基于房室模型的氣體傳感器響應(yīng)分析
本題是我們校內(nèi)賽的A題,其實(shí)剛拿到這題的時(shí)候,我們感覺它并不是一個(gè)A題,因?yàn)闅v年的A題都偏向于計(jì)算,而這題偏向于建模,建模中的思路,三天過后,我們終于做完了~~~~~~ ~~~ ~ ~ ~呼 ~ ~ ~~~~~ ~。
雖然中間我們也有問題,不過還好是做完了,下面就來分享一下自己的思路吧。
氣體傳感器響應(yīng)過程分析
一、背景介紹
氣體傳感器,是將一定濃度的被測(cè)氣體通過某種規(guī)律(如傳感器與被測(cè)氣體接觸時(shí)電阻發(fā)生改變)將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件或裝置。氣體傳感器的應(yīng)用非常廣泛,例如日常生活中常見的煙霧報(bào)警器、燃?xì)鈭?bào)警器、酒精傳感器(用于檢查酒駕)、人工智能中的嗅覺傳感器等等。
通過氣噴、旋涂等方式將氣敏材料(一般為納米材料)涂覆在叉指電極(IDEs)表面天然氣報(bào)警器,如圖1(a)所示,可制備電阻式氣體傳感器,測(cè)試時(shí),待測(cè)氣體接觸氣敏材料引起電阻改變,根據(jù)電阻改變量可以判斷氣體濃度。測(cè)試裝置與過程如圖1(b)所示。
二、測(cè)試過程
將氣瓶?jī)?nèi)待測(cè)氣體(這里是氨氣NH3)和空氣(Air)分別用塑膠管連接到氣體流量計(jì)(Mass Flow Controller),通過氣體流量計(jì)調(diào)控待測(cè)氣體濃度(將氨氣與空氣按照一定比例混合可控制氨氣濃度)后導(dǎo)入密封測(cè)試腔(Test Chamber),氣體從測(cè)試腔的另一端導(dǎo)出,測(cè)試過程中保持氣體總流量不變;制備好的氣體傳感器(叉指電極)事先已放置在測(cè)試腔內(nèi),通過接觸叉指電極的探針將電阻信號(hào)由檢測(cè)裝置(這里是Keithley2700)傳輸?shù)诫娔X,得到測(cè)試數(shù)據(jù)。
通入一定濃度氨氣后,測(cè)試腔內(nèi)的氨氣分子一部分撞擊在傳感器表面,其中一些被吸附在傳感器表面,其余返回測(cè)試腔,被吸附的氨氣分子一部分解吸附返回測(cè)試腔,吸附與解吸附同時(shí)進(jìn)行,且傳感器表面的氨氣分子逐漸向內(nèi)滲透。氨氣分子被吸附在傳感器表面時(shí),與氣敏材料之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,載流子濃度上升引起電阻下降;經(jīng)過一段固定長(zhǎng)度的時(shí)間后,電阻改變量逐漸減緩,此時(shí)氨氣流量降為0并增加空氣流量以保持總流量不變,傳感器表面吸附的氨氣分子解吸附回到測(cè)試腔,傳感器表面載流子濃度下降,電阻上升。每一次通入氨氣后電阻改變稱為響應(yīng)過程,之后通入空氣(即關(guān)閉氨氣)電阻部分恢復(fù)稱為回復(fù)過程,一次響應(yīng)和回復(fù)稱為一輪測(cè)試。
一般用R_t表示t時(shí)刻的電阻值,R_0表示最初時(shí)刻的電阻值,“響應(yīng)”定義為
ΔR/R_0 =|R_t-R_0 |/R_0
通入氨氣后的響應(yīng)效果如圖2所示。
題目中給有三組測(cè)試數(shù)據(jù):一組測(cè)試重復(fù)性(3輪,氨氣濃度都是60PPM),一組測(cè)試氨氣濃度遞增(氨氣濃度分別為20, 40, 60, 80, 100PPM),另一組氨氣濃度先增加后降低如圖2所示。每一組測(cè)試數(shù)據(jù)已計(jì)算出相應(yīng)值,ID表示數(shù)據(jù)序號(hào)(對(duì)應(yīng)Sample),T表示時(shí)間(單位為秒(S),對(duì)應(yīng)Time(abs)),R表示電阻(單位為歐姆(Ω),對(duì)應(yīng)為不同材料如RGO)氣體壓力傳感器,ΔR/R_0 為響應(yīng)(對(duì)應(yīng)于不同材料)。
三、問題
對(duì)于一輪測(cè)試(選用重復(fù)性的第一輪測(cè)試),分析氨氣分子在傳感器表面的吸附與解吸附,建立模型描述電阻隨時(shí)間的改變(包括響應(yīng)過程和回復(fù)過程)。為了分析傳感器的穩(wěn)定性,常會(huì)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試氣體壓力傳感器,即多次通入同一濃度氣體,測(cè)試其響應(yīng)度;如果傳感器薄膜中的氣體分子不能完全解吸附,則傳感器電阻不能恢復(fù)到初始值,下一輪測(cè)試時(shí)響應(yīng)初始值會(huì)增加,這種情況稱為基線漂移。根據(jù)前面所建立模型,嘗試描述這三輪重復(fù)性測(cè)試過程,結(jié)合重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)分析基線漂移現(xiàn)象。對(duì)于氨氣濃度遞增的情形,根據(jù)前面所建立模型描述其響應(yīng)過程,結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,能否根據(jù)每輪測(cè)試的某個(gè)特征值點(diǎn)來表征氣體濃度,使得5個(gè)特征值與5個(gè)氣體濃度之間存在較好的線性關(guān)系?(聚類分析)對(duì)于氨氣濃度先增加后降低的情形,即便氨氣濃度降低,基線漂移仍然存在,能否通過問題3的特征值來表征氣體濃度?如果能,結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;如果不能,可如何改進(jìn)?(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)?)你在問題1~3中所用的方法,是否適合所給數(shù)據(jù)中的其他材料?可否將不同材料的響應(yīng)通過某種方式組合后家用燃?xì)鈭?bào)警器,更好地表征氣體濃度?
思路分析(房室模型)
剛開始看到這題,看到測(cè)試腔,其實(shí)我們想到的是房室模型,于是我們便搜索相關(guān)信息,最終確定了該模型的使用方法。
下面簡(jiǎn)單介紹一下房室模型:
鏈接: link.參考文章
概念
模型假設(shè)
具體步驟前文鏈接里有
思路分析(本題房室模型建立)
其實(shí)大家可以發(fā)現(xiàn),本題房室模型幾乎和鏈接所給的說明一樣,本題完全適用于房室模型,故對(duì)此做出解釋。
之后便是優(yōu)化模型,方法很多氣體壓力傳感器,可以以簡(jiǎn)單的思路求解處正確結(jié)果即可。。。
之后的題目便是對(duì)此第一題的延申,調(diào)用模型即可。
Don’t be afraid of boundless truth, there always exists joy in any step taken.
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