实验室环境中一氧化碳检测装置及检测方法
【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 中一氧化碳浓度的实验室环境中一氧化碳检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002] -氧化碳为无色透明液体；是苯环上两个氢被甲基取代的产物，存在邻、间、对三 种异构体，在工业上，一氧化碳即指上述异构体的混合物。一氧化碳具刺激性气味、易燃，与 乙醇、氯仿或乙醚能任意混合，在水中不溶。沸点为137~140°C。一氧化碳毒性较高，美国 政府工业卫生学家会议（ACGIH)将其归类为A4级。环境中的一氧化碳通常来自塑料、燃料、 橡胶，各种涂料的添加剂以及各种胶粘剂、防水材料中，还可来自燃料和烟叶的燃烧气体。
[0003] 目前对于低浓度一氧化碳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碳的浓度，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 境中微量一氧化碳的现场准确快速检测。
[0004] 因此，目前使用的用于微量一氧化碳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。
[0005] 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】
[0006] 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碳浓度的实验室环境中一氧 化碳检测装置及检测方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种实验室环境中一氧化碳检测装置，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；
[0009] 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 室内侧壁由上至下依次设有气体敏感膜、用于支撑气体敏感膜的由电热丝构成的金属网、 位于金属网下部并将气室内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 器和一氧化碳传感器；气体敏感膜上设有若干个通孔；
[0010] 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 部的气室上的进气管和出气管；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；
[0011] 还包括设于托板和气室底部之间的竖向丝杆，竖向丝杆上部与托板螺纹配合，竖 向丝杆下部通过设于气室底部的轴承与气室连接，丝杆下端与设于气室下部内的第三电机 的转轴连接；
[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、金属网、第一电机、第二电机、第三电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化碳传感 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5μL质量分数为5 %Nafion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，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；水平隔 板用于分隔气室上部和下部；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，一氧化碳传感器用于检测一氧化碳 气体信号；第二电机用于带动检测头沿轨道移动，第一电机用于带动托板升降，第三电机用 于带动托盘升降，从而使各个传感器检测的气体浓度更加准确。
[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，一氧化碳传感器作为检测一氧化碳气体的主传感 器，将MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化碳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，对一氧化碳具有较好的选择 性，能够检测出浓度更低的微量一氧化碳气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。
[0017] 作为优选，还包括设于检测头上的温度传感器和湿度传感器；温度传感器和湿度 传感器均与控制器电连接。温度传感器和湿度传感器分别用于检测温度和湿度，从而使传 感器的校正充分去除环境因素的影响，校正更加准确、可靠。
[0018] 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；
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 一种实验室环境中一氧化碳检测装置的检测方法，包括如下步骤：
[0023] (6-1)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；
[0024] (6-2)控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入 氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化碳传感器清洗5至10分钟；
[0025] (6-3)通过进气管向气室内循环充入待检测的实验室气体，气体敏感膜吸附气体， 5至15分钟后控制器控制进气管和出气管上的电磁阀关闭；
[0026] (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，控制器控制金属网通电，金属网为气体敏感膜加 热，控制器控制各个电扇工作，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部；5至8分钟后，控制器 控制金属网断电，各个电扇停止工作，频率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，并通过第三电机带动托板升 降，MQ-2传感器、MQ-135传感器和一氧化碳传感器检测气体信号，控制器收到一氧化碳传 感器的检测信号SI(t)、MQ-2传感器的检测信号S2 (t)，MQ-135传感器的检测信号S3 (t); 控制器利用公式signal(t) =SI2 (t) +(SI(t)-S2 (t))2+(SI(t)-S3 (t))2计算传感器融合信 号signal(t);
[0029] (6-7)存储器中预先存储有随机共振模型和一氧化碳浓度预测模型，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输入一氧化碳浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的一氧化碳浓 度。
[0031] 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M