本申请涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种气体浓度检测装置以及检测方法。
背景技术：
传统地，根据检测机理的不同，可将气体检测技术分为化学检测法、气相色谱法和光谱法。
化学检测法是通过物理化学反应来感应待测气体的成分，并转换为相应的电信号，通过信号的检测与处理确定待测气体的浓度。气相色谱法是色谱法的一种。色谱法中有两个相。一个相是流动相，另一个相是固定相。如果用液体作流动相，称为液相色谱，如果用气体作流动相，称为气相色谱。
化学检测法和气相色谱法的检测精度有限，待测气体的浓度难以得到精确测量。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够对待测气体进行精准测量的气体浓度检测装置以及检测方法。
一种气体浓度检测装置，包括：
光源模块，用于提供检测光束；
试验模块，包括参考单元、测量单元、基础单元以及分光单元；所述参考单元包括第一检测光纤，所述第一检测光纤包括第一纤芯以及包裹所述第一纤芯的第一包层，且第一检测光纤用于暴露于参考气体中，所述参考气体中未通入待测气体；所述测量单元包括与所述第一检测光纤等长的第二检测光纤，所述第二检测光纤包括第二纤芯以及包裹所述第二纤芯的第二包层，且所述第二检测光纤用于暴露于待测气体中；所述基础单元包括传导光纤，所述传导光纤包括传导纤芯、传导包层以及屏蔽层，所述传导包层包裹所述传导纤芯，所述屏蔽层包裹所述传导包层；所述分光单元用于接收并将所述检测光束分为能量相同的三束光束，所述三束光束中的一束经过所述传导光纤而输出原始光信号，所述三束光束中的另一束经过所述第一检测光纤而输出参考光信号，所述三束光束中的剩余一束经过所述第二检测光纤而输出测量光信号；
检测模块，用于接收所述原始光信号、所述参考光信号以及所述测量光信号，且根据所述参考光信号获得噪声干扰信号，根据所述噪声干扰信号过滤所述测量光信号，根据经过过滤后的所述测量光信号的能量与所述原始光信号的能量之比获得待测气体的浓度。
在其中一个实施例中，所述参考单元还包括第一气室，所述第一检测光纤设置于所述第一气室内；所述测量单元还包括第二气室，所述第二气室用于通入待测气体，所述第二检测光纤设置于所述第二气室内。
在其中一个实施例中，所述光源模块包括：
宽带光源，用于输出宽带光束；
滤波单元，用于将所述宽带光束进行滤波，发出具有预设带宽的检测光束。
在其中一个实施例中，所述滤波单元包括驱动部件以及多个滤光片，所述驱动部件用于驱动所述多个滤光片进行切换。
在其中一个实施例中，
所述试验模块还包括风扇单元，所述风扇单元用于将被测气体通入所述第二气室。
在其中一个实施例中，
所述参考单元还包括第一绕组，所述第一检测光纤沿所述第一绕组的周向缠绕于所述第一绕组；
和/或，所述测量单元还包括设有的第二绕组，所述第二检测光纤沿所述第二绕组的周向缠绕于所述第二绕组。
在其中一个实施例中，所述气体浓度检测装置还包括显示模块，所述显示模块连接所述检测模块，用于显示检测结果。
一种气体浓度检测方法，基于上述的气体浓度检测装置，包括：
提供检测光束；
将所述检测光束分为能量相同的三束光束，所述三束光束中的一束经过所述传导光纤而输出原始光信号，所述三束光束中的另一束经过所述第一检测光纤而输出参考光信号，所述三束光束中的剩余一束经过所述第二检测光纤而输出测量光信号；
根据所述参考光信号获得噪声干扰信号；
根据所述噪声干扰信号过滤所述测量光信号；
根据经过过滤后的所述测量光信号的能量与所述原始光信号的能量之比获得待测气体的浓度。
在其中一个实施例中，所述提供检测光束包括：
输出宽带光束；
将所述宽带光束进行滤波，发出具有预设带宽的检测光束。
在其中一个实施例中，在所述三束光束中的另一束经过所述第一检测光纤而输出参考光信号之前还包括：
将所述第一检测光纤暴露于真空中。
上述气体浓度检测装置以及检测方法，首先通过参考光信号有效过滤测量光信号中的噪音干扰信号，然后通过经过过滤后的测量光信号的能量与原始光信号的能量之比获得待测气体的浓度，进而大大提高了待测气体的浓度的检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中气体浓度检测装置的结构框图；
图2为一个实施例中试验模块的结构框图；
图3为一个实施例中第一检测光线与第一绕组的组装示意图；
图4为一个实施例中试验模块的结构框图；
图5为一个实施例中检测模块的结构框图；
图6为一个实施例中显示模块的结构框图；
图7为一个实施例中气体浓度检测方法流程示意图；
图8为一个实施例中提供检测光束的流程示意图。
附图标记说明：100-光源模块，110-宽带光源，120-滤波单元，121-驱动部件，122-滤光片，200-试验模块，210-分光单元，220-参考单元，221-第一检测光纤，222-第一绕组，230-测量单元，240-风扇单元，300-检测模块，310-光电转换单元，320-第一处理单元，400-显示模块，410-第二处理单元，420-显示单元，500-电力模块
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，参考图1，提供了一种气体浓度检测装置，包括光源模块100、试验模块200以及检测模块300。
光源模块100用于提供检测光束。这里的“检测光束”为可用于气体浓度检测的具有预设带宽的光束。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征。光源模块100发射的检测光束的光谱只有与待测气体吸收谱重叠的部分产生吸收。被待测气体进行光谱吸收后，检测光束的输出能量将发生变化，据此可以对待测气体的浓度进行检测。
参考图2，试验模块200包括分光单元210、基础单元(未图示)、参考单元220以及测量单元230。
分光单元210用于接收并将检测光束分为能量相同的三束光束。具体地，分光单元210可以包括光纤耦合器等分光器件。
基础单元包括传导光纤。传导光纤包括传导纤芯、传导包层以及屏蔽层。传导包层包裹传导纤芯。屏蔽层包裹传导包层，进而起到电磁屏蔽的作用。
参考图3，参考单元220包括第一检测光纤221。第一检测光纤221包括第一纤芯以及第一包层。第一包层包裹第一纤芯。在进行气体浓度检测时，第一检测光纤221暴露于参考气体中。参考气体中未通入待测气体，进而使得第一检测光纤221可以作为参考。
测量单元230包括第二检测光纤。第二检测光纤与第一检测光纤221等长，且包括第二纤芯以及第二包层。第二包层包裹第二纤芯。在进行气体浓度检测时，第二检测光纤暴露于待测气体中。
具体地，在进行气体浓度检测时，分光单元210接收并将检测光束分为能量相同的三束光束。三束光束中的一束经过传导光纤而向检测模块300输出原始光信号。另外两束分别进入第一检测光纤221以及第二检测光纤。第一检测光纤221对进入其中的光束进行传导后向检测模块300输出参考光信号。第二检测光纤对进入其中的光束进行传导后向检测模块300输出测量光信号。
检测模块300接收原始光信号、参考光信号以及测量光信号。
本申请所用的传导光纤包括纤芯、包层以及屏蔽层，其可以为传统光纤。第一检测光纤221以及第二检测光纤仅由纤芯和包层组成，包层直接接触外界。具体地，可以利用光纤工具，剥去传统光纤的包层外侧的屏蔽层形成。此时光纤具有由纤芯、包层、外界气体组成的三层波导结构。由于材料之间存在边界，因此此时存在两个界面，一个是纤芯和包层界面，另一个是包层和外界气体界面。
对于不包括屏蔽层的光纤，当光束进入光纤内时，光线会发生两种折射现象，一种是纤芯和包层之间的折射，另一种是包层和外界气体之间的折射。当外界气体的浓度或种类发生改变时，光线的传导、折射特性也会发生变化。相关研究表明，入射光能量的损失占比与外界气体浓度有线性关系。因此，通过该原理可实现气体浓度的在线监测。
第二检测光纤暴露于待测气体中。因此，可以通过第二检测光纤输出的测量光信号，进行待测气体浓度的检测。
同时，发明人发现，由于第二检测光纤不具有屏蔽层，因此经过第二检测光纤传导光线时会受到周围环境中的电磁信号的干扰。所以，第二检测光纤输出的测量光信号中会掺杂有噪声干扰信号，进而会影响待测气体浓度的检测精度。
在本申请实施例中，试验模块200还包括参考单元220。参考单元220内的第一检测光纤221以及第二检测光纤的长度相同，因此二者受到的环境中的噪声干扰信号也相同。
同时，在进行浓度检测时，参考单元220的第一检测光纤221暴露于未通入待测气体的参考气体中，因此光线在第一检测光纤221内的传导不会受到待测气体的影响。因此，检测模块300可以根据参考光信号获得噪声干扰信号。具体地，检测模块300可以通过对第一检测光纤221输出的参考光信号进行评率分析，进而得出噪声干扰信号的频率。
在获得噪声干扰信号之后，可以根据噪声干扰信号过滤测量光信号。此时，检测模块300可以先将测量光信号中的噪声干扰信号进行抑制，进而过滤测量光信号。然后，检测模块300根据经过过滤后的测量光信号的能量与原始光信号的能量之比获得待测气体的浓度。
在本实施例中，通过参考单元内发射的参考光信号，可以有效率滤除测量光信号中的噪音干扰信号，进而大大提高了待测气体的浓度检测精度。
在一个实施例中，参考图4，光源模块100包括宽带光源110以及滤波单元120。宽带光源110输出宽带光束。滤波单元120用于将宽带光束进行滤波，进而发出具有预设带宽的检测光束。此时的预设带宽的检测光束可以为窄带光。
本实施例通过宽带光源110与滤波单元120相结合的方式，进而更加便于获得具有预设带宽的检测光束，易于实现低成本的窄带光的获取。
进一步地，滤波单元120可以包括驱动部件121以及多个滤光片122。驱动部件121用于驱动多个滤光片122进行切换。此时，光源模块100可以轮询输出多种可定制化的窄带光，进而使得气体浓度检测装置更为灵活地对多气体同时进行检测。
驱动部件121可以为步进电机或者其他可实现滤光片122更换的电子或机械结构等。当然，滤波单元120也可以不包括驱动部件121，而是通过人工的方式对滤光片122进行取出和配置。
在一个实施例中，参考图3，参考单元220包括第一气室(未图示)以及第一检测光纤221。第一气室内不通入待测气体。第一检测光纤221设置于第一气室之内。测量单元230包括第二气室以及第二检测光纤。第二气室用于通入待测气体。第二检测光纤设置于第二气室之内。
第一气室以及第二气室的材料(具体可以选择玻璃材料等)以及形状可以相同也可以不同。可以在进行气体浓度检测前，将第一气室抽成真空腔室，以防止腔室内的气体影响测量的精准度。
本实施例中，通过设有第一气室以及第二气室，进而可以便于对第一检测光纤以及第二检测光纤所暴露的具体环境的控制。当然，本申请并不以此为限制，在其他实施例中，也可以根据实际情况决定是否设置第一气室与第二气室。
在一个实施例中，参考图2，试验模块200还包括风扇单元240。风扇单元240用于将被测气体通入第二气室。此时，风扇单元240可以简便有效地引导被测气体进入第二气室。并且，被测气体的进气量也可以通过风扇单元240进行有效调节。
在一个实施例中，第二气室具有进气口与排气口，进气口用于向第二气室通入待测气体，排气口用于将第二气室内的待测气体排出。
在本实施例中，测量单元230还包括至少两个防尘网(未图示)。至少两个防尘网分别设置于第二气室的进气口与排气口处。防尘网的设置可以有效防止尘土、沙尘等进入第二气室，进而有效防止设在第二气室内的第二检测光纤产生损伤。
在本申请实施例中，为了提高待测气体的检测精度，通常需要待测气体通入的第二气室内的第二检测光纤的长度大于预设长度，进而使得经过其传输的光束可以走过足够的光程，从而输出的测量光信号衰减足够充分。第一检测光纤221与第二检测光纤等长，因此，其长度也要大于预设长度。
为了便于在第一气室设置足够长度的第一检测光纤221，可以设置参考单元220还包括第一绕组222。第一绕组222与第一检测光纤221可以一同设置于第一气室内。如图3所示，第一检测光纤221沿第一绕组222的周向缠绕于第一绕组222。
和/或，在为了便于在第二气室内分别设置足够长度的第二检测光纤，可以设置测量单元230还包括第二绕组。第二绕组与第二检测光纤可以一同设置于第二气室内。第二检测光纤沿第二绕组的周向缠绕于第二绕组。第二检测光纤与第二绕组的设置形式可以参考图3中的第一检测光纤221与第一绕组222的设置形式。
当然，第一检测光纤221和/或第二检测光纤也可以通过其他方式设置，只要保障有其具有足够的长度即可。
在一个实施例中，参考图1，气体浓度检测装置还包括显示模块400。显示模块400连接检测模块300，进而显示检测结果。
具体地，在一些实施例中，参考图5，检测模块300可以包括光电转换单元310与第一处理单元320。光电转换单元310用于将原始光信号、参考光信号以及测量光信号转换为相应的电信号。
第一处理单元320接收光电转换单元310输出的电信号，并依此计算出过滤后的测量光信号的能量与原始光信号的能量之比，从而得出过滤后的测量光信号的能量损失百分比。然后，第一处理单元320再将能量损失百分比映射为第一气室内的待测气体的浓度。此外，第一处理单元320还可以用于对光源模块100进行控制(例如控制步进电机实现滤波片更换)。
第一处理单元320具体可以为微处理单元(mcu)，其可以与显示模块400连接，进而实现与显示模块400交互。
参考图5，显示模块400可以包括第二处理单元410与显示单元420。第二处理单元410可以与第一处理单元320之间进行交互，进而存储检测模块300检测到的待测气体的浓度。
同时，当滤光单元120包括多个滤光片122时，第二处理单元410还可以对在各滤光片下进行检测的待测气体的浓度正常值范围进行设定。然后，第二处理单元410可以进一步据此判断待测气体的浓度正常或异常。
并且，当滤光单元120包括多个滤光片122时，第二处理单元410还可以设定多个滤光片122的切换顺利，进而可以依次对相应的待测气体进行测试。
显示单元420可以为液晶显示屏等，其连接第二处理单元410，进而对待测气体的浓度进行显示。当第二处理单元410对待测气体的正常或异常进行判断时，显示单元420还可以对此判断结果进行显示。
此外，在本申请实施例中，气体浓度检测装置还可以包括电力模块500。电力模块500可以为光源模块100、试验模块200、检测模块300以及显示模块400提供电力。
在一个实施例中，参考图7，提供一种气体浓度检测方法，基于以上气体浓度检测装置，包括如下步骤：
步骤s1，提供检测光束。
这里的“检测光束”为可用于气体浓度检测的具有预设带宽的光束。
步骤s2，将检测光束分为能量相同的三束光束，三束光束中的一束经过传导光纤而输出原始光信号，三束光束中的另一束经过第一检测光纤221而输出参考光信号，三束光束中的剩余一束经过第二检测光纤而输出测量光信号。
传导光纤包括纤芯、包层以及屏蔽层，其可以为传统光纤。第一检测光纤221以及第二检测光纤仅由纤芯和包层组成，包层直接接触外界。具体地，可以利用光纤工具，剥去传统光纤的包层外侧的屏蔽层形成。此时光纤具有由纤芯、包层、外界气体组成的三层波导结构。由于材料之间存在边界，因此此时存在两个界面，一个是纤芯和包层界面，另一个是包层和外界气体界面。
对于不包括屏蔽层的光纤，当光束进入光纤内时，光线会发生两种折射现象，一种是纤芯和包层之间的折射，另一种是包层和外界气体之间的折射。当外界气体的浓度或种类发生改变时，光线的传导、折射特性也会发生变化。相关研究表明，入射光能量的损失占比与外界气体浓度有线性关系。因此，通过该原理可实现气体浓度的在线监测。
第二检测光纤暴露于待测气体中。因此，可以通过第二检测光纤输出的测量光信号，进行待测气体浓度的检测。
同时，发明人发现，由于第二检测光纤不具有屏蔽层，因此经过第二检测光纤传导光线时会受到周围环境中的电磁信号的干扰。所以，第二检测光纤输出的测量光信号中会掺杂有噪声干扰信号，进而会影响待测气体浓度的检测精度。
在本申请实施例中，试验模块200还包括参考单元220。参考单元220内的第一检测光纤221以及第二检测光纤的长度相同，因此二者受到的环境中的噪声干扰信号也相同。
同时，参考单元220暴露于未通入待测气体的参考气体中，因此光线在第一检测光纤221内的传导不会受到待测气体的影响。因此，参考光信号可以用于获得噪声干扰信号。
步骤s3，根据参考光信号获得噪声干扰信号。
步骤s4，根据噪声干扰信号过滤测量光信号。
在获得噪声干扰信号之后，可以根据噪声干扰信号过滤测量光信号。此时，检测模块可以先将测量光信号中的噪声干扰信号进行抑制、压缩，进而过滤测量光信号。
步骤s5，根据经过过滤后的测量光信号的能量与原始光信号的能量之比获得待测气体的浓度。
在本实施例中，首先通过参考光信号有效过滤测量光信号中的噪音干扰信号，然后通过经过过滤后的测量光信号的能量与原始光信号的能量之比获得待测气体的浓度，进而大大提高了待测气体的浓度的检测精度。
在一个实施例中，参考图8，步骤s1提供检测光束包括：
步骤s11，输出宽带光束。
步骤s13，将宽带光束进行滤波，发出具有预设带宽的检测光束。
在步骤s13(将宽带光束进行滤波，发出具有预设带宽的检测光束)之前还可以包括：步骤s12，切换滤光片。
本实施例可以更加便于获得具有预设带宽的检测光束，易于实现低成本的窄带光的获取。
在一个实施例中，在三束光束中的另一束经过第一检测光纤而输出参考光信号之前还包括：将第一检测光纤暴露于真空中。
此时，参考单元可以包括第一气室，第一检测光纤设置于第一气室内。将第一检测光纤暴露于真空中具体可以包括对对第一气室进行抽真空。此时，可以有效排除第一气室内的空气，进而防止空气中的气体成分(例如氧气)影响光线在第一检测光纤231中的传导，从而保证待测气体检测的精准性。
应该理解的是，虽然图7-图8的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图7-图8中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read-onlymemory，rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(staticrandomaccessmemory，sram)或动态随机存取存储器(dynamicrandomaccessmemory，dram)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。