本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪及方法。
背景技术：
氨气(nh3)是一种无色但有强烈刺激性气味的气体，广泛存在于农牧养殖与加工、工矿生产与制冷、医药制备与储运等场合，对生命体健康有重要影响；环境中的氨气浓度大于5ppmv，就会导致家禽感染粘膜类疾病；大于25ppmv，人类接触8小时以上就会危及健康；大于75ppmv，会使家禽致命；大于150ppmv，就会导致家畜停止生长并得病；大于300ppmv，就会危及人类生命；大于16％，就可能引发爆炸；此外，氨气会与空气中的硫氧化物、氮氧化物的氧化产物产生反应，生成硫酸铵或硝酸铵，形成空气中pm2.5的重要来源；氨气的氢原子被碳基取代后会形成各种有机胺，是环境恶臭污染控制的重要对象。
根据不同的应用场合，氨气的检测可分为化学分析、仪器分析和传感器检测三种方法。化学分析法利用氨气和试剂之间的化学反应，采用滴定、比色或发烟等方法进行测量，结果比较粗略，试样不可逆，需要人工操作；仪器分析法主要是利用气相色谱柱对混合气体的层析效应把目标气体中的氨气成分分离出来，再通过后继的质谱分析等气体检测仪来确定氨气浓度；仪器分析法是标准的氨气检测方法，选择性好，灵敏度高，但是设备复杂，操作繁琐，专业性强，通常是专业人员在专业场所使用。这两种方法都不适合于对氨气的现场实时检测。
在农牧养殖与加工等氨气伴生场所，往往需要对氨气进行在线监测，传感器检测是最适合的方法。当前常见的氨气传感器包括金属氧化物传感器、导电聚合物传感器和电化学传感器等非光学传感器，以及pid传感器、光声光谱传感器、激光增强型传感器等光学传感器。从检测原理来看，非光学传感器主要基于物理吸附作用引起的传感器电参数改变，光学传感器主要基于氨气的特征吸收引起的光参数改变。对非光学传感器来说，物理吸附是一种分子间非特异相互作用，结合能很低，而且吸附效应只反应为一维电参数，因此此类传感器的灵敏度、选择性和识别能力都比较低。对光学传感器来说，基于气体分子光子吸收效应的光学传感器可以反映并输出宽谱带的气体分子光学吸收特性，信号维度高，检测参数特异性强，具有很高的气体选择性和识别能力，但是需要设计复杂的光路系统和微弱信号检测系统，技术难度大，开发成本高。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪及方法，精确检测环境中氨气的浓度。
本发明的上述技术方案是通过以下方式实现的：
一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：包括壳体、后盖、检测腔、检测腔后盖、抽气管、真空泵、排气管、发光驱动电路板、发光屏、敏感薄膜阵列、摄像头、检测电路板和显示屏。壳体与后盖适配，壳体的上部设有安装面板，真空泵的底面与安装面板的上表面连接，安装面板的下表面与摄像头的上表面连接。
检测腔位于壳体的中部位置，接检测腔的开口端面与检测腔后盖适配。检测腔的上壁开有摄像头拍摄孔，检测腔的下壁正对摄像头的位置安装有敏感薄膜阵列，检测腔和壳体的两个侧面同轴开设有进气孔。
抽气管的一端穿过检测腔的上壁进入检测腔中，抽气管的中部穿过安装面板，抽气管的另一端与真空泵的入口连接，真空泵的出口与排气管的一端连接，排气管的另一端与后盖连接。
发光屏的上表面与检测腔的底壁外表面连接。发光屏驱动电路板与发光屏层叠连接，发光屏驱动电路板安装在壳体内下部。
检测电路板包括电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口。电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口分别与检测电路板电连接。
与现有技术相比，本发明的优点是：利用敏感薄膜吸附氨气分子后吸收光谱的变化导致的颜色改变来检测气体，在检测原理上利用了敏感材料分子在氨气分子作用下的气致变色效应，此类反应的吸附能通常远大于普通的物理吸附，提高了检测灵敏度；在检测方法上利用数字图像技术实现对敏感薄膜吸收光谱变化情况的分波段检测，提高了信号维度和气体分辨力，降低了光学系统和检测电路的复杂性。
进一步优化为：检测腔和检测腔后盖均采用非极性材料制成。
采用上述技术方案，以减小检测腔内壁与氨气分子之间因范德华力产生的吸附驻留效应，提高检测精度。
进一步优化为：检测腔和检测腔后盖的内表面均光滑。
采用上述技术方案，以减小检测腔内壁的表面势能对氨气分子的吸附驻留效应，提高检测精度。
进一步优化为：检测腔后盖与检测腔的开口断面通过密封圈密封连接。抽气管与检测腔的上壁穿孔通过密封圈密封连接。发光屏的上表面与检测腔的底壁外表面通过密封垫圈密封连接。摄像头的镜头端面与检测腔的上壁外表面密封连接。
采用上述技术方案，以形成密封的气体检测气路，防止氨气泄漏到氨气检测仪内部其他空间形成富集驻留，影响检测结果。
进一步优化为：进气孔内置不透光的防尘滤网。
采用上述技术方案，起到过滤环境空气中的颗粒物和防止环境光进入所述检测腔干扰图像检测的作用。
进一步优化为：发光屏驱动电路和发光屏选用24位真彩色显示的一体化tftlcd模块。
采用上述技术方案，具有颜色分辨率高的优点，并且易于控制和安装，有利于产生与任何颜色的敏感薄膜的吸收光谱谱形接近的屏幕照明光源。
本发明还公开了一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，包括以下步骤：
(1)仪器标定
通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的光源屏幕照明颜色，使得在光源屏幕照明颜色的照射下，测得敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三个颜色分量的色阶值的和为最小。
通过特定浓度的氨气检测实验，用最小二乘法拟合得到25℃时氨气浓度与敏感薄膜归一化颜色变化量之间的吸附等温线模型，并在此模型基础上引入温度t产生的修正系数，获得敏感薄膜与氨气响应的温度修正吸附等温线模型，温度t的范围为15℃≤t≤35℃。
(2)氨气检测
根据标定得到的敏感薄膜照明颜色，在发光屏显示界面对应每个敏感薄膜的位置显示敏感薄膜照明颜色。
真空泵抽动环境气体，气体流经检测腔，并与敏感薄膜阵列反应。
摄像头每隔l秒采集一次敏感薄膜阵列图像，每次连续采集k帧，计算各敏感薄膜的平均颜色，同时温度传感器模块检测环境温度，l的取值范围为10≤l≤60，k的取值范围为k≥3。
待反应平衡后，根据标定得到的温度修正吸附等温线模型，计算敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜测得的氨气浓度，取这些氨气浓度的平均值作为氨气浓度的实际检测结果。
采用上述技术方案，通过屏幕颜色控制，产生与敏感薄膜吸收光谱谱形接近的透射式照明光源，使敏感薄膜吸收光谱的轻微变化就会导致较大的薄膜颜色改变，而且可以减小镜面反射产生的颜色测量误差，显著地提高了检测灵敏度。
进一步优化为：对于矩形薄膜或薄膜中的一块矩形区域，敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三种颜色分量的计算方法为：
式中，k为连续拍摄的k帧图像，k≥3；(x0,y0)为矩形敏感薄膜图像左上角的像素坐标。m为薄膜矩形图像的宽度，n为薄膜矩形图像的高度，以像素为单位。c为红、绿、蓝三种颜色分量中的某一种。
采用上述技术方案，可以减小敏感薄膜颜色测量的平面一致性误差和帧间随机误差，同时减小薄膜边缘的光衍射效应对颜色测量结果的影响。
进一步优化为：在特定氨气浓度下敏感薄膜归一化颜色变化量的计算方法为：
式中，x为特定的氨气浓度，单位为ppm。r、g、b分别表示图像颜色的红、绿、蓝三个分量。|δrx|表示敏感薄膜图像的红色分量在氨气浓度为xppm时的颜色变化绝对值，|δr300|表示敏感薄膜图像的红色分量在氨气浓度为300ppm时的颜色变化绝对值，其他以此类推；δrx＝mrx-mr0，其中mrx和mr0分别表示敏感薄膜在氨气浓度为xppm和干净状态下的红色分量的颜色平均值，其他以此类推。
采用上述技术方案，使薄膜颜色变化量的表述符合吸附等温线模型的要求，同时可以直接反应环境氨气浓度是否超出了300ppm的仪器量程上限。
进一步优化为：反应平衡是指敏感薄膜阵列上任一敏感薄膜在10到60秒内前后两次测量得到的红、绿、蓝三个颜色分量的改变值小于等于2个色阶。
采用上述技术方案，确保测量结果为氨气和敏感薄膜之间达到吸附平衡时的有效结果，使氨气浓度的检测更准确。
附图说明
图1为实施例1的内部结构示意图；
图2为实施例1的内部结构主视图；
图3为实施例1的后盖主视图，观察方向为从仪器内部面向后盖装配方向；
图4为实施例1的侧视图；
图5为敏感薄膜阵列图；
图6为屏幕光源的照明颜色图；
图7为干净的敏感薄膜阵列放到发光屏上面后仪器摄像头的检测颜色图；
图8为吸附了氨气分子后敏感薄膜阵列颜色的变化图；
图9为检测电路板的功能模块示意图；
图中：1-壳体；2-后盖；3-检测腔；4-检测腔后盖；5-进气孔；6-排气孔；7-抽气管；8-真空泵；9-排气管；10-发光屏驱动电路板；11-发光屏；12-敏感薄膜阵列；13-摄像头；14-检测电路板；141-电源模块；1411-锂电池；1412-电源管理电路；142-处理器模块；143-温度传感器模块；144-真空泵驱动模块；145-摄像头驱动模块；146-显示屏驱动模块；147-发光屏信号接口；15-显示屏；16-安装面板。
具体实施方式
以下结合附图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8以及图9对本发明的技术方案做进一步说明。
需提前说明的是，本申请文字中所涉及的前、后、左、右方位词与说明书附图中呈现的方位一致。
实施例1
一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，如图1、图2、图3以及图4所示，它包括壳体1、后盖2、检测腔3、检测腔后盖4、抽气管7、真空泵8、排气管9、发光屏驱动电路板10、发光屏11、敏感薄膜阵列12、摄像头13、检测电路板14以及显示屏15组成。
如图1和图2所示，壳体1的上部设有安装面板16，真空泵8的底面与安装面板16的上表面连接，安装面板16的下表面与摄像头13的上表面连接，摄像头13的镜头端面紧贴检测腔3的上壁面，检测腔3的上壁面在摄像头13的镜头端面覆盖区域开有拍摄孔，在摄像头13的镜头端面与检测腔13的上壁面的贴合面周边进行气密性处理。检测腔3的底壁开设有定位方窗，该定位方窗放置了敏感薄膜阵列12。摄像头13用于拍摄敏感薄膜阵列12，摄像头13的镜头焦平面与敏感薄膜阵列的上表面重合，其视场可覆盖整个敏感薄膜阵列12，敏感薄膜阵列12由多个敏感薄膜和阵列衬底组成，多个敏感薄膜分别位于阵列衬底上。摄像头13支持dvp(即数字视频接口)，可以通过idc(insulationdisplacementconnection，绝缘错位连接)排线与检测电路之间进行视频信号传输。
敏感薄膜阵列如图5所示，阵列衬底为方块形的透明石英玻璃，刚好能放入检测腔下壁面所开方窗与显示屏15的上表面(即显示界面)围成的定位槽中。敏感薄膜由透明尼龙薄膜浸染氨气敏感材料形成。氨气敏感材料优选卟啉和酞菁类化合物，其用作色度学氨气检测具有几个显著的优势：一是卟啉和酞菁分子具有大π环平面结构，是强烈的生色团，色泽鲜艳，适合进行颜色测量；二是卟啉和酞菁可以在环平面中心络合不同的金属离子或质子，这些金属离子或质子可以与氨气分子发生配位反应，反应能是物理吸附能的八倍左右，能在实现反应可逆的基础上极大地提高氨气检测的灵敏度，并且会引发分子环结构的面积膨胀而导致显著的吸收光谱改变；三是卟啉和酞菁分子受环境湿度的影响很小，主要来自于水分子在卟啉和酞菁外环的氢键结合，其反应能和吸附后变色效应都远小于氨气分子的配位作用；四是通过取代不同的环外官能团能灵活地调制其对氨气分子的吸附位阻效应和吸附后变色效果，可以实现很高的气体选择性和气体识别能力。在本实施例中，用于制备敏感薄膜的氨气敏感材料包括四苯基锌卟啉(即zntpp)，锌酞菁(即znpc)，八乙基钴卟啉(即cooep)以及八乙基自由基卟啉(即h2oep)。
敏感薄膜阵列制备过程如下：
1室温下将四种氨气敏感材料与二氯甲烷分别按2mg/ml的浓度配成溶液，通过超声振动使敏感材料充分溶解，静置30分钟后取上清液使用。
2将厚度为110um，标称孔径为0.45um的透明尼龙薄膜裁剪适当后放入敏感材料溶液，室温下浸染一个小时后取出，在40℃恒温炉中烘干10分钟。
3根据检测腔下壁面所开方窗尺寸裁切透明石英玻璃用作阵列衬底，裁切的玻璃片用去离子水清洗后在恒温炉中烘干。
4裁剪敏感薄膜，长宽尺寸略小于阵列衬底长宽尺寸的四分之一，在每片阵列衬底上以两行两列的形式铺设四片浸染有不同敏感材料的敏感薄膜，碾压平整紧贴后在薄膜边沿用透明胶带粘贴固定。
以上工作必须在无尘的清洁空气环境中进行，制备好的敏感薄膜阵列未使用时应在抽真空的铝塑复合包装袋中避光存放。
检测腔3位于壳体1的中部位置，检测腔后盖4的外表面与后盖2的内表面通过环氧树脂胶粘接。检测腔后盖4的内表面与检测腔3的开口端面适配，结合面通过密封圈密封，使检测腔后盖4与检测腔3形成密封的气体检测空间。检测腔3和检测腔后盖4均采用非极性材料制成，以减小检测腔3内壁与氨气分子之间因范德华力产生的吸附驻留效应，提高检测精度。检测腔3和检测腔后盖4的内表面均光滑，以减小检测腔3内壁的表面势能对氨气分子的吸附驻留效应，提高检测精度。
检测腔3和壳体1的两个侧面同轴开设有进气孔5。检测腔3的两侧外表面分别与壳体1的两侧内表面紧密接触，确保氨气只从进气孔5进入，进气孔5内置不透光的防尘滤网，起到过滤环境空气中的颗粒物和防止环境光进入检测腔3干扰图像检测的作用。
如图1和图2所示，抽气管7的一端穿过检测腔3的上壁进入检测腔3中，抽气管7与检测腔3通过密封圈密封，防止氨气从检测腔3中漏出。抽气管7的中部穿过安装面板16，抽气管7的另一端与真空泵8的入口连接，真空泵8的出口与排气管9的一端连接，排气管9的另一端与后盖2上的排气孔6连接。氨气从进气孔5进入检测腔3的内部空间，先流经抽气管7进入真空泵8，再进入排气管9经过排气孔6排出，整个气路是密封的。抽气管7和排气管9均为内表面光滑的薄壁不锈钢管，以减小对氨气的表面吸附。
需说明的是，检测腔后盖4与检测腔3的开口断面通过密封圈密封连接。抽气管7与检测腔3的上壁穿孔通过密封圈密封连接。发光屏11的上表面与检测腔3的底壁外表面通过密封垫圈密封连接。摄像头13的镜头端面与检测腔3的上壁外表面密封连接，以形成密封的气体检测气路，防止氨气泄漏到氨气检测仪内部其他空间形成富集驻留，影响检测结果。
如图1和图2所示，检测腔3的下壁底面与发光屏11的上表面连接，结合面用薄层密封垫圈进行密封，发光屏11的下表面与发光驱动电路板10的上表面连接，发光屏驱动电路板10的下表面与检测电路板14的上表面平行适配，二者之间通过绝缘套管垂直隔离，检测电路板14的左右两端分别与发光屏驱动电路板10的左右两端通过螺栓连接，并固定安装在壳体1内部下面的安装台面上。根据敏感薄膜阵列12上各敏感薄膜的吸收光谱特性，发光屏11在每个敏感薄膜的下方对应位置显示不同的颜色，如图6所示，各色块发出的光源等效光谱接近对应位置敏感薄膜的吸收光谱。发光屏11选用24位真彩色显示的一体化tftlcd(即薄膜晶体管液晶显示器)模块，具有颜色分辨率高的优点，并且易于控制和安装，有利于产生与任何颜色的敏感薄膜的吸收光谱谱形接近的屏幕照明光源。
如图4所示，壳体1与后盖2适配，后盖2的四周边沿与壳体1的四周边沿分别对应，形成可拆卸链接，壳体1和后盖2适配后形成整个仪器的封闭式外壳。
如图9所示，检测电路板14包括电源模块141、处理器模块142、温度传感器模块143、真空泵驱动模块144、摄像头驱动模块145、显示屏驱动模块146以及发光屏信号接口147。电源模块141、处理器模块142、温度传感器模块143、真空泵驱动模块144、摄像头驱动模块145、显示屏驱动模块146以及发光屏信号接口147。电源模块141包括锂电池1411和电源管理电路1412，电池1411的输出端与电源管理电路1412的输入端电连接。电源管理电路1412的输出端分别与处理器模块142、温度传感器模块143、真空泵驱动模块144、显示屏驱动模块146以及发光屏信号接口147电连接。电池1411输出24v直流电源，直流电源经过电源管理电路1412处理后向检测电路板14上的各个用电模块供电，同时电源管理电路1412还实时监控锂电池1411电量并进行充电保护。
检测电路板14中各模块的功能如下：处理器模块142采用stm32f429芯片，负责采集温度传感器模块143的温度数据以进行浓度校正，产生pwm波驱动真空泵8按500ml/min的流量抽吸气体，驱动发光屏11显示特定颜色照亮敏感薄膜阵列12中的各敏感薄膜，读取摄像头13图像信号并进行颜色分析，根据颜色变化特征计算氨气浓度，驱动显示屏15显示氨气浓度等检测信息，以及其它系统功能。温度传感器模块143负责感知环境温度形成温度信息，并将温度信息传输至处理器模块142以帮助其进行浓度校正。真空泵驱动模块144接受处理器模块142的pwm(即脉冲宽度调制)波驱动，产生功率信号，以控制真空泵8的抽吸力和气路气体流速。摄像头驱动模块145驱动摄像头13拍摄敏感薄膜阵列，并把摄像头图像信号传递到处理器模块142进行颜色分析。显示屏驱动模块146根据处理器模块142传递的显示信号，驱动显示屏15显示氨气浓度、环境温度以及电池电量等信息。
壳体1的前面下部设置有显示屏15，显示屏15为oled液晶屏，用于显示检测结果，包括氨气浓度、环境温度和电池电量等信息，如图4所示，显示屏15通过排线与检测电路板14进行电连接，接受显示屏驱动模块146发来的显示信息进行显示。
利用敏感薄膜吸附氨气分子后吸收光谱的变化导致的颜色改变来检测气体，在检测原理上利用了敏感材料分子在氨气分子作用下的气致变色效应，此类反应的吸附能通常远大于普通的物理吸附，提高了检测灵敏度；在检测方法上利用数字图像技术实现对敏感薄膜吸收光谱变化情况的分波段检测，提高了信号维度和气体分辨力，降低了光学系统和检测电路的复杂性。
实施例2
一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，包括仪器标定的方法和仪器用于氨气检测的方法。
一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，包括以下步骤：
(1)仪器标定
通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的光源屏幕照明颜色，使得在光源屏幕照明颜色的照射下，测得敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三个颜色分量的色阶值的和为最小。
通过特定浓度的氨气检测实验，用最小二乘法拟合得到25℃时氨气浓度与敏感薄膜归一化颜色变化量之间的吸附等温线模型，并在此模型基础上引入温度t产生的修正系数，获得敏感薄膜与氨气响应的温度修正吸附等温线模型，温度t的范围为15℃≤t≤35℃。
(2)氨气检测
根据标定得到的敏感薄膜照明颜色，在发光屏显示界面对应每个敏感薄膜的位置显示敏感薄膜照明颜色。
真空泵抽动环境气体，气体流经检测腔，并与敏感薄膜阵列反应。
摄像头每隔l秒采集一次敏感薄膜阵列图像，每次连续采集k帧，计算各敏感薄膜的平均颜色，同时温度传感器模块检测环境温度，l的取值范围为10≤l≤60，k的取值范围为k≥3。
待反应平衡后，根据标定得到的温度修正吸附等温线模型，计算敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜测得的氨气浓度，取这些氨气浓度的平均值作为氨气浓度的实际检测结果。
采用上述技术方案，通过屏幕颜色控制，产生与敏感薄膜吸收光谱谱形接近的透射式照明光源，使敏感薄膜吸收光谱的轻微变化就会导致较大的薄膜颜色改变，而且可以减小镜面反射产生的颜色测量误差，显著地提高了检测灵敏度。
进一步优化为：对于矩形薄膜或薄膜中的一块矩形区域，敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三种颜色分量的计算方法为：
式中，k为连续拍摄的k帧图像，k≥3；(x0,y0)为矩形敏感薄膜图像左上角的像素坐标。m为薄膜矩形图像的宽度，n为薄膜矩形图像的高度，以像素为单位。c为红、绿、蓝三种颜色分量中的某一种。
采用上述技术方案，可以减小敏感薄膜颜色测量的平面一致性误差和帧间随机误差，同时减小薄膜边缘的光衍射效应对颜色测量结果的影响。
在特定氨气浓度下敏感薄膜归一化颜色变化量的计算方法为：
式中，x为特定的氨气浓度，单位为ppm。r、g、b分别表示图像颜色的红、绿、蓝三个分量。|δrx|表示敏感薄膜图像的红色分量在氨气浓度为xppm时的颜色变化绝对值，|δr300|表示敏感薄膜图像的红色分量在氨气浓度为300ppm时的颜色变化绝对值，其他以此类推；δrx＝mrx-mr0，其中mrx和mr0分别表示敏感薄膜在氨气浓度为xppm和干净状态下的红色分量的颜色平均值，其他以此类推。
这样，可使使薄膜颜色变化量的表述符合吸附等温线模型的要求，同时可以直接反应环境氨气浓度是否超出了300ppm的仪器量程上限。
反应平衡是指敏感薄膜阵列上任一敏感薄膜在10到60秒内前后两次测量得到的红、绿、蓝三个颜色分量的改变值小于等于2个色阶。
确保测量结果为氨气和敏感薄膜之间达到吸附平衡时的有效结果，使氨气浓度的检测更准确。
仪器的标定包括通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的屏幕照明颜色和通过特定浓度的氨气检测实验建立氨气浓度与敏感薄膜的颜色变化之间的响应模型。
1.通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的屏幕照明颜色。
实验原理：
假设摄像头13的某个颜色通道c的光谱响应系数为fc(λ),c∈(r,g,b),λ1<λ<λ2，当某一个感光像素的入射光谱为i(λ)时，该像素的在摄像头的c颜色通道测量得到颜色c为：
其中，r、g、b分别表示摄像头的红、绿、蓝三种颜色通道，c代表摄像头的三种颜色通道之一，fc(λ)为摄像头在颜色通道c的光谱响应系数，λ为光的波长，λ1为摄像头的颜色通道c的光谱响应范围的波长下限，λ2为摄像头的颜色通道c的光谱响应范围的波长上限，i(λ)为入射光谱，c为颜色。
在检测仪中，敏感薄膜对应像素的入射光谱i(λ)取决于薄膜下方发光屏11对应区域的照明颜色(re,ge,be)产生的等效光谱e(λ)和薄膜的吸收光谱a(λ)，满足以下关系：
其中re,ge,be分别表示发光屏照明颜色的红、绿、蓝颜色分量，e(λ)为屏幕颜色(re,ge,be)产生的等效照明光谱，a(λ)为敏感薄膜的吸收光谱。
可见，只有当屏幕照明颜色的等效光谱e(λ)落在在干净的敏感薄膜的吸收光谱a0(λ)的波长范围区间且两者相等时，氨气作用下引起的敏感薄膜吸收光谱改变才会产生最大的颜色差异，从而提高仪器的氨气检测灵敏度，此时测得的干净敏感薄膜的初始颜色{r0,g0,b0}＝{0,0,0}，显示为纯黑色。实际情况下不可能实现e(λ)和a0(λ)的严格相等，只可能尽量接近，此时测得的敏感薄膜颜色在三个颜色通道的色阶值存在最小值，颜色偏暗。根据本实验原理，通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的屏幕照明颜色的方法如下。
实验方法：
在洁净无尘的空气环境中，取一片干净的敏感薄膜阵列12放入检测腔3进行检测。启动后，检测电路板14驱动发光屏11在某一敏感薄膜下方对应的矩形区域遍历显示(0≤re≤255,0≤ge≤255,0≤be≤255)所有的颜色组合。每显示一种颜色，摄像头13拍摄k(k≥3)帧图像。处理器模块142按下式计算待测敏感薄膜在此照明颜色下的平均颜色：
以上公式(3)中，(x0,y0)为待测敏感薄膜矩形图像左上角的像素坐标，m为薄膜图像的宽度，n为薄膜图像的高度，以像素为单位。mc表示计算得到的在该照明颜色下待测敏感薄膜的平均颜色，有rgb三个通道。
为了减小边缘效应的影响，实际参与计算的区域在矩形边沿分别向中心收缩了10个像素。发光屏11遍历颜色后，取使得(mr mg mb)最小的照明颜色(re,ge,be)作为该敏感薄膜屏幕光源照明色，记此时测得的敏感薄膜平均颜色为(mr0,mg0,mb0)。此外，还可以通过测量多片敏感薄膜阵列取平均值，以减小一致性误差。
干净的敏感薄膜阵列上各敏感薄膜在自然光下的颜色如图5所示，通过实验得到的敏感薄膜阵列的屏幕光源照明颜色如图6所示，图6中各照明色块的等效发射光谱接近对应位置敏感薄膜的吸收光谱。把干净的敏感薄膜阵列放置到检测腔3中进行颜色测量，得到的各敏感薄膜的颜色如图7所示。图6中，除了敏感薄膜位置显示为照明颜色外，发光屏11其他区域全部显示黑色，以消除屏幕背景光对测量结果的影响。
2.通过特定浓度的氨气检测实验建立氨气浓度与敏感薄膜的颜色变化之间的响应模型。
根据不同氨气浓度对生物健康的危害程度，在25℃室温环境下分别配置0.2ppm、1ppm、5ppm、25ppm、50ppm、75ppm、100ppm、150ppm、200ppm以及300ppm体积浓度的氨气进行测试。记(mr0,mg0,mb0)为干净敏感薄膜阵列12上某一敏感薄膜的初始平均颜色值，(mrx,mgx,mbx)为在浓度为x的氨气作用下该敏感薄膜达到反应平衡时的颜色平均值，(δrx,δgx,δbx)＝(mrx,mgx,mbx)-(mr0,mg0,mb0)为反应前后该敏感薄膜的颜色变化值，x为上述实验浓度之一。由于敏感薄膜与氨气分子之间的作用变色主要是由分子间配位反应产生的，是分子层面一对一的对位反应，根据固体表面气体吸附等温线的bddt(即气固吸附等温线)分类法，可以用化学吸附的单层吸附langmuir模型(langmuir方程是常用的吸附等温线方程之一，是由物理化学家朗格缪尔(langmuiritying)于1916年根据分子运动理论和一些假定提出的。)来描述敏感薄膜的吸附等温线，建立氨气浓度v和敏感薄膜颜色变化的归一化值δc之间的关系如以下公式所示：
式中，b是待定系数。通过对以上十种氨气浓度进行检测实验，考虑到氨气与本实施例所用敏感材料之间的吸附作用为放热过程，引入温度修正系数后，用最小二乘法拟合得到本实施例制备的四种敏感薄膜在温度t(15℃<＝t<＝35℃)时的归一化颜色变化量与氨气浓度的关系式如下，其中norm值为25℃时各拟合式的拟合标准差。
在以上标定的基础上，即可进行氨气浓度检测，方法如下：
假设仪器处于开机状态且之前测得的氨气浓度未超过300ppm。此时真空泵8抽动环境气体，以500ml/min的流量流经检测腔3与敏感薄膜阵列12反应，发光屏11在每个敏感薄膜对应的位置显示各自的照明颜色(re,ge,be)，摄像头每隔10秒采集一次敏感薄膜阵列12的图像，每次采集9帧，帧率为25帧/秒，同时温度传感器模块143检测环境温度t。对9帧图像分别按公式(3)计算每个敏感薄膜的平均颜色(mrx,mgx,mbx)。当本次测量得到的每个敏感薄膜的平均颜色(mrx,mgx,mbx)的任一分量相比上次测量得到的每个敏感薄膜的平均颜色的同一分量的改变量小于2个色阶时，认为反应达到平衡，此时用公式(δrx,δgx,δbx)＝(mrx,mgx,mbx)-(mr0,mg0,mb0)计算每个敏感薄膜在此氨气浓度下的颜色改变量，再代入公式(4)分别求得每种敏感薄膜的归一化颜色改变量δzntpp，δznpc，δcooep和δh2oep。把环境温度t和以上归一化颜色改变量分别代入公式(5)，(6)，(7)，(8)即可求得每种敏感薄膜检测得到的氨气体积浓度vzntpp，vznpc，vcooep和vh2oep。对四个浓度取平均，即为仪器检测得到的环境气体氨气浓度。每完成一次氨气浓度检测就在显示屏15上更新环境温度和氨气浓度信息。当测得的氨气浓度大于300ppm时，敏感薄膜会出现中毒现象，敏感薄膜阵列12颜色即使在氨气浓度为零的情况下也不能完全恢复到初始状态，必须关机后更换干净的敏感薄膜阵列。
本发明的有益效果为：
1.在检测原理上利用了敏感薄膜材料分子对氨气分子的吸附变色效应，其反应能通常远大于物理吸附的反应能，可以实现更高的气体检测灵敏度。此外，通过合理选择或剪裁具有生色效应的敏感薄膜材料分子，可以在实现反应可逆的基础上显著地增加敏感薄膜对氨气分子的选择性。
2.在检测方法上利用数字图像技术实现对敏感薄膜吸收光谱变化情况的分波段(rgb颜色波段)检测，与光学传感器相比具有结构简单和价格便宜的特点。与非光学传感器相比具有检测参数丰富，分辨率高的特点。降低了光学系统和检测电路的复杂性并提高了信号维度，测试性能稳定，并且可以达到很高的气体分辨力。
3.在颜色测量方法上通过屏幕颜色控制产生透射式照明光源，通过颜色匹配，可使该光源光谱与对应位置的敏感薄膜的吸收光谱接近，与通常的白光反射式照明方案相比，这种照明方式下每个敏感薄膜吸收光谱的轻微变化就会导致其测量颜色的大幅改变，而且可以减小镜面反射产生的颜色测量误差，可以显著地提高整个系统的氨气检测灵敏度。
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。
1.一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：包括壳体、后盖、检测腔、检测腔后盖、抽气管、真空泵、排气管、发光驱动电路板、发光屏、敏感薄膜阵列、摄像头、检测电路板和显示屏；所述壳体与所述后盖适配，所述壳体的上部设有安装面板，所述真空泵的底面与所述安装面板的上表面连接，所述安装面板的下表面与所述摄像头的上表面连接；
所述检测腔位于所述壳体的中部位置，所述接检测腔的开口端面与所述检测腔后盖适配；所述检测腔的上壁开有摄像头拍摄孔，所述检测腔的下壁正对所述摄像头的位置安装有所述敏感薄膜阵列，所述检测腔和所述壳体的两个侧面同轴开设有进气孔；
所述抽气管的一端穿过所述检测腔的上壁进入所述检测腔中，所述抽气管的中部穿过所述安装面板，所述抽气管的另一端与所述真空泵的入口连接，所述真空泵的出口与所述排气管的一端连接，所述排气管的另一端与所述后盖连接；
所述发光屏的上表面与所述检测腔的底壁外表面连接；所述发光屏驱动电路板与所述发光屏层叠连接，所述发光屏驱动电路板安装在所述壳体内下部；
所述检测电路板包括电源模块、处理器模块、温度传感器模块、真空泵驱动模块、摄像头驱动模块、显示屏驱动模块以及发光屏信号接口；所述电源模块、所述处理器模块、所述温度传感器模块、所述真空泵驱动模块、所述摄像头驱动模块、所述显示屏驱动模块以及所述发光屏信号接口分别与所述检测电路板电连接。
2.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述检测腔和所述检测腔后盖均采用非极性材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述检测腔和所述检测腔后盖的内表面均光滑。
4.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述检测腔后盖与所述检测腔的开口端面通过密封圈密封连接；所述抽气管与所述检测腔的上壁穿孔通过密封圈密封连接；所述发光屏的上表面与所述检测腔的底壁外表面通过密封垫圈密封连接；所述摄像头的镜头端面与所述检测腔的上壁外表面密封连接。
5.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述进气孔内置不透光的防尘滤网。
6.根据权利要求1所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪，其特征在于：所述发光屏驱动电路板和所述发光屏选用24位真彩色显示的一体化tftlcd模块。
7.一种基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)色度学氨气检测仪的标定
通过颜色匹配实验确定敏感薄膜阵列上每个敏感薄膜的光源屏幕照明颜色，使得在所述光源屏幕照明颜色的照射下，测得所述敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三个颜色分量的色阶值的和为最小；用于标定时，所述敏感薄膜阵列为未经污染的干净阵列；
通过特定浓度的氨气检测实验，用最小二乘法拟合得到25℃时氨气浓度与敏感薄膜归一化颜色变化量之间的吸附等温线模型，并在此模型基础上引入温度t产生的修正系数，获得敏感薄膜与氨气响应的温度修正吸附等温线模型，所述温度t的范围为15℃≤t≤35℃；
(2)氨气检测
根据标定得到的所述敏感薄膜照明颜色，在发光屏显示界面对应每个敏感薄膜的位置显示所述敏感薄膜照明颜色；
真空泵抽动环境气体，气体流经检测腔，并与敏感薄膜阵列反应；
摄像头每隔l秒采集一次敏感薄膜阵列图像，每次连续采集k帧，计算各敏感薄膜的平均颜色，同时温度传感器模块检测环境温度，所述l的取值范围为10≤l≤60，所述k的取值范围为k≥3；
待反应平衡后，根据标定得到的温度修正吸附等温线模型，计算所述敏感薄膜阵列上每个所述敏感薄膜测得的氨气浓度，取所述氨气浓度的平均值作为所述氨气浓度的实际检测结果。
8.根据权利要求7所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的标定方法，其特征在于：对于矩形薄膜或薄膜中的一块矩形区域，所述敏感薄膜的平均颜色的红、绿、蓝三种颜色分量的计算方法为：
式中，k为连续拍摄的k帧图像，k≥3；(x0,y0)为矩形敏感薄膜图像左上角的像素坐标；m为薄膜矩形图像的宽度，n为薄膜矩形图像的高度，以像素为单位；c为红、绿、蓝三种颜色分量中的某一种。
9.根据权利要求7所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的标定方法，其特征在于：在所述特定氨气浓度下所述敏感薄膜归一化颜色变化量的计算方法为：
式中，x为特定的氨气浓度，单位为ppm；r、g、b分别表示图像颜色的红、绿、蓝三个分量；|δrx|表示敏感薄膜图像的红色分量在氨气浓度为xppm时的颜色变化绝对值，|δr300|表示敏感薄膜图像的红色分量在氨气浓度为300ppm时的颜色变化绝对值，其他以此类推；δrx＝mrx-mr0，其中mrx和mr0分别表示敏感薄膜在氨气浓度为xppm和干净状态下的红色分量的颜色平均值，其他以此类推。
10.根据权利要求7所述的基于屏幕光源的色度学氨气检测仪的氨气检测方法，其特征在于：所述反应平衡是指敏感薄膜阵列上任一敏感薄膜在间隔10到60秒内前后两次测量得到的红、绿、蓝三个颜色分量的改变值均小于等于2个色阶。
技术总结