声表面波气敏传感器系统关键技术及应用研究

摘要

有毒有害气体通常包括毒气和可燃气体。随着各国工业4.0计划的推进，对石油、化工的依赖程度更为紧密，而一氧化碳、甲烷等含烷烃的有机气体和有机挥发物（VOC）等多产生于石油化工及工业生产原材料中，这些气体严重危害到人类的生命和财产安全。同时，由于化学毒剂更易于合成、制造和使用，使得如何预防各类恐怖事件引发各级政府关注。所以，针对以上有毒有害气体的检测亟需具备快速检测能力的器件。气敏传感器作为一种专门用来检测气体组分及浓度的器件，被广泛的应用于各类气体检测、监测领域，同时，为了适应传感器网的空间计算泛在化趋势，也需要设计适用的实体搜索服务机制，实现多功能化、智能化以及网络化的毒气检测。现有气体检测方法如电化学、红外吸收方法、气相色谱法等气敏传感器由于其工作过程较为复杂、响应较慢、成本高、工作环境较为苛刻等缺点，限制了其发展。而声表面波气敏传感器具备精度高、抗干扰能力强、体积功耗小、结构工艺好等优点，被广泛应用于军事毒气探测、工业毒气检测领域。本文基于声表面波的气敏传感器利用待测气体与膜材料敏感机理、设计了三维纳米线簇的声表面波器件、构建了传感信号测量系统及数字化频率处理系统，并延伸研究了传感器网络的泛在化、服务搜索机制。
　　本研究主要内容包括：⑴分析比较了二维敏感膜结构与三维线簇敏感膜结构的比表面积差距，提出了一种新型的三维纳米线簇气体敏感膜材料结构。同时，综合考虑选择性、灵敏度、可逆性、使用寿命等性能，选择了ZnO纳米线簇作为气体传感器敏感元件，利用液相水热法制备了三维纳米线簇，每根ZnO纳米线簇都有5至8根纳米棒，直径大约150-300nm之间，长度大约3至4?m。基于线性溶剂化能关系式（LSER），采用了喷雾法实现了聚合物与三维纳米线簇的超支化聚碳硅烷合成，提高三维纳米簇表面的催化活性。研制的三维纳米线簇敏感膜制备声表面波气体传感器，其工作频率为198.99MHz，插入损耗?13.59dB，满足测定毒剂气体要求。⑵采用反馈环路法设计双端口差分声表面波谐振的振荡电路，通过电路噪声等实现SAW谐振。利用差分双通道结构，以提高信号提取电路的抗共模干扰能力。文中研究了传感器频率稳定度和电磁兼容性指标，提出了多项改进措施，从而提升了传感器的检测灵敏度和稳定度。提出了一种改进型 Rife信号检测算法，采用的滑动窗口最大化能量的判决方法，有效检测差频信号是否携带气体传感成分。结合提出的一种单频信号频率谱估计算法，有效的提高了频率估计精度更高，估计方差较 Rife和 M-Rife更接近CRLB值。设计了四路串行传感器阵列结构，选用经典的反向传播网络识别算法对毒剂样本气体训练、识别，从而实现了快速、识别单一、混合气体组分、浓度，实验验证，该传感器具备高灵敏度检测待测毒剂气体浓度，并具有高的抗干扰能力。通过各种配气实验，结果表明，对单一 HD毒剂气体选取18主数据进行BP网络训练后，识别率达到100％，浓度信息误差控制在了10%以内；对于单一沙林气，识别率达到100%，浓度信息误差控制在了15%以内。通过108组训练样本和54组测试样本数据，得出混合毒剂气体定性综合识别为98.79%；同时34组混合气体测试数据进行浓度识别测试，对于浓度较低时，低于1mg/m3内，识别误差不超过15%，对于浓度高于15mg/m3时，误差可以控制在8%以内。对于SAW气敏传感器来说，误差限在合理的范围内。总体上，浓度误差可以控制在15%以内。对混合毒剂气体中加入了一些干扰气体，如二氧化碳、二氧化硫、甲烷、氨气、硫化氢等，经过网络定性识别后，总体的识别率可以达到97.37%，说明本传感器具备较高的定性识别能力和抗干扰能力。⑶声表面波气敏传感器由传感器阵列、模式识别系统构成，具备了单点气体检测、识别的能力。随着移动互联技术的发展，推进了传感器的云、端化，基于拓展气敏传感器的空间计算能力，研究了在泛在网中传感器服务搜索的相关技术。分析了现有的实体搜索服务机制的优缺点，针对搜索机制支持动态属性不足，提出了一种准确的传感器状态预测机制(ASPM)，可以弥补现有搜索机制动态性支持不足缺陷，同时提高传感器搜索系统的效率。通过建立物理实体历史数据库，从中建立动态属性规律，以此建立动态库上的预测模型。并通过Intel Berkeley和NOAA实验室的数据得到验证，ASPM能提供更高效搜索服务能力，同时降低通信开销。

目录

1 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容

2 声表面传感技术

2.1 声表面波技术

2.2 声表面波气敏传感器相关技术

2.3 小结

3 三维纳米线簇SAW气敏传感器研究

3.1 概述

3.2 三维纳米线簇SAW气敏传感器工作原理

3.3 三维纳米线簇SAW气敏传感器系统设计

3.4 小结

4 声表面波气敏传感测量系统构建

4.1 概述

4.2 信号检测电路系统设计

4.3 SAW振荡电路频率稳定性研究

4.4测量系统性能优化设计

4.5 信号处理系统设计及选型

4.6 SAWR气敏传感器性能指标测试

4.7 小结

5 声表面波气敏传感信号处理技术

5.1 概述

5.2 输出信号检测估计分析与处理

5.3 气敏传感器阵列检测系统研究

5.4 小结

6 三维纳米线簇SAW气敏传感器气体检测结果及分析

6.1 SAW气敏传感器检测单一毒剂气体响应分析

6.2定性响应单一毒剂气体结果及分析

6.3 定量检测单一毒剂气体结果及分析

6.4 定性响应混合毒剂气体结果及分析

6.5 定量检测混合毒剂气体结果及分析

6.6 小结

7 泛在网传感器实体搜索服务机制研究

7.1 概述

7.2 泛在网中物体实体模型及搜索服务策略分析研究

7.3传感网的策略算法改进研究

7.4 小结

8 结 论

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B．作者在攻读博士学位期间发表的专利目录

C．作者在攻读博士学位期间参与的科研项目