实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法
【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 中苯浓度的实验环境中挥发苯气体浓度检测系统和检测方法。
【背景技术】
[0002] 苯是一种无色、具有特殊芳香气味的液体，能与醇、醚、丙酮和四氯化碳互溶，微溶 于水。苯具有易挥发、易燃的特点，其蒸气有爆炸性。经常接触苯，皮肤可因脱脂而变干燥， 脱肩，有的出现过敏性湿疹。长期吸入苯能导致再生障碍性贫血。
[0003] 苯主要来自建筑装饰中大量使用的化工原料，如涂料。在涂料的成膜和固化过程 中，其中所含有的苯、苯类等可挥发成分会从涂料中释放，造成污染。
[0004] 目前对于低浓度苯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苯的浓度，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苯的现 场准确快速检测。
[0005] 因此，目前使用的用于微量苯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苯浓度的实验环境中挥发苯气体浓 度检测系统和检测方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统，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、尾气处理装置和支撑架，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 有至少2层气体敏感膜、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传感器和苯传感器；气体敏感膜上设 有若干个通孔，与气体敏感膜位置相对应的气室内壁上设有若干条导气竖槽；
[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；尾气处理装置与气室上部的出气管相连通；
[0012] 控制器分别与存储器、各个电扇、各个电磁阀、金属网、第一电机、第二电机、MQ-2 传感器、MQ-135传感器和苯传感器电连接。
[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] 金属网用于加热气体敏感膜，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，苯传感器用于检 测苯气体信号；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，苯传感器作为检测苯气体的主传感器，将MQ-2传 感器、MQ-135传感器和苯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，又保留了主力传感器与辅助传感器之间的信号差异信 息，提尚了检测精度。
[0016] 因此，本发明具有灵敏度高、稳定性好且响应时间短，对苯具有较好的选择性，能 够检测出浓度更低的微量苯气体，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；尾气处理装置为酒精灯。空腔和碳纳米管增加了气体敏感膜 对气体的吸附能力。
[0021] 一种实验环境中挥发苯气体浓度检测系统的检测方法，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 气室下部内充入氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和苯传感器清洗10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，尾气处理装置处理从出气管输出的实验室气体；各个 气体敏感膜吸附气体，5至15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8分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作；
[0026] (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；
[0027] (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 和苯传感器检测气体信号，控制器收到苯传感器的检测信号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) = Sl2(t) + (Sl(t) -S2(t))2+(S1 (t)-S3(t))2计算传感器融合信号 signal (t);
[0028] (6-7)存储器中预先存储有随机共振模型和苯浓度预测模型，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，
[0029] 将SNR输入苯浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的苯浓度。
[0030] 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，苯传感器作为检测苯气体的主传感器，苯传感器的 检测信号为SI (t)、MQ-2传感器的检测信号为S2 (t)，MQ-135传感器的检测信号为S3 (t); 本发明利用公式
[0031] signal (t) = SI2 (t) + (SI (t) -S2 ⑴）2+ (SI ⑴-S3 ⑴）2将 MQ-2 传感器、M