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技能资料-电子鼻传感器原理与技能

来源:http://www.qqmyr.com 责任编辑:利来国际w66 2018-04-14 07:29

  技能资料:电子鼻传感器原理与技能

  电子鼻首要由气味取样操作器、气体传感器阵列和信号处理体系三种功用器材组成。电子鼻辨认气味的首要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的活络度,2017쾨乖벌첬든낚됴탤렴矜헹팜骄 2017쾨乖벌첬든낚됴탤렴矜헹팜骄 癎샙훑듐,例如,一号气体可在某个传感器上发作高呼应,而对其他传感器则是低呼应,相同,二号气体发作高呼应的传感器对一号气体则不活络,归根到底,整个传感器阵列对不同气体的呼应图画是不同的,正是这种差异,才使体系能依据传感器的呼应图画来辨认气味。

  电子鼻的类型许多,其典型的作业程式是:首要,运用真空泵把空气取样汲取至装有电子传感器阵列的小容器室中。接着,取样操作单元把已初始化的传感器阵列露出到气味体中,当挥发性化合物(VOC)与传感器活性资料外表相触摸时,就发作瞬时呼应。这种呼应被记载并传送到信号处理单元进行剖析,与数据库中存储的很多VOC图画进行比较、辨别,以断定气味类型。最终,要用酒精蒸气“冲刷”传感器活性资料外表以去除测毕的气味混合物。在进入下一轮新的丈量之前,传感器仍要再次实施初始化(即作业之间,每个传感器都需用枯燥气或某些其它参阅气体进行清洗,以到达基准状况)。被测气味效果的时刻称为传感器阵列的“呼应时刻”,铲除进程和参阅气体效果的初始化进程所花的时刻称为“恢复时刻”。

  在电子鼻体系中,气体传感器阵列是关键因素。除根本的气相色谱(GC)剖析法以外,电子鼻传感器的首要类型还有导电型传感器、压电类传感器、场效应传感器、光纤传感器等。导电性传感器的根本特点是,传感器原理与技能其置于挥发性化合物(VOC)时的呼应方法是电阻值发作改动。导电性传感器又分为金属氧化物传感器和聚合物传感器两大类。金属氧化物传感器在电子鼻体系中运用更广泛,其结构如图1所示。此类传感器中与VOC相触摸的活性资料是锡、锌、钛、钨或铱的氧化物,衬底资料一般是硅、玻璃、塑料,发作触摸反响需满意200~400℃的温度条件,因而在底部设置了加热器。氧化物资料顶用铂、钯等宝贵金属搀和构成两条金属触摸电极。与VOC的相互效果改动了活性资料的导电性,使两电极之间的电阻发作改动,这种电阻改动可用单臂电桥或其它电路来丈量。事实上,一个传感器的活性资料总是规划得对某些特定气味呼应最活络。

  该传感器的活络度规模为5~50ppm。金属氧化物传感器的缺陷是:(1)作业温度较高;(2)经长时刻作业之后,2013쾨雎겜뢴恳끝契헙홍충팜骄적윱벌셥w66.com,呼应基准值易发作漂移,需求运用信号处理运算来战胜;(3)对气体混合物中呈现的硫化物呈“中毒”反响。可是,它有很宽的适用规模和相对低的本钱,故仍然成为当今广泛运用的气体传感器。

  导电聚合物传感器中,与VOC触摸的活性资料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分构成的导电聚合物,当气体分子与上述聚合物资料触摸时会发作电离或共价效果,这种相互效果影响了电子沿聚合物链的传输,即改动了导电性。在聚合物资猜中,运用显微组构技能构成两条距离10~20μm的电极,经过在两电极之间施加交变电压来使聚合物电聚合化,改动电压扫描速率,并运用一系列聚合物前体就可发作各式各样的活性资料,使不同的资料别离对不同的气体呈特定呼应。导电聚合物传感器在一般环境温度下作业而无需加热,因而更简单制作,其电子界面更为直接,然后在便携式仪器运用中有更大优势。这种传感器勘探气味的活络度可到达0。1ppm,比金属氧化物传感器更高,但一般在10~100ppm规模之内。现在导电聚合物传感器的首要缺陷是:(1)活性资料电聚合进程较为困难和费时;(2)与VOC触摸呼应存在随时刻发作飘移的现象;(3)对湿度极为活络,这种活络性易掩盖和搅扰对VOC的正常呼应。别的,某些气领会穿透聚合物资料全体,然后减慢了将VOC从聚合物中去除的进程,即延缓了传感器的恢复时刻。

  压电类传感器的根本特点是,与VOC的触摸呼应方法体现为频率的改动。它又分为石英晶体微量天平(QCM)传感器和声外表波(SAW)传感器两种。压电类传感器既可以丈量温度和质量的改动,又可丈量压力、力和加速度等参数,但在电子鼻体系中,它们一般只作为质变量传感勘探器运用。QCM传感器是一个几毫米直径的谐振盘,盘面敷有聚合物资料,每面有一个与导线相连的金属电极,结构如图2所示。当该传感器受振动信号鼓励时,便谐振于特征频率(10Hz~30MHz),而一旦气体分子被吸收到聚合物涂层外表,就增加了该盘的质量,因而降低了谐振频率,谐振频率的凹凸与所吸收的气体分子质量成反比。QCM传感器对不同气体的呼应、选择性可经过调整谐振盘聚合物涂层来改动,而减小石英晶体的尺度和质量,并减小聚合物涂层的厚度,则可进一步缩短传感器的呼应时刻和恢复时刻。

  声外表波(SAW)传感器与QCM传感器的首要差异为:(1)瑞利波是经SAW的外表运转,不是像QCM相同经过其体内;(2)SAW传感器作业频率更高,因而可发作更大的频率改动。QCM的典型作业频率仅是10MHz,而SAW器材则在几百MHz;(4)因为SAW是平面器材,所以可用微电子工业遍及选用的光刻技能来制作,而不像QCM那样需求微电子机械体系(MEMS)进行三维处理,因而批量生产的本钱更低。可是,SAW传感器的信噪比逊于QCM传感器,因而在许多情况下,前者的活络度要低于后者。

  电子鼻传感器的第三大类是金属氧化硅场效应管传感器(MOSFET)。其作业原理是:VOC与催化金属资料相触摸所生成的反响产品(如氢)会分散经过MOSFET的操控极来改动器材的导电物性。如图3所示,典型的MOSFET结构有一个P型衬底和在衬底上分散的两个掺杂浓度很高的N型区,两个N区的金属触点别离称为源极和漏极。器材的活络度和选择性可经过改动金属触摸剂的类型和厚度以及改动作业温度来改动。MOSFET的长处之一是可依托IC制作工艺,批量生产、质量安稳,首要问题是触摸反响产品(如氢)有必要进入催化金属涂层来影响沟道中的电荷,这就对芯片的密闭封装方法提出了更严苛的要求。MOSFET与导电性传感器相同,也存在基准值漂移问题。

  第四类有用的气味传感器是光纤传感器。它对气体化合物的呼应方法是光谱颜色发作改动。如图4所示,技能资料-电子鼻这种传感器的骨干部分是玻璃纤维,在玻璃纤维的各面敷有很薄的化学活性资料涂层。化学活性资料涂层是固定在有机聚合物矩阵中的荧光染料,当与VOC触摸时,来自外部光源的单频或窄频带光脉冲沿光纤传达并鼓励活性资料,使其与VOC相互效果反响。这种反响改动了染料的极性,然后改动了荧光发射光谱。只要对许多敷有不同染料混合物的光纤器材构成的传感器阵列发作的光谱改动进行检测剖析,就可以断定对应的气体化合物成分。光纤传感器有很强的抗噪才能和极高的活络度,其活络度单位以ppb(十亿分率)计,这是其它电子鼻传感器类型所远不及的。现在光纤传感器的首要缺陷是:(1)其设备操控体系较杂乱,本钱较高,(2)荧光染料受白光化效果影响,运用寿命有限。

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