聲表面波氣敏傳感器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、有毒有害氣體通常包括毒氣和可燃?xì)怏w。隨著各國(guó)工業(yè)4.0計(jì)劃的推進(jìn)，對(duì)石油、化工的依賴程度更為緊密，而一氧化碳、甲烷等含烷烴的有機(jī)氣體和有機(jī)揮發(fā)物（VOC）等多產(chǎn)生于石油化工及工業(yè)生產(chǎn)原材料中，這些氣體嚴(yán)重危害到人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，由于化學(xué)毒劑更易于合成、制造和使用，使得如何預(yù)防各類恐怖事件引發(fā)各級(jí)政府關(guān)注。所以，針對(duì)以上有毒有害氣體的檢測(cè)亟需具備快速檢測(cè)能力的器件。氣敏傳感器作為一種專門用來(lái)檢測(cè)氣體組分及濃度的器件，被廣泛的應(yīng)用

2、于各類氣體檢測(cè)、監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，同時(shí)，為了適應(yīng)傳感器網(wǎng)的空間計(jì)算泛在化趨勢(shì)，也需要設(shè)計(jì)適用的實(shí)體搜索服務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多功能化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化的毒氣檢測(cè)?，F(xiàn)有氣體檢測(cè)方法如電化學(xué)、紅外吸收方法、氣相色譜法等氣敏傳感器由于其工作過(guò)程較為復(fù)雜、響應(yīng)較慢、成本高、工作環(huán)境較為苛刻等缺點(diǎn)，限制了其發(fā)展。而聲表面波氣敏傳感器具備精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積功耗小、結(jié)構(gòu)工藝好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事毒氣探測(cè)、工業(yè)毒氣檢測(cè)領(lǐng)域。本文基于聲表面波的氣敏傳感器利用

3、待測(cè)氣體與膜材料敏感機(jī)理、設(shè)計(jì)了三維納米線簇的聲表面波器件、構(gòu)建了傳感信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)字化頻率處理系統(tǒng)，并延伸研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的泛在化、服務(wù)搜索機(jī)制。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴分析比較了二維敏感膜結(jié)構(gòu)與三維線簇敏感膜結(jié)構(gòu)的比表面積差距，提出了一種新型的三維納米線簇氣體敏感膜材料結(jié)構(gòu)。同時(shí)，綜合考慮選擇性、靈敏度、可逆性、使用壽命等性能，選擇了ZnO納米線簇作為氣體傳感器敏感元件，利用液相水熱法制備了三維納米線簇，每根ZnO納米線

4、簇都有5至8根納米棒，直徑大約150-300nm之間，長(zhǎng)度大約3至4?m?；诰€性溶劑化能關(guān)系式（LSER），采用了噴霧法實(shí)現(xiàn)了聚合物與三維納米線簇的超支化聚碳硅烷合成，提高三維納米簇表面的催化活性。研制的三維納米線簇敏感膜制備聲表面波氣體傳感器，其工作頻率為198.99MHz，插入損耗?13.59dB，滿足測(cè)定毒劑氣體要求。⑵采用反饋環(huán)路法設(shè)計(jì)雙端口差分聲表面波諧振的振蕩電路，通過(guò)電路噪聲等實(shí)現(xiàn)SAW諧振。利用差分雙通道結(jié)構(gòu)，以提高信

5、號(hào)提取電路的抗共模干擾能力。文中研究了傳感器頻率穩(wěn)定度和電磁兼容性指標(biāo)，提出了多項(xiàng)改進(jìn)措施，從而提升了傳感器的檢測(cè)靈敏度和穩(wěn)定度。提出了一種改進(jìn)型 Rife信號(hào)檢測(cè)算法，采用的滑動(dòng)窗口最大化能量的判決方法，有效檢測(cè)差頻信號(hào)是否攜帶氣體傳感成分。結(jié)合提出的一種單頻信號(hào)頻率譜估計(jì)算法，有效的提高了頻率估計(jì)精度更高，估計(jì)方差較 Rife和 M-Rife更接近CRLB值。設(shè)計(jì)了四路串行傳感器陣列結(jié)構(gòu)，選用經(jīng)典的反向傳播網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法對(duì)毒劑樣本氣體

6、訓(xùn)練、識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)了快速、識(shí)別單一、混合氣體組分、濃度，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該傳感器具備高靈敏度檢測(cè)待測(cè)毒劑氣體濃度，并具有高的抗干擾能力。通過(guò)各種配氣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)單一 HD毒劑氣體選取18主數(shù)據(jù)進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，識(shí)別率達(dá)到100％，濃度信息誤差控制在了10%以內(nèi)；對(duì)于單一沙林氣，識(shí)別率達(dá)到100%，濃度信息誤差控制在了15%以內(nèi)。通過(guò)108組訓(xùn)練樣本和54組測(cè)試樣本數(shù)據(jù)，得出混合毒劑氣體定性綜合識(shí)別為98.79%；同時(shí)34組混合氣體測(cè)

7、試數(shù)據(jù)進(jìn)行濃度識(shí)別測(cè)試，對(duì)于濃度較低時(shí)，低于1mg/m3內(nèi)，識(shí)別誤差不超過(guò)15%，對(duì)于濃度高于15mg/m3時(shí)，誤差可以控制在8%以內(nèi)。對(duì)于SAW氣敏傳感器來(lái)說(shuō)，誤差限在合理的范圍內(nèi)?？傮w上，濃度誤差可以控制在15%以內(nèi)。對(duì)混合毒劑氣體中加入了一些干擾氣體，如二氧化碳、二氧化硫、甲烷、氨氣、硫化氫等，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)定性識(shí)別后，總體的識(shí)別率可以達(dá)到97.37%，說(shuō)明本傳感器具備較高的定性識(shí)別能力和抗干擾能力。⑶聲表面波氣敏傳感器由傳感器陣列、模

8、式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成，具備了單點(diǎn)氣體檢測(cè)、識(shí)別的能力。隨著移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了傳感器的云、端化，基于拓展氣敏傳感器的空間計(jì)算能力，研究了在泛在網(wǎng)中傳感器服務(wù)搜索的相關(guān)技術(shù)。分析了現(xiàn)有的實(shí)體搜索服務(wù)機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)搜索機(jī)制支持動(dòng)態(tài)屬性不足，提出了一種準(zhǔn)確的傳感器狀態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制(ASPM)，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有搜索機(jī)制動(dòng)態(tài)性支持不足缺陷，同時(shí)提高傳感器搜索系統(tǒng)的效率。通過(guò)建立物理實(shí)體歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，從中建立動(dòng)態(tài)屬性規(guī)律，以此建立動(dòng)態(tài)庫(kù)上的預(yù)測(cè)模型。并通