劉　赟，王　波，劉智超,3

(1.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長春 130000；2.長春禹衡光學(xué)有限公司，吉林 長春 130000；3.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

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一種新型甲醛質(zhì)量濃度快速檢測系統(tǒng)

劉赟1，王波2，劉智超1,3

(1.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長春 130000；2.長春禹衡光學(xué)有限公司，吉林 長春 130000；3.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

摘要：為了快速獲取被測氣體中甲醛質(zhì)量濃度，設(shè)計了一種基于特征光譜吸收的甲醛質(zhì)量濃度快速檢測系統(tǒng)。根據(jù)甲醛的特征光譜分布，選擇1 730～1 737 cm-1作為窄帶濾光片的帶通濾波區(qū)。利用多次折返吸收氣室增大了有效光程，提高了對甲醛質(zhì)量濃度的檢測精度。針對新裝修房屋、家具商場和封閉寫字樓內(nèi)的空氣進行測試，并將測試結(jié)果與TT-PN-50P型甲醛檢測儀的測試結(jié)果進行了比較。測試結(jié)果顯示：當(dāng)甲醛質(zhì)量濃度高于100 μg/m3時，兩者測試結(jié)果相近，平均誤差小于2%；當(dāng)甲醛質(zhì)量濃度低于100 μg/m3時，系統(tǒng)測試結(jié)果比甲醛檢測儀的測試結(jié)果小，平均誤差增大，但仍滿足測試要求。

關(guān)鍵詞：特征光譜；多次折返吸收氣室；窄帶濾光片；甲醛濃度

0引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對環(huán)境的影響也越來越大，家庭裝修對空氣的污染不容忽視。裝修建材、家具等可排放出各種污染氣體，其中，最常見就是甲醛(CH2O)。劣質(zhì)家具和建材的甲醛揮發(fā)量常高于國家標(biāo)準(zhǔn)(80.0 μg/m3)，即使是合格產(chǎn)品在封閉環(huán)境中遇陽光照射甲醛揮發(fā)量也可能會超過這一標(biāo)準(zhǔn)。因此，開發(fā)一種可以快速、準(zhǔn)確檢測被測區(qū)域甲醛質(zhì)量濃度的檢測系統(tǒng)，具有重要意義。

傳統(tǒng)的甲醛檢測方法有化學(xué)反應(yīng)分析法、反應(yīng)器件檢測法和光學(xué)檢測法?；瘜W(xué)反應(yīng)分析法常用于化學(xué)實驗室，檢測精度高，測試效果穩(wěn)定，但配制反應(yīng)溶液等需要專人完成，操作復(fù)雜。反應(yīng)器件檢測法，如電化學(xué)探測器件和氣相色譜器件等，不需要專門制備反應(yīng)物，可直接測量，設(shè)計小巧、便于攜帶，檢測精度高，但其最大的缺點是需要準(zhǔn)備時間。光學(xué)檢測法是近年來應(yīng)用最廣泛的測試手段，其利用甲醛的特征吸收峰結(jié)合比爾-朗伯定律完成甲醛質(zhì)量濃度的計算，無需準(zhǔn)備，速度快，操作簡便，但其檢測精度受有效光程制約，精度較低。文獻[1]采用中紅外量子級聯(lián)激光器系統(tǒng)進行甲醛檢測，速度快，精度高，但價格昂貴，一般多應(yīng)用于痕量氣體的檢測。文獻[2]利用可調(diào)諧激光器實現(xiàn)對甲醛特征吸收峰位置的掃描，可以大大減小特征吸收位置不準(zhǔn)所導(dǎo)致的質(zhì)量濃度求解誤差，但可調(diào)諧激光器成本高，波長范圍可控性小，限制了其應(yīng)用。文獻[3-5]均采用便攜式設(shè)計的反應(yīng)器件，有利于系統(tǒng)在實際中應(yīng)用，但由于其分別應(yīng)用于不同場合，所以要對甲醛氣體進行測試和數(shù)據(jù)采集仍需要進行修改及完善。文獻[6]采用彈光調(diào)制技術(shù)，與文獻[2]的思路類似，都是通過調(diào)制特征吸收峰波長位置完成的，對系統(tǒng)的控制電路及數(shù)據(jù)處理能力要求較高。目前，對甲醛質(zhì)量濃度檢測的改進方法主要是將光源的峰值位置與甲醛特征吸收峰對準(zhǔn)[7-10]。

綜上所述，現(xiàn)有的技術(shù)對于甲醛氣體質(zhì)量濃度的檢測存在以下問題：快速檢測和在線分析的精度低，而精度高的需要配備氧氣，無法實時檢測，故開發(fā)可以快速、精確檢測甲醛氣體的系統(tǒng)具有重要意義。本文研究目的是在滿足一定檢測精度(優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn))的前提下，實現(xiàn)甲醛質(zhì)量濃度的快速檢測和便攜式小型化結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1　甲醛質(zhì)量濃度快速檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

入射光光譜是否能有效對準(zhǔn)吸收帶，以及是否可以在基本不改變氣室尺寸的前提下增大有效吸收光程，是提高系統(tǒng)檢測精度的關(guān)鍵。首先，在便攜式氣體檢測設(shè)備中采用昂貴的窄帶寬激光器顯然是不現(xiàn)實的，而寬帶紅外光源不能有效對準(zhǔn)特征吸收位置，故系統(tǒng)采用紅外光源加窄帶濾光片的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對紅外光源波段濾波。窄帶濾光片的有效半寬為1 nm，相比直接采用紅外光源測試而言，其波段選擇能力大大提高；其次，由于系統(tǒng)是根據(jù)比爾-朗伯定律[8]完成氣體質(zhì)量濃度的檢測與計算，故使氣體充分吸收(即增大有效光程)可以進一步提高檢測精度。為此，設(shè)計了多次折返吸收氣室的結(jié)構(gòu)，將光源與探測器放置在同側(cè)，兩端由帶傾角φ的反射鏡構(gòu)成，則入射光在原有長度的氣室中可以實現(xiàn)多次折返(折返總光程可由氣室尺寸及傾角計算得到)，從而實現(xiàn)提高測試精度的設(shè)計要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。圖1中，處理器采用現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)。

2理論分析

由比爾-朗伯定律[8]可知，氣室內(nèi)被測氣體甲醛質(zhì)量濃度可表示為：

(1)其中：l為有效吸收光程，mm；α(ν)為吸光系數(shù)；Ix-I0為初始光與探測光的光強差,cd。首先，氣室內(nèi)由進氣口充入空氣，此時測試數(shù)據(jù)為被測區(qū)域無甲醛時的初始光強；然后，將被測氣體充入氣室，光源照射后得到被甲醛氣體吸收的探測光，通過對兩組信號進行差分處理得到求解質(zhì)量濃度所需的光強差。在不同環(huán)境下，每次探測需要充入1次環(huán)境中空氣和1次待測氣體，這樣可以避免由于環(huán)境改變和空氣組分改變所引起的對甲醛質(zhì)量濃度測試的影響。引入窄帶濾光片和多次折返氣室后，甲醛質(zhì)量濃度[9]為：

(2)

其中：FWHM為窄帶濾光片的半寬波長區(qū)間，入射光強和探測光強由窄帶濾光片實現(xiàn)帶通濾波，而有效光程則被多次折返光程之和取代。

窄帶濾光片對應(yīng)的光強可以由兩次充氣后的入射光與探測光的差分得到，而有效光程之和可以計算得出，設(shè)氣室長為a，寬為b，傾角為φ，則原有光程差可表示為：

opd=a。

(3)

當(dāng)引入傾角φ后，則有：

opd=(a-btanφ)n，

(4)

其中：n為整數(shù)，n的限定條件為：

(5)

即

(6)

由式(4)可以看出：當(dāng)原有氣室尺寸不變時，可以通過調(diào)節(jié)傾角,大幅提高系統(tǒng)的有效光程，由此可以使被測氣體對入射光進行充分吸收，從而提高系統(tǒng)的檢測精度。需要指出的是，角度減小雖然能夠增大有效光程，但不是任意的，需要考慮兩點：一是由于小角度加工引入的誤差可能會大幅影響光線的折返路徑；二是過小角度對末端探測器放置及聚焦透鏡的安排都會有明顯的影響。

3測試

3.1測試方案

測試對象為新裝修的房屋、家具商場以及封閉寫字樓內(nèi)的空氣。分別在其環(huán)境中抽取靜置氣體作為被測氣體樣品，由于戶外空氣可視為無甲醛氣體，故將被測地戶外空氣作為初始測試的無甲醛空氣樣品。測試選擇260 W高壓氙燈作為寬帶紅外光源，選擇THORLABS公司生產(chǎn)的窄帶濾光片，帶寬優(yōu)于1 nm，最大透過率優(yōu)于90%。多次折返吸收氣室a=10 cm，b=10 cm，φ=1°，計算可知有效光程約為58 cm。探測器采用Hamamatsu公司生產(chǎn)的InSb型探測器，光譜探測范圍為1.1～6.8 μm，有效覆蓋甲醛特征吸收峰。

3.2窄帶濾光片光譜波段的選取

圖2　甲醛特征吸收光譜圖

在設(shè)計選擇窄帶濾光片的波段及通透性能時，首先需要通過光譜儀獲得甲醛的準(zhǔn)確吸收峰位置，甲醛的特征吸收光譜見圖2。由圖2可知：甲醛的特征吸收帶主要集中在1 730～1 737 cm-1，2 768～2 773 cm-1和2 842～2 849 cm-1。為了避開大部分可能存在干擾氣體的強吸收帶，例如H2O在2 768～2 773 cm-1具有強吸收的能力，而2 842～2 849 cm-1吸收峰旁瓣下降度不高，對比不明顯，不適合作為測試帶。因此，選擇1 730～1 737 cm-1求解較為合適，將窄帶濾光片中心波長設(shè)置在1 734 cm-1處效果最佳。

3.3測試分析

在20 ℃的常溫條件下，對新裝修房屋、家具商場和封閉寫字樓內(nèi)的空氣進行測試，每個測試位置記錄多次取平均值，測試數(shù)據(jù)與TT-PN-50P型電化學(xué)反應(yīng)式甲醛檢測儀的測試結(jié)果進行了比較。測試結(jié)果如表1所示，其中，位置序號表示不同測試位置。

表1　不同環(huán)境氣體樣品中的甲醛質(zhì)量濃度　μg/m3

由表1可知：在新裝修房屋、家具商場和封閉寫字樓的甲醛質(zhì)量濃度測試中，大部分測試結(jié)果高于國家標(biāo)準(zhǔn)[11]。其中，有個別探測位置的甲醛質(zhì)量濃度較低，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)序號7、8和9的位置都是靠窗背陰處，分析認為這幾個點位有少量空氣滲入，有一定的稀釋效果。在家具商場及封閉寫字樓中也遵循相同的規(guī)律，陰面房間甲醛質(zhì)量濃度低于陽面房間，臨窗位置低于空氣相對不流通的位置。為了佐證此推斷，將3個被測場所的窗口盡量打開，并通風(fēng)1 h后，關(guān)閉所有窗戶，穩(wěn)定后進行測試，得到第10組平均數(shù)據(jù)。由第10組數(shù)據(jù)可知：新裝修房屋和封閉寫字樓甲醛質(zhì)量濃度降低明顯，均低于80 μg/m3，達到使用要求。家具商場甲醛質(zhì)量濃度沒有達標(biāo)，但與之前相比有明顯下降。同時，通過測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)甲醛質(zhì)量濃度高于100 μg/m3時，兩種系統(tǒng)測試結(jié)果相近，平均測試誤差均小于2%，符合測試要求(誤差小于5%)。當(dāng)質(zhì)量濃度低于100 μg/m3時，本文系統(tǒng)測試結(jié)果比TT-PN-50P型甲醛檢測儀的測試結(jié)果小，平均測試誤差增大，可能是由于當(dāng)甲醛質(zhì)量濃度較低時，吸收過程不充分所致。由甲醛質(zhì)量濃度求解公式(2)可知：當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計完成后，吸光系數(shù)與光程是不變量。唯一使甲醛質(zhì)量濃度發(fā)生變化的是回波光光強之差，而初始光也是固定的，所以可以認為甲醛質(zhì)量濃度與回波光光強滿足單調(diào)的變化關(guān)系。所以，下一步的研究內(nèi)容是通過數(shù)據(jù)擬合的方式獲得測試結(jié)果的擬合曲線，對結(jié)果進行校正，進一步提高系統(tǒng)的測試精度。

4結(jié)束語

設(shè)計了一種基于特征光譜吸收技術(shù)的甲醛質(zhì)量濃度檢測系統(tǒng)，其既具有光譜檢測速度快、無需準(zhǔn)備、無“中毒現(xiàn)象”的優(yōu)點，又比傳統(tǒng)的光譜吸收檢測方法的檢測精度高。本系統(tǒng)主要通過合理選擇窄帶濾光片和應(yīng)用多次折返吸收氣室的方法，實現(xiàn)在無窄帶激光器及氣室尺寸不變的條件下，提高甲醛測量精度。對不同環(huán)境下的氣體樣品測試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(60378019);吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃基金項目( [2015]580)

作者簡介：劉赟(1975-),女,吉林磐石人,副教授,碩士,主要研究方向為儀器儀表和動態(tài)測試等.

收稿日期：2016-01-09

文章編號：1672-6871(2016)04-0101-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.021

中圖分類號：O433.1

文獻標(biāo)志碼：A