金屬氧化物氣體傳感器響應(yīng)動力學(xué)特性與陣列優(yōu)化研究.pdf

1、電子鼻是一種模擬生物嗅覺的氣體/氣味分析儀器，相對于傳統(tǒng)的氣體分析儀器，其具有分析快速、操作簡單、可便攜、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于食品質(zhì)量檢測與控制、環(huán)境監(jiān)測、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等一系列國家重大需求領(lǐng)域。電子鼻中最核心的組成部分是氣體傳感器陣列，其中金屬氧化物（MOX）氣體傳感器是應(yīng)用最廣泛的一類傳感器。電子鼻技術(shù)應(yīng)用推廣中存在許多科學(xué)技術(shù)瓶頸。本文分析和探討了電子鼻技術(shù)應(yīng)用研究中的一些共性問題，其中主要包括MOX氣體傳感器響應(yīng)

2、信息提取的研究、MOX氣體傳感器敏感機(jī)理與響應(yīng)模型的研究，以及氣體傳感器陣列的選擇性優(yōu)化研究。
　　 MOX氣體傳感器響應(yīng)信息提取的研究中，分別在時(shí)域空間和相空間中分析了傳感器響應(yīng)曲線的特性，并建立了一種基于特征信息含量和相關(guān)性分析的零散特征快速提取方法，和一種基于相空間中傳感器響應(yīng)模式的全特征參數(shù)提取方法。其中所建立的零散特征快速提取方法，基于特征參數(shù)信息含量和相關(guān)性的分析，以在最短時(shí)間內(nèi)提取對氣體類別區(qū)分能力大、相關(guān)性小的參

3、數(shù)作特征參數(shù)為原則，可快速提取信息量充足的特征參數(shù)。在易燃液體快速檢測的一個(gè)應(yīng)用中，基于該方法可在10s內(nèi)提取積分、差分、微分和二次微分信號為特征參數(shù)，與傳統(tǒng)的響應(yīng)幅值特征參數(shù)提取方法相比有更優(yōu)的性能，兩者對各類易燃液體和不可燃飲料的正確識別率分別為85.7%和57.1%。所建立的全特征參數(shù)提取方法，基于對相空間中傳感器響應(yīng)動力學(xué)特性分析所得到的響應(yīng)模式規(guī)律，提取了六個(gè)特征參數(shù)，同時(shí)基于這些參數(shù)可以還原出響應(yīng)曲線，還原出的響應(yīng)曲線與原始

4、響應(yīng)曲線的平均還原誤差僅為5.4%。為了提高電子鼻的在線檢測速度，縮短傳感器陣列響應(yīng)樣本后恢復(fù)到初始態(tài)的時(shí)間，同時(shí)還分析了傳感器恢復(fù)曲線的特性，并建立了一套快速提取恢復(fù)特征參數(shù)的方法與裝置，其對樣本的檢測恢復(fù)時(shí)間僅為穩(wěn)態(tài)測試條件下的42.7%，可以較大程度上降低檢測恢復(fù)時(shí)間，提高在線檢測的速度。最后基于海鮮中甲醛的檢測為應(yīng)用，對特征參數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與對比，分析得到恢復(fù)曲線特征參數(shù)min（dSt/dt）/max（St）較傳感器空氣狀態(tài)

5、下的電阻R0以及響應(yīng)過程中的敏感幅值S更為穩(wěn)定，三特征參數(shù)最小誤差分別為2.1%、9.9%和7.2%。
　　 MOX氣體傳感器敏感機(jī)理與響應(yīng)模型的研究中，基于氧離子化模型與氧空位模型推導(dǎo)出了一個(gè)MOX傳感器與氣體反應(yīng)的動力學(xué)模型，并利用該模型定量描述了相空間中氣體的響應(yīng)模式，該模型描述數(shù)據(jù)中響應(yīng)模式的平均模擬誤差僅為3.98%。同時(shí)基于該動力學(xué)模型建立了一個(gè)傳感器性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以及一個(gè)模式匹配的模式識別方法，利用該方法可以有效

6、的對樣本進(jìn)行正確識別。同時(shí)還分析了該動力學(xué)模型可能的其它應(yīng)用，包括研究工作溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境氧分壓、敏感膜的厚度、敏感層晶粒的大小、敏感層表面形態(tài)、摻雜等對響應(yīng)模式的影響。最后，基于模型假設(shè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，證明傳感器對不同類別氣體存在不同響應(yīng)模式的原因是，不同類別氣體與氣敏材料反應(yīng)時(shí)，不同類別的氣體是在與不同的氧空位/離子化的氧反應(yīng)，或反應(yīng)的幾率不同。
　　 氣體傳感器陣列的選擇性優(yōu)化研究中，介紹了四種常見的特征選擇陣列優(yōu)化方

7、法，并利用這些方法優(yōu)化了MOX傳感器陣列的工作溫度，將10個(gè)初始工作溫度為300℃的傳感器組成的陣列，優(yōu)化為一個(gè)工作溫度為220℃的四傳感器陣列。同時(shí)建立了一種基于亞陣列的陣列優(yōu)化方法，利用該方法可以獲知優(yōu)化陣列中各傳感器的獨(dú)特功用，在利用六傳感器（TGS813、TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611和TGS2620）對11種樣本（苯、甲苯、二甲苯、乙醇、甲醇、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、正戊烷以及環(huán)己烷）的識別中，