基于碳纳米管的气敏传感器研究及有机气体识别

摘要

本文主要研究基于碳纳米管的气敏传感器对有机气体的响应,并且尝试了胺基团化学改性碳纳米管和碳纳米管聚吡咯复合物等,观察其气敏影响,发现它们虽然对气敏响应的灵敏度改变不大,但是对苯、甲苯、二甲苯、甲醛的响应各有不同改变,为之后构造传感器阵列识别气体提供了基础.本论文也设计了基于各种碳纳米管传感器的电子鼻人工嗅觉系统识别有机气体如苯、甲苯、二甲苯、甲醛.采用主成分分析方法考察以上各基于碳纳米管传感器识别气体的可能性和降维处理,选择识别率较好的传感器构成阵列,构建径向基神经网络识别有机气体.本论文首先介绍碳纳米管这种材料的结构、性质、制备及碳管吸附性的应用,尤其是其气敏方面的应用;然后介绍气敏传感器及气敏传感器阵列的种类、信号处理方法;之后是利用的各种修饰的碳纳米管制备的传感器进行气敏试验,对实验结果进行分析并对碳纳米管气体吸附的原理进行初步的探讨;然后根据之前各种修饰的碳纳米管的气敏传感器的气敏响应,通过PCA方法分析传感器阵列分类各有机气体的可能性,选择其中差异性大的构成传感器阵列,构造鲁棒性的神经网络,进行气体识别的模拟训练,并进行了简单的测试,在传感器阵列对气体的识别方面不受温度飘移和湿度影响.

目录

文摘

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第一章碳纳米管简介

§1.1 碳纳米管的分子结构

§1.2 碳纳米管的性质

§1.2.1电学性质

§1.2.2力学性质

§1.2.3化学性质和热学性质

§1.2.4其它性质

§1.3 碳纳米管的制备

§1.3.1电弧法

§1.3.2催化法

§1.3.3等离子体法和激光法

§1.3.4其它制备方法

§1.4 碳纳米管吸附性能的应用

§1.4.1高效的储气材料和纳米级的储能单元

§1.4.2碳纳米管的气敏特性

§1.4.3微型反应器

§1.5 碳纳米管的化学改性

第二章气敏传感器及传感器阵列

§2.1 气敏传感器简介

§2.2 气敏传感器种类

§2.2.1电学类气体传感器

§2.2.2光学类气体传感器

§2.2.3电化学类气体传感器

§2.2.4其它

§2.3 气体传感器及检测仪器的发展

§2.3.1开发新型气体敏感材料

§2.3.2研究开发新的气体传感器

§2.3.3深入研究气体传感器的结构和机理

§2.3.4气体检测传感器的一体化、智能化和图像化

§2.3.5气体监测仪的发展趋势

§2.4 气敏传感器阵列装置概述－电子鼻介绍

§2.5 常见气敏传感器阵列装置

§2.5.1金属氧化物半导体传感器阵列装置

§2.5.2导电聚合物膜传感器阵列装置

§2.5.3脂涂层传感器阵列装置

§2.5.4红外线光电检测装置

第三章碳纳米管气敏性的研究

§3.1 实验准备

§3.2 气敏实验

§3.2.1多壁碳纳米管的气敏实验

§3.2.2单壁碳纳米管的实验

§3.2.3掺N的多壁碳纳米管

§3.2.4胺基团修饰的碳纳米管的气敏性

§3.2.5碳纳米管/聚吡咯复合物

§3.3 分析与讨论

第四章传感器阵列的模式识别信号处理

§4.1 模式识别技术概述

§4.1.1主分量分析(PCA)方法

§4.1.2独立分量分析(ICA)方法

§4.1.3人工神经网络

§4.2 人工神经网络概念

§4.3RBF人工神经网络

第五章传感器阵列系统结构和有机气体识别

§5.1 人工嗅觉系统检测污染气体总体设计

§5.2 气敏传感器阵列的选择-主成分分析实验

§5.3 RBF神经网络识别有机气体

§5.3.1网络建立与训练

§5.3.2网络仿真与测试

§5.3.3网络对于混合气体

§5.4 模式识别的matlab辅助工具

第六章总结与展望

参考文献

研究生期间参加项目与成果

致谢