基于试液颜色测量的CO₂传感器及其检测方法

专利名称：基于试液颜色测量的CO₂传感器及其检测方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，具体而言是一种基于试液颜色测量的新型(X)2传感
O
背景技术：
二氧化碳(CO2)气体是一种无色无味的气体，它与我们的日常生活及工农业生产息息相关。二氧化碳浓度是决定空气质量的关键指示器，为提高人民的居住生活质量，适当控制室内环境中CO2含量是十分必要的。在农业生产中，如塑料大棚，适当控制CO2浓度可以明显提高作物和蔬菜的产量。此外，CO2传感器在生物医疗、食品包装、储存运输等方面也都有广泛的应用。虽然(X)2气体相当稳定，不利于检测，但人们还是利用其特性制作了各种类型的(X)2气体传感器。如利用它对特定波长的红外线的吸收特性制作了红外线式(X)2气体传感器；利用(X)2气体与其他气体的热导不一样的特性制作了热导式(X)2气体传感器等等；国内外不少研究者还对声表面波型、谐振型、半导体氧化物型和固态电解质型(X)2气体传感器进行了大量的研究。目前已经实用化的CO2传感器主要有红外线式、电化学式以及热传导式。红外线式CO2传感器以芬兰VAISALA公司生产的GMW20系列(X)2传感器为代表，它利用(X)2吸收波长红外线的物理特性来有选择地准确测量(X)2的分压，在(X)2浓度较高时，测量的精度及稳定性都较好。但这种方法在测量低浓度CO2时要求红外线通过较长的光学路径，才能获得足够明显的吸收效应，因此需要采用非常精密的光学镜头，导致了其价格非常昂贵，设备体积也很庞大，限制了它的使用，特别是在农业和日常生活这些需要大量使用CO2检测控制的场合。电化学式CO2传感器以FIGARO公司生产的TG S4160为代表，其体积小、成本低，但预热时间较长(一般为2小时)，适合于在室温下长时间通电连续工作。若长期在不加热的情况下存放(尤其是在高湿度环境下，比如蔬菜大棚)会导致输出电动势降低，因此不适合用来测量(X)2的绝对浓度，而只适合用来测量相对于大气中自然的(X)2浓度。热传导式(X)2 传感器以日本产NAP-21A为代表，它通过检测气体的热传导率差异来测量(X)2浓度，其稳定性较好，但工艺较为复杂，测量精度及对气体的选择性也不太理想，不太适用于低浓度和需要精确测量的场合。专利检索表明，丹佛斯公司设计了一种带有滤波器和分析装置的红外传感器 (ZL200580019565. 3)，具有更好的测量精确性，但无疑进一步增加了传感器的生产成本。 ELT株式会社设计了一种非发散的红外传感器光腔(ZL200480036879. X)，用以提高测量的精度，其设备也非常复杂。专利ZL200510086^6. 4针对电化学式(X)2传感器电势容易降低的问题，提出一种双固体电解质CO2传感器及其制备方法，采用经不可逆热力学修正的电动势公式以提高传感器的测量准确性。为降低热传导式传感器工艺的复杂度，专利 ZL200710053652. 1公开了一种气体敏感阵列传感器及其制备方法，采用丝网印刷技术制备在耐高温、电绝缘、导热的氧化铝、氮化铝或者硅的基片上，得到气体敏感阵列；气体敏感阵列通过轴固定在基座上，经超声热压焊接电极引线构成气体敏感阵列传感器。

发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种结构简单、成本低的CO2传感器。为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的—种基于试液颜色测量的(X)2传感器，其特征在于包括进气泵，进气泵的输出端通入颜色测量试液，用于测量试液的R、G、B三基色的光电检测电路与单片机相连，单片机与数码显示装置相连。前述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述颜色测量试液以 0. OOlmol/1的NaHCO3溶液，3_5滴酸碱指示剂制成，所述酸碱指示剂选择变色范围在大约 pH7 9之间。前述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述酸碱指示剂为下列中的一种甲酚红ρΗ7· 2 (黄) 8. 8 (紫红)；中性红pH6.8(黄) 8.0(红)；混合指示剂一份0. 中性红乙醇溶液，一份0. 亚甲基蓝乙醇溶液pH 7. 0变色(绿-蓝紫)。前述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述光电检测电路包括发射光源，透镜位于发射光源与试液之间，用于将散射光转变为平行光，试液的反射光通过位置交错均勻排列的红、绿和蓝滤光片到达光电二极管，位于同一色彩滤光片后的光电二极管之间并联成二极管阵列，二极管阵列的输出信号接入A/D转换电路。前述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述电源电路采用反馈稳流电路，发射光源为小功率半导体激光二极管，A/D转换采用ADC0809。一种基于试液颜色测量的(X)2传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)配置颜色检测试液；2)通过进气泵获得定量的待检测气体，待检测气体通过经由步骤1)得到的颜色检测试液，发生酸碱中和，产生颜色变化的测试液；3)利用激光光源和光电检测电路得到描述试液颜色的三基色R、G、B的强度；4)由试液颜色的三基色R、G、B的强度计算得到色调的定量描述kw。；5)由色调的定量描述kw。，通过单片机内置的BP神经网络实现颜色-CD2浓度转换；6)经单片机处理得到的(X)2浓度送数码显示装置显示。前述的基于试液颜色测量的(X)2传感器的检测方法，其特征在于在所述步骤4) 中，用色度坐标X，Y，Z表示颜色，即X = ^-^Y = ^1^Z=^-^(1)
R+G+B R+G+B R+G+B其中，R、G、B代表三基色数量，即该颜色的三刺激值，色调的定量描述<。的计算公式为
, Y-Yw 7-0.333 _5] ^ =YT^: = YT^⑵
4
式O)中，Xw，Yw分别为色度图中心点w的横坐标和纵坐标，值均为0. 333。前述的基于试液颜色测量的(X)2传感器的检测方法，其特征在于在所述步骤5) 中，采用BP神经网络拟合(X)2浓度C与kw。之间的非线性关系，以精确实现颜色-CD2浓度转换，具体方法为在计算机上完成BP神经网络的训练，然后将训练好的BP神经网络移植到单片机上，通过改变(X)2浓度C与实验环境获取多组kw。与C的对应数据，其中(X)2浓度C由精密的红外线式传感器标定。本发明提供一种基于试液颜色测量的新型(X)2传感器，不需要特殊的生产工艺，首先配置一种颜色对CO2浓度变化非常敏感的测试液体，该测试液体可重复利用；再利用光电技术测量颜色，并实现颜色到浓度的映射，从而达到测试出(X)2浓度的目的。由于需检测的信号变化明显，所需的测试液体配方原料价格低廉，再加上本发明采用的三基色检测方法对系统的机械制造精度没有过高的要求，所以本发明具有制造难度低、成本小、灵敏度高、 使用范围广等优点，非常适用于塑料大棚、玻璃温室、会议室、家庭等农业生产和民用场合。


图1为基于试液颜色测量的(X)2传感器设计示意图；图2为(X)2传感器的光电检测电路示意图；图3为单片机的主程序流程图；图4为ADC0809采集R、G、B三基色程序流程图；图5为颜色计算的色度图；图6为BP神经网络模型示意图；图7为基于神经网络的颜色-CD2浓度转换的程序流程图。
具体实施例方式1 CO2传感器系统设计完整的传感器设计如图1所示。测试气体由进气泵吸入，进气泵的输出端通入颜色测量试液。待检测的气体与颜色测量试液发生化学反应，反应后试液颜色发生改变，CO2 颜色敏感化学实验如2所述。通过光电检测电路精确测量试液的R、G、B三基色，将得到的 R、G、B三基色的值输入到单片机，由单片机进行颜色计算，并借助神经网络完成颜色_0)2浓度的非线性转换，最终测量的(X)2浓度结果送数码管显示。测量R、G、B的光电检测电路设计如3所述，颜色计算如4所述，基于神经网络的颜色-CD2浓度的非线性转换如5所述。2 CO2颜色敏感化学实验根据化学反应原理，选配一种化学溶液，使其颜色对(X)2气体浓度变化敏感，从而将(X)2气体浓度变化对应为试液的颜色变化。对(X)2浓度的测量可以转换成对试液颜色的测量。由于CO2是一种酸性气体，利用酸碱中和的原理，与标准的溶液进行比色。该标准试液以0. 001当量的NaHCO3溶液，数滴酸碱指示剂(选择变色范围在大约pH7 9之间) 制成。由于碳酸氢钠具有弱碱性，该标准试液的初始颜色为碱色，通入一定体积的空气后， 空气中含有的CO2溶于试液中并与水反应生成不稳定的碳酸，从而增加了酸性，使试液由弱碱性转变为弱酸性，导致颜色变为酸色。CO2的浓度越高，颜色变化越明显。静置一会以后，饱和的(X)2自动逸出，试液逐渐恢复弱碱性，颜色也相应恢复为初始颜色。测试后试液组成不变，反应可逆，因此试液可循环使用。其中试液中的酸碱指示剂可有多种选择，以下给出几种典型选择方案甲酚红(C21H18O5S):pH7. 2 (黄) 8. 8 (紫红)；中性红pH6. 8 (黄) 8. 0 (红)；混合指示剂一份0. 中性红乙醇溶液，一份0. 亚甲基蓝乙醇溶液pH 7. 0变色(绿-蓝紫)目前，已有基本配方，将对其进行进一步的理论分析和实验调整。拟采用分子动力学计算机模拟的方法，理论指导实验，研究出最佳配方。3光电检测电路设计光电检测电路部分由电源电路、发射光源、透镜、红、绿和蓝滤光片、光电二极管阵列、A/D转换电路及单片机组成。图2给出了除电源电路、发射光源、滤光片外的核心电路图。电源电路采用反馈稳流电路，能够稳定激光光源的输出功率。发射光源选择体积小、重量轻、性能价格比高、安装移动方便的小功率半导体激光二极管。透镜位于发射光源与试液之间，用于将散射光转变为平行光，便于光电二极管的感光测量，透镜到试液的距离及其焦距通过实验固定。A/D转换采用ADC0809，单片机采用8051。试液的反射光通过位置交错均勻排列的红、绿和蓝滤光片到达光电二极管，位于同一色彩滤光片后的光电二极管之间并联成二极管阵列，以消除不同位置探测光强不同带来的色彩测量误差。物体反射光经过红，绿蓝三色滤光片加到光电二极管阵列上产生变化的电流，变化的电流经过电阻变成变化的电压。三种颜色的光电二极管阵列分别得到模拟的R、G、B电压值，电压经过运算放大器 (LM324)放大输入到ADC0809的模拟通道(IN0-IN2)，ADC0809的输出数字通道(2-1-2-8) 接单片机的输入P0. 0-P0. 7脚，将ALE四分频作为ADC0809的时钟工作信号。单片机加电后首先完成初始化，然后等待程序启动按钮开启，程序启动后首先控制ADC0809依次采集 R、G、B三个信号，并存储到指定的空间中，数据采集完毕后指示灯(接在P3. 4的发光二极管)亮，处理完毕后送数码管显示。系统配置有启动(P1.0)和关闭按钮(P1. 1)，可以随时开启和关闭系统。单片机的主程序流程图如图3所示。ADC0809转换器的片选信号由P2. 7控制，其通道地址IN0-IN7分别为 7FF8H-7FFFH。当8051产生WR(低电平有效)信号时，则由一个或非门产生转换器的启动信号START和地址锁存信号ALE (高电平有效)，同时将通道地址ADDA、ADDB, ADDC送地址总线，模拟量由被选中的通道送到A/D转换器，并在START下降沿时开始逐位转换，当转换结束时，转换器结束信号EOC变高电平。经反相器可向CPU发中断请求或由CPU查询，当8051 产生RD(低电平有效)信号时，则由一个或非门产生OE输出允许信号(高电平有效)，使A/ D转换的结果读入单片机。ADC0809接口控制程序我们主要采用的是查询方式，程序先启动 ADC0809，然后再等待P3.2由高变低(代表ADC0809采集数据完成)并将采集数据转存入数据存储器中，然后接着启动下一次ADC0809，直至三次数据采集完成。启动ADC0809时我们使用指令“M0VX0R0，A”使P2. 7及WR信号有效启动A/D转换，ADC0809根据P2. 0、Ρ2· 1、 Ρ2. 2 (接ADDA、ADDB, ADDC)的状态选通三个通道中一个将其进行A/D装换。ADC0809转换完成以后使EOC变高，经反相器后变低，单片机程序查询到P3. 2变低以后使用指令“M0VXA，0DPTR”使RD信号有效，将转换后数据读入寄存器A中后转存入数据存储器中。三次数据采集完成以后程序将采集完成指示灯(接在P3. 4 口)闪烁三下后，单片机完成颜色计算与浓度测定后，指示灯亮30秒钟，然后将最终结果送数码管显示。ADC0809采集R、G、B三基色程序流程图如图4所示。显示数值时，使用单片机程序将显示的值依次从串口串行的输出(P3. 1作为时钟，P3.0作为输出口)，经过移位寄存器74LS164将串行数据转换成并行数据送数码管显示。测量范围为0 2000ppm，可显示多位。4颜色计算任何颜色均可用红、绿、蓝三基色按比例匹配而成，若以(C)代表被匹配的颜色，C 代表其颜色数量；以00、(G)、(B)代表三基色，R、G、B代表三基色数量，即该颜色的三刺激值，则C(C) eR(R)+G(G)+B(B)，其中“Ε”符号表示视觉上相等。用色度坐标X，Y，Z表示颜色，即
权利要求
1.一种基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于包括进气泵，进气泵的输出端通入颜色测量试液，用于测量试液的R、G、B三基色的光电检测电路与单片机相连，单片机与数码显示装置相连。
2.根据权利要求1所述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述颜色测量试液以0. OOlmol/1的NaHCO3溶液，3_5滴酸碱指示剂制成，所述酸碱指示剂选择变色范围在pH7 9之间。
3.根据权利要求2所述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述酸碱指示剂为下列中的一种甲酚红:pH7. 2 (黄) 8. 8 (紫红)；中性红pH 6. 8 (黄) 8. 0 (红)；混合指示剂一份0. 中性红乙醇溶液，一份0. 亚甲基蓝乙醇溶液pH 7.0变色 (绿-蓝紫)。
4.根据权利要求1所述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述光电检测电路包括发射光源，透镜位于发射光源与试液之间，用于将散射光转变为平行光，试液的反射光通过位置交错均勻排列的红、绿和蓝滤光片到达光电二极管，位于同一色彩滤光片后的光电二极管之间并联成二极管阵列，二极管阵列的输出信号接入A/D转换电路。
5.根据权利要求4所述的基于试液颜色测量的CO2传感器，其特征在于所述电源电路采用反馈稳流电路，发射光源为小功率半导体激光二极管，A/D转换采用ADC0809。
6.根据权利要求1所述的基于试液颜色测量的CO2传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)配置颜色检测试液；2)通过进气泵获得定量的待检测气体，待检测气体通过经由步骤1)得到的颜色检测试液，发生酸碱中和，产生颜色变化的测试液；3)利用激光光源和光电检测电路得到描述试液颜色的三基色R、G、B的强度；4)由试液颜色的三基色R、G、B的强度计算得到色调的定量描述kw。；5)由色调的定量描述kw。，通过单片机内置的BP神经网络实现颜色-CD2浓度转换；6)经单片机处理得到的CO2浓度送数码显示装置显示。
7.根据权利要求6所述的基于试液颜色测量的CO2传感器的检测方法，其特征在于在所述步骤4)中，用色度坐标X，Y，Z表示颜色，即X= R γ = g Z= B(1)R+G+B R+G+B R+G+B其中，R、G、B代表三基色数量，即该颜色的三刺激值，色调的定量描述kw。的计算公式为L=I^ll(2)X-0.333
8.根据权利要求7所述的基于试液颜色测量的CO2传感器的检测方法，其特征在于在所述步骤5)中，采用BP神经网络拟合CO2浓度C与kw。之间的非线性关系，以精确实现颜色-(X)2浓度转换，具体方法为在计算机上完成BP神经网络的训练，然后将训练好的BP神经网络移植到单片机上，通过改变(X)2浓度C与实验环境获取多组kw。与C的对应数据，其中(X)2浓度C由精密的红外线式传感器标定。
全文摘要
本发明公开了一种基于试液颜色测量的CO2传感器及其检测方法，基于试液颜色测量的CO2传感器包括进气泵，进气泵的输出端通入颜色测量试液，用于测量试液的R、G、B三基色的光电检测电路与单片机相连，单片机与数码显示装置相连。本发明由于需检测的信号变化明显，所需的测试液体配方原料价格低廉，另外本发明采用的三基色检测方法对系统的机械制造精度没有过高的要求，所以本发明具有制造难度低、成本小、灵敏度高、使用范围广等优点。
文档编号G01N21/27GK102435558SQ20111026938
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者李庆武, 李豪, 王永珍, 霍冠英 申请人:河海大学常州校区