下两部分或者使气室恢复 为一个整体；托板给轨道提供支撑，轨道给检测头提供移动至托板不同部位的导向，MQ-2 传感器和MQ-135传感器分别用于检测环境信号，一氧化氮传感器用于检测一氧化氮气体 信号；第二电机用于带动检测头沿轨道移动。
[0015] 由于传感器对被检测的目标气体均具有交叉敏感特性，因此本发明采用MQ-2传 感器和MQ-135传感器作为辅助传感器，一氧化氮传感器作为检测一氧化氮气体的主传感 器，将MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化氮传感器检测的信号进行融合，得到了传感器 融合信号signal (t)，从而既保留了主传感器的检测信息，又保留了主传感器与辅助传感器 之间的信号差异信息，提高了检测精度。
[0016] 因此，本发明具有灵敏度高、稳定性好且响应时间短，对一氧化氮具有较好的选择 性，能够检测出浓度更低的微量一氧化氮气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。
[0017] 作为优选，所述轨道包括基板、设于基板上表面的两条间隔设置的凹槽，所述凹槽 底面上设有等间隔排列的齿条；所述检测头底部设有两个与凹槽相配合的齿轮；所述第二 电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴相连接。
[0018] 作为优选，所述基板上设有第一挡板，与第一挡板相对的第二挡板；第一挡板、第 二挡板上设有对应的导向滑槽；所述齿轮的连接轴两端设有用于插入第一挡板、第二挡板 的导向滑槽的延伸轴；检测头下表面设有与第一挡板、第二挡板上表面滚动接触的若干个 滚珠。导向滑槽、延伸轴和滚珠的设置，使检测头的稳定性更好，摩擦力更小。
[0019] 作为优选，所述支撑架包括开口向下的U形架、设于气室前部和后部的L形架；所 述导向结构为设于U形架和两个L形架之间的两条横梁；所述连接板呈矩形，连接板下部设 有用于穿过两条横梁的2个通孔，连接板上部设有用于与横向丝杆配合的丝杆孔。
[0020] 作为优选，气体敏感膜内设有若干个间隔分布的空腔，空腔内设有伸出气体敏感 膜上下表面之外的碳纳米管。空腔和碳纳米管增加了气体敏感膜对气体的吸附能力。
[0021] -种实验环境中一氧化氮检测系统的控制方法，包括如下步骤：
[0022] (6-1)控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向 气室下部内充入洁净空气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化氮传感器清洗6至20分 钟，清洗完毕后，控制器控制气室下部的进气管和出气管上的电磁阀均关闭；
[0023] (6-2)控制器控制气室上部的进气管和出气管上的电磁阀打开，通过进气管向气 室内循环充入待检测的实验室气体，各个气体敏感膜吸附气体，10至20分钟后控制器控制 气室上部的进气管和出气管上的电磁阀关闭；
[0024] (6-3)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔 板向气室外水平移动，使水平隔板内端移至与开口相接触位置时，控制器控制第一电机停 止工作；
[0025] (6-4)控制器控制频率可调超声波发生器发出超声波、超声波接收器接收超声波， 控制器控制频率可调超声波发生器发出的超声波的从5Hz逐渐增大频率增大，直至使超声 波接收器接收的超声波幅度最大时，控制器控制频率可调超声波发生器发出的超声波的频 率保持稳定，超声波带动气体敏感膜震动；
[0026] 控制器控制第一金属网和第二金属网通电，同时控制各个电扇工作，气体敏感膜 吸附的气体进入气室下部，5至10分钟后，控制器控制第一金属网和第二金属网断电，各个 电扇停止工作，可调超声波发生器和超声波接收器停止工作；
[0027] (6-5)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔 板向气室内水平移动，使水平隔板外端移至与开口相接触位置相接触时，控制器控制第一 电机停止工作；
[0028] (6-6)控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，MQ-2传感器、MQ-135传感器 和一氧化氮传感器检测气体信号，控制器收到一氧化氮传感器的检测信号SI (t)、MQ-2传 感器的检测信号32(〇，1^-135传感器的检测信号53(〇;控制器利用公式以8仙1(〇=51 2(t) + (Sl (t)-S2(t))2+(Sl (t)-S3(t))2计算传感器融合信号 signal ⑴；
[0029] (6-7)存储器中预先存储有随机共振模型和一氧化氮浓度预测模型，将 signal (t)输入随机共振模型中，控制器计算随机共振模型共振时的输出信噪比SNR，
[0030] 将SNR输入一氧化氮浓度预测模型中，得到被检