(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210598749.5 (22)申请日 2022.05.30 (71)申请人 温州大学 地址 325000 浙江省温州市瓯海区东方南 路38号温州市国家大 学科技园孵化器 (72)发明人 陈孝敬　谢奕　朱德华　胡艳艳　 黄光造　夏琦　张逸彪　邵杰　 (74)专利代理 机构 宁波奥圣专利代理有限公司 33226 专利代理师 方小惠 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 21/01(2006.01) A61B 5/00(2006.01) (54)发明名称 一种检测皮肤 排出二氧化 碳浓度的系统 (57)摘要 本发明公开了一种检测皮肤排出二氧化碳 浓度的系统， 包括电源、 函数发生器、 BNC三通转 接头、 激光控制器、 激光器、 格兰光纤准直器、 前 置放大器、 锁相放大器、 数据采集卡、 声学检测模 块和温控装置； 电源用于为函数发生器、 激光控 制器、 激光器、 前置放大器、 锁相放大器、 数据采 集卡和温控装置提供工作电压， 声学检测模块包 括声学检测气室、 石英音叉、 安装件和两个共振 管， 声学检测气室采用内部具有空腔的壳体实 现， 温控装置用于检测壳体内的温度， 并在壳体 内的温度 偏离31℃度时对其 温度进行调控， 使 其 始终保持为31℃； 优点是稳定性强， 检测灵敏度 高， 能够实时进行检测， 且不需要样品预处理， 整 体体积较小。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115096821 A 2022.09.23 CN 115096821 A 1.一种检测皮肤排出二氧化碳浓度的系统， 其特征在于包括电源、 函数发生器、 BNC三 通转接头、 激光控制器、 激光器、 格兰光纤准直器、 前置放大器、 锁相放大器、 数据采集卡、 声 学检测模块和温控装置； 所述的电源用于为所述的函数发生器、 所述的激光控制器、 所述的 激光器、 所述的前置放大器、 所述的锁相放大器、 所述的数据采集卡和所述的温控装置提供 工作电压； 所述的声学检测模块包括声学检测气室、 石英音叉、 安装件和两个共振管， 所述的声学 检测气室采用内部具有空腔的壳体实现， 所述的壳体侧 壁上设置有开口， 所述的安装件固 定在所述的壳体上， 所述的安装件的前部位于所述的壳体外， 所述的安装件的后部位于所 述的壳体内， 所述的格兰光纤准直器安装在所述的安装件的前部， 两个共振管和石英音叉 分别安装在所述的安装件的后部， 且所述的石英音叉位于两个共振管之间， 格兰光纤准直 器射出的激光束与两个共振管的中心轴线共轴， 所述的石英音叉的顶端比两个共振管的中 心轴线高出0.7m m， 且两个共 振管到所述的石英音叉的距离相等； 所述的温控装置用于检测所述的壳体内的温度， 并在所述的壳体 内的温度偏离31℃度 时对其温度进行调控， 使其始终保持为31℃； 所述的函数发生器用于产生的200mHz三角波 和频率为所述的石英音 叉共振频率一半的高频正弦波输出至BNC三通转接头， 所述的BNC三 通转接头用于将200mHz三角波和频率为所述的石英音叉共振频率一半的高频正弦波叠加 后施加在所述的激光控制器上， 使所述的激光控制器驱动所述的激光器发射中心波长为 2004nm的激光束， 所述的格兰光纤准直器用于将所述的激光器发射的激光准直后形成激光 束射入所述的石英音 叉的两振臂间的气 体中， 气体中的二氧化碳被激发产生的声波使 所述 的石英音 叉的两个振臂相向振动， 两个共振管用于聚集放大所述的气 体中的二氧化碳被激 发产生的声波， 所述的前置放大器用于采集所述的石英音 叉振动产生的微弱电信号并将该 微弱电信号进行放大， 得到放大电信号输出至所述的锁相放大器， 所述的锁相放大器将放 大电信号解调为二次谐波信号， 所述的数据采集卡采集二次谐波信号传输给电脑， 所述的 电脑中预存有二次谐波信号的信号峰峰值与二氧化碳浓度值之 间的线性关系， 所述的电脑 根据线性关系能够得到二氧化 碳浓度； 当检测皮肤排出二氧化碳浓度时， 开启所述的 电源进行持续供电， 所述的温控装置控 制所述的壳体内温度保持31℃， 所述的函数发生器产生的200mHz三角波和频率为所述的石 英音叉共振频率一半的高频正弦波通过所述的BNC三通转接头叠加后， 施加在所述的激光 控制器， 所述的激光控制器驱动所述的激光器发出中心波长为2004nm 的激光， 所述的格兰 光纤准直器将所述的激光器发射的激光准直后形成的激光束射入所述的石英音叉的两个 振臂间的气 体中， 气体中的二氧化碳被激发产生的声波使 所述的石英音 叉的两个振臂相向 振动， 此时两个共振管聚集放大气体中的二氧化碳被激发产生的声波， 所述的石英音叉产 生微弱电信号， 所述的前置放大器将所述的石英音叉振动产生的微弱电信号放大得到放大 电信号， 并将得到的放大电信号输出至所述的锁相放大器， 所述的锁相放大器将放大电信 号解调为二次谐波信号， 此时所述的数据采集卡分两个阶段采集二次谐波信号， 第一个阶 段的持续时间为 1分钟， 第二个阶段的持续时间为2分钟， 在第一个阶段时， 所述的壳体不接 触皮肤， 所述的数据采集卡采集所述的锁相放大器输出的二次谐波信号发送给所述的电 脑， 第二个阶段时， 所述的壳体的开口处与皮肤贴合， 所述的数据采集卡采集所述的锁相放 大器输出的二次谐波信号 发送给所述的电脑， 所述的电脑将第一个阶段的二次谐波信号的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115096821 A 2信号峰峰值进 行平均， 并将平均值按照线性关系进行浓度转换得到第一阶段二氧化碳的浓 度值， 所述的电脑将第二个阶段 的二次谐波信号的信号峰峰值进行平均， 并将平均值按照 线性关系进行浓度转换得到第二阶段二氧化碳的浓度值， 第二阶段二氧化碳的浓度值减去 第一阶段二氧化 碳的浓度值， 得到的差值即为皮肤 排出的二氧化 碳浓度。 2.根据权利要求1所述的一种检测皮肤排出二氧化碳浓度的系统， 其特征在于所述的 温控装置包括电源 模块、 TEC驱动模块、 模拟PID模块和温度设定及反馈模块； 所述的电源模块包括型号为SS12E17G3的第一开关、 第一电容、 第二电容、 第三电容、 第 四电容、 第五电容和第一二极管， 所述的第一电容为电解电容， 所述的第一开关的第 1脚和 所述的电源连接， 用于接入5V电压， 所述的第一开关的第3脚、 所述的第一电容的正极、 所述 的第二电容的一端、 所述的第三电容的一端、 所述的第四电容的一端、 所述的第五电容的一 端和所述的第一二极管的负极连接且其连接端为所述的电源模块的输出端， 所述的第一电 容的负极、 所述的第二电容的另一端、 所述的第三电容的另一端、 所述的第四电容的另一 端、 所述的第五电容的另一端和所述的第一 二极管的正极连接且其连接端接地； 所述的TEC驱动 模块包括型号为MAX8521ETP+的第一芯片、 半导体致冷器、 第六电容、 第 七电容、 第八电容、 第九电容、 第十电容、 第十一电容、 第十二电容、 第十三电容、 第十四电 容、 第十五电容、 型号为SS12E17G3的第二开关、 第一电阻、 第二电阻、 第三电阻、 第一电感和 第二电感， 所述的半导体致冷器设置在所述的壳体内， 所述的第六电容的一端接地， 所述的 第六电容的另一端、 所述的第一电感的一端、 所述的第一电阻的一端、 所述的第八电容的一 端和所述的第一芯片的第 17脚连接， 所述的第一电感的另一端和所述的第一芯片的第1脚 连接， 所述的第一芯片的第2脚和所述的第七电容的一端连接且其连接端接地， 所述的第七 电容的另一端、 所述的第一芯片的第20脚、 所述的第一芯片的第16脚、 所述的第一芯片的第 12脚、 所述的第十二电容的一端、 所述的第十五电容的一端和所述的第二开关的第1脚连接 且其连接端与所述的电源模块的输出端连接， 所述的第十五电容的另一端接地， 所述的第 二开关的第3脚接地， 所述的第二开关的第2脚和所述的第一芯片的第13脚连接， 所述的第 十二电容的另一端和所述的第一芯片的第14脚连接且其连接端接地， 所述的第一芯片的第 3脚、 所述的第九电容的一端和所述的第十电容的一端连接且其连接端与所述的电源模块 的输出端连接， 所述的第九电容的另一端和所述的第十电容的另一端均接地， 所述的第一 芯片的第4脚和所述的第十一电容的一端 连接， 所述的第十一电容的另一端接地， 所述的第 一芯片的第6脚、 第7脚、 第9脚、 所述的第二电阻的一端和所述的第十四电容的一端连接且 其连接端为所述的TEC驱动模块的输入端， 所述的第十四电容的另一端接地， 所述的第二电 阻的另一端、 所述的第三电阻的一端和所述的第一芯片的第8脚连接， 所述的第三电阻的另 一端接地， 所述的第一芯片的第10脚为所述的TEC驱动模块的控制端， 所述的第一芯片的第 11脚接地， 所述的第一芯片的第15脚和所述的第二电感的一端连接， 所述的第二电感的另 一端、 所述的第十三电容的一端、 所述的第一芯片的第18脚、 所述的第八电容的另一端和所 述的半导体致冷器的一端连接， 所述的半导体致冷器的另一端、 所述的第一电阻的另一端 和所述的第一芯片的第19脚连接， 所述的第十三电容的另一端接地； 所述的温度设定及反馈模块包括第十六电容、 第十七电容、 第 四电阻、 第五电阻、 第六 电阻和第七电阻， 所述的第六电阻为温感电阻， 所述的第