一种新型甲醛质量浓度快速检测系统

刘　赟，王　波，刘智超,3

(1.长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 130000；2.长春禹衡光学有限公司，吉林 长春 130000；3.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130000)



一种新型甲醛质量浓度快速检测系统

刘赟1，王波2，刘智超1,3

(1.长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 130000；2.长春禹衡光学有限公司，吉林 长春 130000；3.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130000)

摘要：为了快速获取被测气体中甲醛质量浓度，设计了一种基于特征光谱吸收的甲醛质量浓度快速检测系统。根据甲醛的特征光谱分布，选择1 730～1 737 cm-1作为窄带滤光片的带通滤波区。利用多次折返吸收气室增大了有效光程，提高了对甲醛质量浓度的检测精度。针对新装修房屋、家具商场和封闭写字楼内的空气进行测试，并将测试结果与TT-PN-50P型甲醛检测仪的测试结果进行了比较。测试结果显示：当甲醛质量浓度高于100 μg/m3时，两者测试结果相近，平均误差小于2%；当甲醛质量浓度低于100 μg/m3时，系统测试结果比甲醛检测仪的测试结果小，平均误差增大，但仍满足测试要求。

关键词：特征光谱；多次折返吸收气室；窄带滤光片；甲醛浓度

0引言

随着经济的不断发展，人类对环境的影响也越来越大，家庭装修对空气的污染不容忽视。装修建材、家具等可排放出各种污染气体，其中，最常见就是甲醛(CH2O)。劣质家具和建材的甲醛挥发量常高于国家标准(80.0 μg/m3)，即使是合格产品在封闭环境中遇阳光照射甲醛挥发量也可能会超过这一标准。因此，开发一种可以快速、准确检测被测区域甲醛质量浓度的检测系统，具有重要意义。

传统的甲醛检测方法有化学反应分析法、反应器件检测法和光学检测法。化学反应分析法常用于化学实验室，检测精度高，测试效果稳定，但配制反应溶液等需要专人完成，操作复杂。反应器件检测法，如电化学探测器件和气相色谱器件等，不需要专门制备反应物，可直接测量，设计小巧、便于携带，检测精度高，但其最大的缺点是需要准备时间。光学检测法是近年来应用最广泛的测试手段，其利用甲醛的特征吸收峰结合比尔-朗伯定律完成甲醛质量浓度的计算，无需准备，速度快，操作简便，但其检测精度受有效光程制约，精度较低。文献[1]采用中红外量子级联激光器系统进行甲醛检测，速度快，精度高，但价格昂贵，一般多应用于痕量气体的检测。文献[2]利用可调谐激光器实现对甲醛特征吸收峰位置的扫描，可以大大减小特征吸收位置不准所导致的质量浓度求解误差，但可调谐激光器成本高，波长范围可控性小，限制了其应用。文献[3-5]均采用便携式设计的反应器件，有利于系统在实际中应用，但由于其分别应用于不同场合，所以要对甲醛气体进行测试和数据采集仍需要进行修改及完善。文献[6]采用弹光调制技术，与文献[2]的思路类似，都是通过调制特征吸收峰波长位置完成的，对系统的控制电路及数据处理能力要求较高。目前，对甲醛质量浓度检测的改进方法主要是将光源的峰值位置与甲醛特征吸收峰对准[7-10]。

综上所述，现有的技术对于甲醛气体质量浓度的检测存在以下问题：快速检测和在线分析的精度低，而精度高的需要配备氧气，无法实时检测，故开发可以快速、精确检测甲醛气体的系统具有重要意义。本文研究目的是在满足一定检测精度(优于国家标准)的前提下，实现甲醛质量浓度的快速检测和便携式小型化结构的设计要求。

1系统结构设计

图1　甲醛质量浓度快速检测系统结构图

入射光光谱是否能有效对准吸收带，以及是否可以在基本不改变气室尺寸的前提下增大有效吸收光程，是提高系统检测精度的关键。首先，在便携式气体检测设备中采用昂贵的窄带宽激光器显然是不现实的，而宽带红外光源不能有效对准特征吸收位置，故系统采用红外光源加窄带滤光片的结构实现对红外光源波段滤波。窄带滤光片的有效半宽为1 nm，相比直接采用红外光源测试而言，其波段选择能力大大提高；其次，由于系统是根据比尔-朗伯定律[8]完成气体质量浓度的检测与计算，故使气体充分吸收(即增大有效光程)可以进一步提高检测精度。为此，设计了多次折返吸收气室的结构，将光源与探测器放置在同侧，两端由带倾角φ的反射镜构成，则入射光在原有长度的气室中可以实现多次折返(折返总光程可由气室尺寸及倾角计算得到)，从而实现提高测试精度的设计要求。系统结构设计如图1所示。图1中，处理器采用现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)。

2理论分析

由比尔-朗伯定律[8]可知，气室内被测气体甲醛质量浓度可表示为：

(1)其中：l为有效吸收光程，mm；α(ν)为吸光系数；Ix-I0为初始光与探测光的光强差,cd。首先，气室内由进气口充入空气，此时测试数据为被测区域无甲醛时的初始光强；然后，将被测气体充入气室，光源照射后得到被甲醛气体吸收的探测光，通过对两组信号进行差分处理得到求解质量浓度所需的光强差。在不同环境下，每次探测需要充入1次环境中空气和1次待测气体，这样可以避免由于环境改变和空气组分改变所引起的对甲醛质量浓度测试的影响。引入窄带滤光片和多次折返气室后，甲醛质量浓度[9]为：

(2)

其中：FWHM为窄带滤光片的半宽波长区间，入射光强和探测光强由窄带滤光片实现带通滤波，而有效光程则被多次折返光程之和取代。

窄带滤光片对应的光强可以由两次充气后的入射光与探测光的差分得到，而有效光程之和可以计算得出，设气室长为a，宽为b，倾角为φ，则原有光程差可表示为：

opd=a。

(3)

当引入倾角φ后，则有：

opd=(a-btanφ)n，

(4)

其中：n为整数，n的限定条件为：

(5)

即

(6)

由式(4)可以看出：当原有气室尺寸不变时，可以通过调节倾角,大幅提高系统的有效光程，由此可以使被测气体对入射光进行充分吸收，从而提高系统的检测精度。需要指出的是，角度减小虽然能够增大有效光程，但不是任意的，需要考虑两点：一是由于小角度加工引入的误差可能会大幅影响光线的折返路径；二是过小角度对末端探测器放置及聚焦透镜的安排都会有明显的影响。

3测试

3.1测试方案

测试对象为新装修的房屋、家具商场以及封闭写字楼内的空气。分别在其环境中抽取静置气体作为被测气体样品，由于户外空气可视为无甲醛气体，故将被测地户外空气作为初始测试的无甲醛空气样品。测试选择260 W高压氙灯作为宽带红外光源，选择THORLABS公司生产的窄带滤光片，带宽优于1 nm，最大透过率优于90%。多次折返吸收气室a=10 cm，b=10 cm，φ=1°，计算可知有效光程约为58 cm。探测器采用Hamamatsu公司生产的InSb型探测器，光谱探测范围为1.1～6.8 μm，有效覆盖甲醛特征吸收峰。

3.2窄带滤光片光谱波段的选取

图2　甲醛特征吸收光谱图

在设计选择窄带滤光片的波段及通透性能时，首先需要通过光谱仪获得甲醛的准确吸收峰位置，甲醛的特征吸收光谱见图2。由图2可知：甲醛的特征吸收带主要集中在1 730～1 737 cm-1，2 768～2 773 cm-1和2 842～2 849 cm-1。为了避开大部分可能存在干扰气体的强吸收带，例如H2O在2 768～2 773 cm-1具有强吸收的能力，而2 842～2 849 cm-1吸收峰旁瓣下降度不高，对比不明显，不适合作为测试带。因此，选择1 730～1 737 cm-1求解较为合适，将窄带滤光片中心波长设置在1 734 cm-1处效果最佳。

3.3测试分析

在20 ℃的常温条件下，对新装修房屋、家具商场和封闭写字楼内的空气进行测试，每个测试位置记录多次取平均值，测试数据与TT-PN-50P型电化学反应式甲醛检测仪的测试结果进行了比较。测试结果如表1所示，其中，位置序号表示不同测试位置。

表1　不同环境气体样品中的甲醛质量浓度　μg/m3

由表1可知：在新装修房屋、家具商场和封闭写字楼的甲醛质量浓度测试中，大部分测试结果高于国家标准[11]。其中，有个别探测位置的甲醛质量浓度较低，经观察发现序号7、8和9的位置都是靠窗背阴处，分析认为这几个点位有少量空气渗入，有一定的稀释效果。在家具商场及封闭写字楼中也遵循相同的规律，阴面房间甲醛质量浓度低于阳面房间，临窗位置低于空气相对不流通的位置。为了佐证此推断，将3个被测场所的窗口尽量打开，并通风1 h后，关闭所有窗户，稳定后进行测试，得到第10组平均数据。由第10组数据可知：新装修房屋和封闭写字楼甲醛质量浓度降低明显，均低于80 μg/m3，达到使用要求。家具商场甲醛质量浓度没有达标，但与之前相比有明显下降。同时，通过测试结果可以发现：当甲醛质量浓度高于100 μg/m3时，两种系统测试结果相近，平均测试误差均小于2%，符合测试要求(误差小于5%)。当质量浓度低于100 μg/m3时，本文系统测试结果比TT-PN-50P型甲醛检测仪的测试结果小，平均测试误差增大，可能是由于当甲醛质量浓度较低时，吸收过程不充分所致。由甲醛质量浓度求解公式(2)可知：当系统设计完成后，吸光系数与光程是不变量。唯一使甲醛质量浓度发生变化的是回波光光强之差，而初始光也是固定的，所以可以认为甲醛质量浓度与回波光光强满足单调的变化关系。所以，下一步的研究内容是通过数据拟合的方式获得测试结果的拟合曲线，对结果进行校正，进一步提高系统的测试精度。

4结束语

设计了一种基于特征光谱吸收技术的甲醛质量浓度检测系统，其既具有光谱检测速度快、无需准备、无“中毒现象”的优点，又比传统的光谱吸收检测方法的检测精度高。本系统主要通过合理选择窄带滤光片和应用多次折返吸收气室的方法，实现在无窄带激光器及气室尺寸不变的条件下，提高甲醛测量精度。对不同环境下的气体样品测试结果表明，系统性能稳定，符合设计要求。

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基金项目：国家自然科学基金项目(60378019);吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划基金项目( [2015]580)

作者简介：刘赟(1975-),女,吉林磐石人,副教授,硕士,主要研究方向为仪器仪表和动态测试等.

收稿日期：2016-01-09

文章编号：1672-6871(2016)04-0101-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.021

中图分类号：O433.1

文献标志码：A