随着人们对生活质量越来越高的追求, 室内装修已经发展到相当成熟的阶段。各种含有化学成分的原料作为建筑装饰材料也随之进入各个家庭, 这就使得室内空气的污染程度要比室外环境高出5~10倍, 其中最为主要的就是甲醛污染, 因此, 研究室内甲醛气体检测方法具有重要的意义^[1-3]。通过对甲醛气体光谱分析, 利用红外光谱吸收原理^[4]和差分吸收技术^[5-6], 把经过甲醛气体吸收后的光信号转换成电信号交由LabVIEW接收数据、分析处理数据和显示数据。

虚拟仪器(Ⅵ)技术是一种强大的技术, 可应用于各种自动化测试, Ⅵ始终将计算机作为主心骨, 利用软件完成仪器的操控、数据的传输与分析、信号的采集等, 并与计算机、仪器和测控系统硬件资源连接在一起。美国NI(National Instruments)公司开发的强大的LabVIEW是虚拟仪器最具代表性的结晶, 是一种被称为“G”语言的图形化语言开发平台, 该软件由前面板和程序框图组成, 包含了采集、分析、显示、存储等数量庞大的集成模块, 大大减轻了编程的复杂程度, 有着其他软件所远远不及的编程效率。本文充分利用NI技术, 将软硬件完美结合, 对甲醛浓度信号进行采集、处理和存储等, 将甲醛浓度信息直观、稳定地展现了出来。

当光穿过不同的物质时, 光子与物质分子相互作用, 部分光被吸收的现象是光谱分析的物理基础, 也是本文检测甲醛气体的特征吸收光谱选择依据。如图 1所示, 当光透过甲醛气体后其数学表达式为

图 1

Figure 1

图 1 甲醛吸光过程 Figure 1 Formaldehyde absorption process

(1)

式中:I(λ)为透射光源的光强; I₀(λ)入射光源的光强; L为甲醛气体厚度; -σ(λ)为吸收截面; C为甲醛气体浓度。其中-σ(λ)表示每个甲醛分子能够吸收光子的那部分电子雀跃面积, 面积越大, 表示吸收光子的能力越强, C作为甲醛气体浓度, 是本文所要探测的参数^[7]。

光透过甲醛气体时, 光线经过甲醛气体的选择性吸收, 光谱结构和强度都发生变化, 利用数学对数原理可得甲醛气体浓度表达式为

(2)

由式(2) 可知, 如果σ(λ)L已知, 只要测出I(λ)和I₀(λ)就可以计算得到甲醛气体浓度C。为了避免光源、光电器件等对检测结果的影响, 本文通过差分吸收技术和单光路双波长的工作方式进行多次测量, 最终检测得到甲醛气体浓度。甲醛气体的特征吸收区主要在3.514 μm、3.607 μm和5.770 μm, 通过HITRAN数据库可以查询甲醛气体在红外区域由较强的吸收线, 因此选用3.607 μm的光源进行甲醛气体浓度检测。

实验系统如图 2所示, 红外光源分成两路光束, 一束为被测光束经过吸收气室被甲醛气体吸收, 另一束为参考光束不经过吸收气室, 随后两束光到达各自方波脉冲调制模块, 两束光形成对比光束经过探测器, 而后经由信号调理电路转换成与浓度相关的电信号。由于探测器输出的信号强度弱, 经由差动放大电路后将放大的电信号传递至A/D芯片, A/D芯片将采集到的甲醛浓度模拟信号转化为数字信号并传至单片机处理, 并由上位机实现解调、显示甲醛浓度和报警等功能。本文选择的是人机友好的LabVIEW实现相关功能。

图 2

Figure 2

图 2 浓度数据采集框图 Figure 2 Block diagram of concentration data acquisition

为方便测量, 用滤光片使得到两束光强相等, 选取近似等于3.607 μm的两束光λ₁和λ₂, 可得式

(3)

式中:K为输出电压信号; I为初始入射光强; I₁为参考光束经滤光片后的光强; I₂为被测光束经被测气体和滤光片后的光强。式(3) 就是输出电压信号与浓度的关系。

LabVIEW是集控制与仿真为一体的高级语言, 提供了各种方便客户进行算法开发与应用的模块。整个系统在工作时需要一个模块进行初始化以及协调管理等工作, 这就是主控制模块的功能, 除了上述功能外它还能对数据进行一系列的处理。上位机监控系统启动后, 首先执行初始化, 然后再通过采集并判断各输入控件值, 实现对相应功能子模块的调用和管理, 以保证参数设置、数据采集与处理、保存与显示等功能, 使得整个系统稳定工作^[8]。主控制模块如图 3所示。

图 3

Figure 3

图 3 系统主控制模块框图 Figure 3 Block diagram of the main control module of the system

数据采集过程如下:第一步是利用VISA初始化函数设置串口参数; 第二步是再次利用这个函数做清零工作, 以便提供足够的空间给要上传的数据; 第三步是进行前导码辨认以获取真正需要的数据, 辨认过程需要依靠While循环和Case Structure两个函数; 第四步是对数据进行转换, 转换过程是将数据模式由字符串转换成字节数组格式, 并交由处理模块进行处理。数据采集如图 4所示^[9-12]。

图 4

Figure 4

图 4 数据采集部分程序框图 Figure 4 Program block diagram of data acquisition

经过这四步之后将数据进行处理, 数据处理部分框图如图 5所示。数据处理子模块以接收到的16个字节为一个处理循环, 最后在前面板将甲醛气体浓度值、是否超标需要报警、节点气压等值直观地显示出来。由于LabVIEW本身具有一种多线程进行数据处理的优势, 因此各功能对应的程序代码能同时执行。

图 5

Figure 5

图 5 数据处理部分框图 Figure 5 Block diagram of data processing

根据前述电压信号与浓度的关系, 通过光电结合的方式实现对甲醛气体浓度的检测, 整个检测通过检测放大电路和放大倍数的调整并经A/D转换后送单片机, 由单片机现场控制检测, 真正实现了甲醛浓度的实时检测。

本文对红外光谱进行分析研究, 选取甲醛气体吸收最好的谱线作为中心波长, 并充分使用了LabVIEW开发平台, 对采集到的经过甲醛吸收后的光信号进行A/D转换, 实现了数据采集、存储、处理和显示等一系列操作控制过程。从结果可以看出, 利用LabVIEW来设计系统软件, 具有界面直观、稳定性好、灵敏度高的特点, 满足室内甲醛监控要求。由于测量环境中存在其他干扰气体, 它们可能与甲醛气体存在相似的特征吸收区, 从而使得探测光束被其他气体吸收, 造成检测结果的误差, 因此, 如何完全清除其他气体的影响还有待进一步的研究。