化学传感器及电子鼻技术

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1、化学传感器及电子鼻技术第五章化学量传感器(3)10/6/2021主要内容1、化学传感器2、金属氧化物的电子电导传感器3、电子鼻技术4、模式识别—人工神经网络本章小结10/6/20211、化学传感器定义：将一种化学状态（分析信息“pi”如含量、分压、液体或气体状态中原子、分子、离子和粒子“i”的放射性和挥发性）转化为一种电信号S（传感器响应）的电子元件。分类：图3.1和表3.110/6/202110/6/202110/6/202110/6/2021化学传感器举例及原理简介（1）用于探测空气中CO含量—具有液态电解液的电流式CO传感器；（2）通过固态电解液的电势测量确定平衡氧气

2、分压的λ探头；（3）基于氧化催化剂上热反应测量还原气体的球状热量传感器；（4）借助于一定的玻璃薄膜确定富水溶液中中子活性的pH离子敏感电极；（5）用氧化栅确定质子活性的离子敏感场效应三极管（ISFET）；（6）确定水中氧气含量的Clark电极；（7）通过导电率测量探测气体报警系统中还原气体的TaguchiSnO2传感器。10/6/202110/6/202110/6/202110/6/202110/6/202110/6/20212、金属氧化物的电子电导传感器电子电导传感器主要用于检测可燃气体：H250ppmCH4,C3H8,C4H10500ppmCO50ppmNH330ppm

3、H2S5ppm基于添加SnO2的传感器已批量生产。10/6/202110/6/202110/6/202110/6/20213、电子鼻技术（1）什么是电子鼻？（2）电子鼻技术的发展历史（3）电子鼻技术的基本原理（4）电子鼻技术的研究现状与前景10/6/2021（1）什么是电子鼻？电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，它可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的气味状况。电子鼻主要由气味取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统三种功能器件组成。电子鼻识别的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度。例如：一号气体可在某个传感

4、器上产生高响应，而对其他传感器则是低响应；同样，二号气体产生高响应的传感器对一号气体则不敏感。归根结底，整个传感器阵列对不同气体的响应图案是不同的，正是这种区别，才使系统能根据传感器的响应图案来识别气体。10/6/2021（2）电子鼻技术的发展历史由于气体传感器的交叉敏、选择性差等缺点，单一传感器往往对被测环境中的各种气体敏感，因而很难有选择地测量出某种气体的成分和含量。电子鼻技术是解决这一问题的有效途径，它正是利用各个气敏器件对复杂成分气体都有响应却又互不相同这一特点，借助数据处理方法对多种气味进行识别，从而对气味质量进行分析与评定。1982年，英国学者Persuad和D

5、odd用3个商品化的SnO2气体传感器（TGS813、812、711）模拟哺乳动物嗅觉系统中的多个嗅感受器细胞对戊基醋酸酯、乙醇、乙醚、戊酸、柠檬油、异茉莉酮等有机挥发气进行了类别分析，开创了电子鼻研究之先河。10/6/20211989年，在北大西洋公约组织的一次关于化学传感器信息处理会议上，对电子鼻做了如下定义:“电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。”随后，于1990年举行了第一届电子鼻国际学术会议。为了促进电子鼻技术的交流和发展，国际上每年举行一次化学传感器国际学术会议。电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的

6、一门学问。其研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应用数学以及各具体应用领域的科学与技术，具有重要的理论意义和应用前景。其中传感器技术和计算机技术处于当今科学技术研究和发展的前沿。10/6/2021商品化的电子鼻10/6/2021电子鼻的工作可简单归纳为：传感器阵列信号预处理神经网络和各种算法计算机识别（气体定性定量分析）。从功能上讲，气体传感器阵列相当于生物嗅觉系统中的大量嗅感受器细胞，神经网络和计算机识别相当于生物的大脑，其余部分则相当于嗅神经信号传递系统。（3）电子鼻技术的基本原理10/6/2021阵列化气体传感器电子鼻系统中，传感器及其阵列是电子鼻的关键

7、，它的功能是把不同的气味分子在其表面的化学作用转化为可测的电信号。传感器阵列可以采用数个单独的气敏传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作专门的气敏传感器阵列。后者体积小、功耗低、便于信号的集中采集与处理。《ACMOSmonolithicallyintegratedgassensorarraywithelectronicsfortemperaturecontrolandsignalinterfacing》2002Spain（4）电子鼻技术的研究现状与前景10/6/2021电子鼻敏感材料必须具备两个基本条件：（1）对不