專利名稱：禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有害氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
家禽養(yǎng)殖環(huán)境中的含硫有機物(糞便、墊草、飼料等)在分解過程中會產(chǎn)生H2S氣體。氣體具有毒性，并散發(fā)出刺激性氣味。當禽舍內(nèi)存在低濃度的壓5氣體時，會對禽類和飼養(yǎng)人員的嗅覺產(chǎn)生刺激，引起呼吸道的不適感和疾病；當禽舍內(nèi)存在高濃度的H2S氣體時，會導致禽類和飼養(yǎng)人員中毒，甚至死亡；在禽舍內(nèi)的氣體向外排放時，會造成周邊空氣的惡化。H2S氣體的毒性雖然較強，但禽舍內(nèi)的H2S氣體濃度一般較低，給其在線檢測帶來了一定的困難?，F(xiàn)常用的禽舍內(nèi)氣體在線檢測方法有兩種。一種為紫外熒光分析法(Temporal and spatial distributions of aerial contaminants in an enclosed pig buildings in winter, Environmental Research，44 卷，第 6 期，11-19 頁)將 H2S 氣體通過轉(zhuǎn)爐在 400°C時轉(zhuǎn)化為SO2，通過激光誘導熒光分析的濃度，從而獲得的濃度。另一種方法為電化學法(Micro-machined nano-crystal1ine silver doped SnO2 H2S sensor,Sensors anf Actuators B =Chemical, 114卷，第1期，32-39頁)，即使待測氣體與制備的金屬氧化物電極起化學反應(yīng)，從而分析壓3的濃度。紫外熒光分析法可對禽舍內(nèi)氣體濃度進行精確測定，但有如下缺陷(1)需要進行高溫化學反應(yīng)，期間耗費時間和能量；(2)雖可實現(xiàn)在線監(jiān)測，但反應(yīng)速度慢，測量時間長；(3)裝置的體積一般比較大；(4)僅可獲得測量位置的氣體濃度，不能對一定區(qū)域內(nèi)的氣體濃度進行監(jiān)測。電化學法可實現(xiàn)禽舍內(nèi)H2S氣體濃度的低成本在線檢測，但有如下缺陷(1)禽舍內(nèi)H2S氣體濃度較低，電化學電極反應(yīng)不敏感，檢測精度不高；(2)電化學電極存在基線飄移，需經(jīng)常對其進行校準；(3)電化學電極實用壽命較短，需及時更換；(4)需要接觸測量，僅可獲得測量位置的吐5氣體濃度，不能對一定區(qū)域內(nèi)的H2S氣體濃度進行監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可實時獲取一定范圍內(nèi)的H2S氣體濃度、使用壽命長、且檢測精度高的非接觸式禽舍氣體濃度檢測系統(tǒng)及方法。(二)技術(shù)方案
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種禽舍內(nèi)硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器，用于發(fā)射設(shè)定波長的激光，所述設(shè)定波長為硫化氫氣體的特征波長；光收發(fā)器，與所述激光器連接，用于將發(fā)射光發(fā)送至反射器，并將反射器反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器；反射器，用于將由所述光收發(fā)器發(fā)出的激光反射回所述光收發(fā)器；光電檢測器， 與所述光收發(fā)器相連，用于對所述反射光進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器；信號采集處理及顯示器，與所述光電檢測器相連，用于根據(jù)所述電信號，采用朗伯比爾定律反演待測硫化氫氣體的濃度，并顯示得到的待測硫化氫氣體的濃度 fn息ο優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括激光器控制模塊，與所述激光器相連，用于驅(qū)動所述激光器發(fā)射激光信號。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括溫控模塊，所述激光控制模塊相連，用于將所述激光器的溫度控制在恒定范圍內(nèi)，并產(chǎn)生調(diào)制信號，對激光器發(fā)射的激光的波長進行調(diào)制。優(yōu)選地，所述激光器為分布反饋DFB激光器。優(yōu)選地，所述光收發(fā)器包括光準直器，用于濾除所述激光器發(fā)射的激光中的雜散光，以及匯聚反射器反射回的反射光；分光單元，用于對所述光準直器匯聚的反射光進行分光處理。優(yōu)選地，所述光收發(fā)器與所述激光器通過光纖連接。優(yōu)選地，所述反射器為平面反射鏡，或為由互相垂直的兩個反射鏡構(gòu)成的角鏡結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種禽舍內(nèi)硫化氫氣體濃度檢測方法，該方法包括步驟Si.驅(qū)動激光器發(fā)射設(shè)定波長的激光，所述設(shè)定波長為硫化氫氣體的特征波長；S2.光收發(fā)器將激光器發(fā)射的光發(fā)送至反射器，并將發(fā)射器反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器；S3.光電檢測器對所述反射光進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器；S4.信號采集處理及顯示器根據(jù)所述電信號，采用朗伯比爾定律反演待測硫化氫氣體的濃度，并顯示得到的待測硫化氫氣體的濃度。優(yōu)選地，步驟S4包括S4. 1信號采集處理及顯示器對所述電信號進行放大以及濾波處理，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字化的待測硫化氫氣體的二次諧波信號；S4. 2多次重復步驟S1-S4. 1，得到待測硫化氫氣體的多個二次諧波信號；S4. 3用于已知濃度的硫化氫氣體的二次諧波信號對待測硫化氫氣體的多個二次諧波信號進行最小二乘法線性擬合，得到待測硫化氫氣體的二次諧波信號的最優(yōu)值；S4. 4根據(jù)朗伯比爾定律，用所述已知濃度的硫化氫氣體的濃度乘以所述最優(yōu)值得到所述待測硫化氫氣體的含量。(三)有益效果本發(fā)明的系統(tǒng)及方法通過DFB激光器開放光程發(fā)射窄線寬激光，然后測量其光譜吸收強度的方式，在非接觸的情況下實現(xiàn)了在線快速檢測H2S氣體的濃度。該系統(tǒng)簡單便攜，可控光程范圍大，適用于大、中、小型各類禽舍的氣體檢測，靈敏度高，液晶顯示便于人性化操作。相對于原有技術(shù)，極大程度節(jié)約了人力、物力和時間。


圖1為依照本發(fā)明一種實施方式的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為依照本發(fā)明一種實施方式的禽舍硫化氫氣體濃度檢測方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的禽舍硫化氫(H2S)氣體濃度檢測系統(tǒng)及方法，結(jié)合附圖及實施例詳細說明如下。本實施方式的禽舍氣體濃度檢測系統(tǒng)采用主動探測方式，用激光器產(chǎn)生波長為H2S氣體的特征波長的激光。激光發(fā)射后，在畜禽內(nèi)經(jīng)幾十米的傳輸后，在反射器表面發(fā)生全發(fā)射，經(jīng)分光后，被光電檢測器獲取。對光電檢測器獲得的激光光譜信號進行定量化分析，即可獲得光路中的待測氣體總濃度。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實施方式的禽舍硫化氫(H2S)氣體濃度檢測系統(tǒng)包括激光器4，用于發(fā)射波長為氣體的特征波長的激光。優(yōu)選地，激光傳輸距離在 5m-200m之間。激光器4還用于發(fā)射波長為參照波長的激光，參照波長用于對背景噪聲進行消除特征波長在硫化氫氣體中存在吸收，而參照波長不存在吸收，將二者相減，既得到系統(tǒng)本身的噪聲。光收發(fā)器5，與激光器4連接，用于將發(fā)射光發(fā)送至反射器6，并將反射器6反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器2。反射器6，安裝在禽舍的固定位置，且與激光器4之間無遮擋物，用于將由光收發(fā)器5發(fā)出的激光反射回光收發(fā)器5，反射器6表面可鍍鋁。光電檢測器2，與光收發(fā)器5相連，用于對反射光進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器1。光電檢測器2響應(yīng)的波段范圍涵蓋激光器4所發(fā)射的兩個波長。信號采集處理及顯示器1，與光電檢測器2相連，用于對光電檢測器2發(fā)送的微弱電信號進行放大、濾波等處理，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行采集，從而獲得數(shù)字化的激光光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)該激光光譜數(shù)據(jù)(二次諧波信號)，采用朗伯比爾定律(Lambert-Beer)反演待測 H2S氣體的濃度，并顯示得到的待測H2S的濃度信息。由Lambert-Beer定律可知，測量得到的二次諧波信號的幅度是與氣體濃度直接成正比關(guān)系的，因此可以直接根據(jù)處理后的二次諧波信號幅度來反演待測H2S氣體的濃度。 但是在反演前，必須找到標準濃度(一般濃度比較高)的吐3氣體做參考，根據(jù)標準氣體測得的二次諧波信號，對測得的待測氣體的二次諧波信號進行最小二乘法線性擬合，得到待測氣體的二次諧波的最優(yōu)值，標準氣體的濃度乘上這個最優(yōu)值便得到待測氣體的濃度。該系統(tǒng)還包括激光器控制模塊3，與激光器4相連，用于驅(qū)動激光器4，并且使激光器4工作在P-I特性曲線閾值電流之上的線性調(diào)制區(qū)域。經(jīng)分析，需要把一個低頻的三角波和一個較高頻的正弦波以及一個直流量進行合并，最終形成一個電流信號來驅(qū)動DFB激光器。除此之外，該激光器控制模塊3還有對激光器4的保護作用，主要包括上電保護、 工作電壓限制以及輸入電壓控制。光收發(fā)器5優(yōu)選地通過光纖與激光器4連接。該光收發(fā)器5包括光準直器，用于濾除激光器4發(fā)射的激光中的雜散光，以及用于匯聚反射器6反射回的反射光；分光單元，用于對光準直器匯聚的反射光進行分光處理，優(yōu)選地，由狹縫和衍射光柵組成，分離后的光線入射到光電檢測器2。如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種禽舍硫化氫氣體濃度檢測方法，該方法包括步驟Si.激光器控制模塊驅(qū)動激光器發(fā)射設(shè)定波長的激光，該設(shè)定波長即為氣體的特征波長；S2.光收發(fā)器將激光器發(fā)射的光發(fā)送至反射器，并將發(fā)射器反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器；S3.光電檢測器對所述反射光進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器；S4.信號采集處理及顯示器根據(jù)所述電信號，采用朗伯比爾定律反演得到待測H2S 氣體的濃度，并顯示得到的待測氣體濃度。其中，步驟S4包括S4. 1信號采集處理及顯示器對電信號進行放大以及濾波處理，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 得到數(shù)字化的待測氣體的二次諧波信號；S4. 2多次重復步驟S1-S4. 1，得到待測氣體的多個二次諧波信號；S4. 3用于已知濃度的H2S氣體在本系統(tǒng)的檢測環(huán)境下的二次諧波信號對待測H2S 氣體的多個二次諧波信號進行最小二乘法線性擬合，得到待測氣體的二次諧波信號的最優(yōu)值；S4. 4根據(jù)朗伯比爾定律，用已知濃度的H2S氣體的濃度乘以最優(yōu)值得到待測H2S氣體的含量。實施例1本實施例中的激光器為可調(diào)寫二極管激光器，其發(fā)射的激光波長同時會受到溫度和輸出電流的影響。本實施例采取溫度衡量、調(diào)節(jié)電流的方式輸出兩個波段的光束。本實施例的系統(tǒng)還包括溫控模塊，與激光控制模塊相連，用于將激光器的溫度控制在恒定范圍內(nèi)，并產(chǎn)生調(diào)制信號，對激光器發(fā)出的激光的波長進行調(diào)制。實施例2本實施例的激光器為分布反饋(Distributed Feed Back,DFB)激光器。該DFB激光器的作用是產(chǎn)生以1578nm(H2S氣體的吸收譜峰)為中心的窄帶激光。因為本實施例采用的是帶有制冷控制的Dra激光器，所以無需外加溫控模塊。反射器所選用的是平面反射鏡，能夠?qū)⑷肷涔鈬栏衿叫械胤瓷浠厝?。光電檢測器的作用是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便于后續(xù)的信息處理。光電檢測器接收光輻射后產(chǎn)生的光電流Ip與光照的關(guān)系為
Ip = η EAe λ /hc式中，η為光電吸收過程的量子效率；E為光輻射通量密度；A為光電二極管的接收面積；λ為光波長；he為單個光子能量。實施例3本實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實施例2類似，由信號采集處理及顯示器、光電檢測器、激光器控制模塊、DFB激光器、光收發(fā)器、反射器幾部分組成。較之于實施例2，本實施例的光程較長(30m)(光程指光線穿過的長度，這個值是由測量的距離決定的。光程越長，特征激光波段被吸收的越多，因此，如果距離過長，強吸收的激光波段會飽和，此時應(yīng)采用較弱的特征激光，如波長為1570nm)，較強的光譜吸收峰會在氣體濃度強時達到飽和狀態(tài)，因此本實施例采用1570nm的DFB激光器，規(guī)避H2S氣體在 1578nm的強吸收。同時，由于出射與接收之間的距離較遠，本實施例的反射器采用角鏡結(jié)構(gòu)，即由互相垂直的兩個反射鏡體構(gòu)成，無論光線以何種角度入射，理論上均平行于入射光路返回。本實施例的濃度反演方法與前兩個實施例均相同，即在二次諧波基礎(chǔ)上進行H2S 氣體濃度的計量。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括激光器，用于發(fā)射設(shè)定波長的激光，所述設(shè)定波長為硫化氫氣體的特征波長； 光收發(fā)器，與所述激光器連接，用于將發(fā)射光發(fā)送至反射器，并將反射器反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器；反射器，用于將由所述光收發(fā)器發(fā)出的激光反射回所述光收發(fā)器； 光電檢測器，與所述光收發(fā)器相連，用于對所述反射光進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器；信號采集處理及顯示器，與所述光電檢測器相連，用于根據(jù)所述電信號，采用朗伯比爾定律反演待測硫化氫氣體的濃度，并顯示得到的待測硫化氫氣體的濃度信息。
2.如權(quán)利要求1所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括 激光器控制模塊，與所述激光器相連，用于驅(qū)動所述激光器發(fā)射激光信號。
3.如權(quán)利要求2所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括 溫控模塊，所述激光控制模塊相連，用于將所述激光器的溫度控制在恒定范圍內(nèi)，并產(chǎn)生調(diào)制信號，對激光器發(fā)射的激光的波長進行調(diào)制。
4.如權(quán)利要求1所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器為分布反饋DFB激光器。
5.如權(quán)利要求2所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光收發(fā)器包括光準直器，用于濾除所述激光器發(fā)射的激光中的雜散光，以及匯聚反射器反射回的反射光；分光單元，用于對所述光準直器匯聚的反射光進行分光處理。
6.如權(quán)利要求1所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光收發(fā)器與所述激光器通過光纖連接。
7.如權(quán)利要求1所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述反射器為平面反射鏡，或為由互相垂直的兩個反射鏡構(gòu)成的角鏡結(jié)構(gòu)。
8.一種禽舍硫化氫氣體濃度檢測方法，其特征在于，該方法包括步驟51.驅(qū)動激光器發(fā)射設(shè)定波長的激光，所述設(shè)定波長為硫化氫氣體的特征波長；52.光收發(fā)器將激光器發(fā)射的光發(fā)送至反射器，并將發(fā)射器反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器；53.光電檢測器對所述反射光進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器；54.信號采集處理及顯示器根據(jù)所述電信號，采用朗伯比爾定律反演待測硫化氫氣體的濃度，并顯示得到的待測硫化氫氣體的濃度。
9.如權(quán)利要求8所述的禽舍硫化氫氣體濃度檢測方法，其特征在于，步驟S4包括 S4. 1信號采集處理及顯示器對所述電信號進行放大以及濾波處理，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字化的待測硫化氫氣體的二次諧波信號；S4. 2多次重復步驟S1-S4. 1，得到待測硫化氫氣體的多個二次諧波信號； S4. 3用于已知濃度的硫化氫氣體的二次諧波信號對待測硫化氫氣體的多個二次諧波信號進行最小二乘法線性擬合，得到待測硫化氫氣體的二次諧波信號的最優(yōu)值；S4. 4根據(jù)朗伯比爾定律，用所述已知濃度的硫化氫氣體的濃度乘以所述最優(yōu)值得到所述待測硫化氫氣體的含量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種禽舍硫化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)及方法，涉及有害氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括激光器，用于發(fā)射設(shè)定波長的激光；光收發(fā)器，與激光器連接，將發(fā)射光發(fā)送至反射器，并將反射器反射回的反射光發(fā)送至光電檢測器；反射器，將由光收發(fā)器發(fā)出的激光反射回光收發(fā)器；光電檢測器，與光收發(fā)器相連，對反射光進行光電轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的電信號發(fā)送至信號采集處理及顯示器；信號采集處理及顯示器，與光電檢測器相連，根據(jù)該電信號，采用朗伯比爾定律反演硫化氫氣體的濃度，并顯示得到的硫化氫濃度信息。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可實時獲取一定范圍內(nèi)的H2S氣體濃度、使用壽命長、且檢測精度高。
文檔編號G01N21/39GK102269699SQ20111020943
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者單飛飛, 張石銳, 張馨, 董大明, 趙賢德, 邱權(quán), 鄭文剛, 郭瑞 申請人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心