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傳感器“鼻子”!能嗅最惡臭氣體!

更新時(shí)間:2025-02-28   點(diǎn)擊次數(shù):601次
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境污染日益嚴(yán)重,惡臭氣體污染引起的投訴事件屢有發(fā)生。 惡臭氣體包括許多有機(jī)化合物及無機(jī)化合物,雖然濃度不高,但由于它們的嗅闕值低,揮發(fā)性大,極易引起周邊人群的不適。 另外,有些惡臭物質(zhì)有毒,有些是臭氧和二次有機(jī)氣溶膠的重要前體物,因此直接威脅人體健康及生態(tài)環(huán)境安全。
惡臭氣體污染分析方法分為人工嗅辨及儀器分析兩種。 人工嗅辯經(jīng)典、靈敏,但由于嗅覺疲勞,會(huì)使測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生偏差。 另外,此方法只能給出臭氣強(qiáng)度及濃度,不能逐一區(qū)分產(chǎn)生惡臭的污染物質(zhì)。
檢測(cè)方法除了儀器分析法、人工嗅辨法外,傳感器(電子鼻)的使用也日益增加。 該方法成本低、時(shí)間分辨率高,在實(shí)時(shí)、原位分析中顯現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì)。 本文探討傳感器技術(shù)、國內(nèi)外環(huán)境污染分析中的應(yīng)用及存在的問題,指出該技術(shù)在環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中擁有巨大的應(yīng)用潛能,也可以與昨天《未來新方向?利用納米材料修飾電化學(xué)傳感器用于環(huán)境監(jiān)測(cè)!》進(jìn)行對(duì)比!
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傳感器技術(shù),又稱電子鼻,將人工嗅辯與儀器測(cè)定技術(shù)相結(jié)合, 模擬人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、測(cè)試惡臭氣體,在在線、原位監(jiān)測(cè)上展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),已成為惡臭污染源在線監(jiān)測(cè)的主要手段。

1、關(guān)于惡臭氣體傳感系統(tǒng)

惡臭氣體是多種物質(zhì)的混合物,通常使用傳感器陣列進(jìn)行測(cè)定。傳感器陣列是根據(jù)傳感器信號(hào)的變化, 結(jié)合一定算法對(duì)混合氣體的成分濃度進(jìn)行測(cè)定的設(shè)備。 傳感器陣列法又稱為電子鼻系統(tǒng)。

電子鼻工作原理

電子鼻是傳感器陣列及模式識(shí)別模塊集成的分析惡臭氣體的儀器。 氣體中的惡臭物質(zhì)與傳感器陣列相接觸,產(chǎn)生輸出信號(hào)。 電子鼻通過多傳感器信息融合及數(shù)模轉(zhuǎn)化技術(shù)將交叉靈敏度的特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成惡臭氣體濃度或總惡臭強(qiáng)度
輸出。

電子鼻結(jié)構(gòu)

電子鼻主要分為樣品氣引入、 氣味觸發(fā)、信號(hào)處理系統(tǒng)等部分。 樣品氣引入部分主要完成惡臭氣體的吸入及過濾;氣味觸發(fā)是氣體與傳感器活性材料表面接觸,并產(chǎn)生瞬時(shí)響應(yīng);信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集及分析。 信號(hào)調(diào)理電路將氣室中的特征量變化信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào);數(shù)據(jù)采集電路通過電信號(hào)的變化進(jìn)行特征變量的跟蹤收集;數(shù)據(jù)分析軟件通過模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立算法, 對(duì)特征變量進(jìn)行擬合分配,輸出樣品氣中惡臭物質(zhì)含量。

電子鼻中傳感器的分類與選擇

惡臭電子鼻中的傳感器多種多樣。 理想的傳感器可以在常溫下操作, 對(duì)惡臭化合物選擇性高,響應(yīng)速度快,恢復(fù)時(shí)間短、重現(xiàn)性好,性能穩(wěn)定。 選取現(xiàn)在常用的幾種測(cè)定惡臭氣體傳感器,原理及特點(diǎn)列于表 。

選擇傳感器時(shí),首先應(yīng)考慮要測(cè)定的惡臭物質(zhì)的種類及濃度,其次,要熟悉不同傳感器的工作原理、范圍及優(yōu)勢(shì),盡量選擇在其優(yōu)勢(shì)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。 除此以外,還要考慮現(xiàn)場(chǎng)儀器的攜帶是否方便,傳感器的更換是否容易等。 當(dāng)然,應(yīng)盡量使用最少數(shù)量的傳感器陣列,測(cè)定待測(cè)惡臭氣
體中的目標(biāo)成分。

2、傳感器的應(yīng)用

惡臭氣體主要來源于石化、制藥、畜牧養(yǎng)殖、屠宰場(chǎng)、污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)、造紙、印染、皮革等行業(yè), 對(duì)人體健康和環(huán)境有很大的負(fù)面影響。 惡臭氣體的復(fù)雜性要求使用傳感器陣列——電子鼻對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行測(cè)定,表 2 列出了近些年一些使用電子鼻對(duì)惡臭氣體測(cè)定的應(yīng)用。

3、國內(nèi)外發(fā)展方向

國外發(fā)展?fàn)顩r

國外電子鼻研制工作起步較早,20 世紀(jì) 30年代就有人開始進(jìn)行氣體傳器的研發(fā),60 年代出現(xiàn)了使用電化學(xué)反應(yīng)模擬人體嗅辯的裝置,20 年后,隨著多種氣體傳感器聯(lián)合完成高精度的識(shí)別工作, 電子鼻的概念在國際上得到的統(tǒng)一界定,即“電子鼻是由多個(gè)性能彼此重疊的氣體傳感器的模式分類方法組成的具有識(shí)別單一和復(fù)雜氣味能力的儀器"。 經(jīng)過 30 年的努力,特別是20 世紀(jì) 90 年代后精密儀器制造業(yè)蓬勃發(fā)展,加快了電子鼻的發(fā)展步伐。

許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都大力支持電子鼻的研發(fā)工作,研究成果也很快投入了市場(chǎng)應(yīng)用。 目前,國外電子鼻技術(shù)比較成熟,形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模,下表列出了一些商品化儀器及其組成。 電子鼻的高重復(fù)性及精密度在惡臭氣體的識(shí)別中發(fā)揮了很大作用,有些行業(yè)的檢測(cè)中已經(jīng)取代了人工嗅辯。

隨著21世紀(jì)的到 來,納米材料、軟件技術(shù)、微加工技術(shù)迅 猛發(fā)展,加上研究人員的不懈努力,使電子鼻的應(yīng)用再次迎來新的高潮。 如今,發(fā)達(dá)國家的電子鼻技術(shù)已達(dá)到很高水平,選擇性高,精密度好,反應(yīng)快速,穩(wěn)定性和延展性都很好,電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋了各行各業(yè),如食品安全,農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、安全保障、航空航天等。
美國和加拿大一些地區(qū)已經(jīng)大規(guī)模使用現(xiàn)場(chǎng)儀器檢測(cè)惡臭,歐洲雖然現(xiàn)在還不能用電子鼻,但已按照法規(guī)成立專家組,對(duì)電子鼻的設(shè)備定義、數(shù)模轉(zhuǎn)換原則及測(cè)定結(jié)果進(jìn)行考察,以期建立電子鼻的操作要求, 近期會(huì)出臺(tái)電子鼻連續(xù)監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn) 。最近,3D 打印技術(shù)代替蝕刻 工 藝, 使電子鼻的體積進(jìn)一步減小,成本降低且攜帶方便, 其應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。有人預(yù)計(jì):至 2027 年,電子鼻的交易額可達(dá) 30億美元。

我國發(fā)展?fàn)顩r

與國外相比, 我國電子鼻研發(fā)工作起步較晚,通過幾十年的努力,目前已經(jīng)擁有了國產(chǎn)測(cè)定惡臭的電子鼻設(shè)備, 但因缺少工程化應(yīng)用,技術(shù)還不成熟,商品化儀器種類很少 ,較低。 我國《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五 年規(guī)劃綱要》中明確提出 “加強(qiáng)惡臭污染物治理" ,而對(duì)惡臭氣體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備就是電子鼻,因此,開發(fā)快速、準(zhǔn)確、低成本的惡臭電子鼻,對(duì)于我國惡臭污染物的治理以及突發(fā)惡臭事件時(shí)的快速應(yīng)對(duì)至關(guān)重要。

目前, 我國使用的惡臭電子鼻進(jìn)口的較多,使用時(shí)要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)配制,而且進(jìn)口設(shè)備的后期售后和維修常常不很方便,對(duì)儀器制造方依賴較大。 我國國產(chǎn)的儀器使用單一傳感器的較多,即使是陣列傳感器方法采用的也大多是同一種類型的傳感器,如國產(chǎn)電化學(xué)傳感器只能對(duì)單一污染物進(jìn)行測(cè)定,因此,對(duì)所有惡臭污染物因子全覆蓋的商品化儀器很少,用戶能選擇的儀器種類和型號(hào)非常有限。

另外,大多數(shù)國產(chǎn)儀器的可靠性和穩(wěn)定性尚未進(jìn)行充分有效的驗(yàn)證。 軟件方面,缺乏組分量化擴(kuò)散效果的影響范圍評(píng)估,沒有內(nèi)置實(shí)地?cái)U(kuò)散模式,從而將現(xiàn)場(chǎng)儀器得到數(shù)據(jù)與周邊居民嗅覺感受相關(guān)聯(lián)。在惡臭污染事件發(fā)生時(shí),無法提供預(yù)警信息并為污染區(qū)域生成惡臭污染模型。

存在的主要問題

惡臭電子鼻是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),其發(fā)展不僅涉及到傳感器技術(shù),還與生物、材料、微加工、軟件等方面緊密相關(guān),目前,電子鼻在惡臭氣體的檢測(cè)中還存在下述一些問題:

(1)傳感器的種類與數(shù)量還不夠豐富。 現(xiàn)在的惡臭傳感器常用的主要有導(dǎo)電金屬、 電化學(xué)、光離子化等幾種,壓電晶體傳感器,如表面聲波及石英晶體等商品化份額較小。 紅外傳感器使用的也不多,通常惡臭化合物在紅外區(qū)具有典型的指紋特征,輔以光纖,可以制成有效識(shí)別惡臭物質(zhì)的電子鼻, 能夠達(dá)到較高的測(cè)定精確度。 電子鼻中的傳感器應(yīng)有更多種類和型號(hào)供客戶優(yōu)化選取,以提升測(cè)量的精密度、準(zhǔn)確度。

(2)提高傳感器的靈敏度和環(huán)境適配性。 氣體傳感器的靈敏度與環(huán)境溫度、濕度、大氣壓等因素緊密相聯(lián)。 需要通過校正和維護(hù),減小儀器因工作環(huán)境變化引起的漂移,保證測(cè)定靈敏度。另外,還要注意避免傳感器中毒 ,如不能使用金屬氧化物測(cè)定氯氣,聚合物傳感器不能測(cè)定氨等。

(3)惡臭物質(zhì)的識(shí)別算法在電子鼻測(cè)定中非常關(guān)鍵。 過去傳統(tǒng)線性模式應(yīng)用較多,對(duì)環(huán)境惡臭污染物的分析誤差較大,現(xiàn)在一般都使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊模式進(jìn)行識(shí)別計(jì)算,但該方面的應(yīng)用研究還應(yīng)進(jìn)一步深化,如把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

過程嵌入到軟件中,使其集成度更高,在信息輸入到輸出映射過程中,使用歷史數(shù)據(jù)修正新采集的數(shù)據(jù),使測(cè)定更為精準(zhǔn)。 遇到惡臭氣體種類復(fù)雜的情況, 必須經(jīng)摸索建立與實(shí)際情況相符的模式識(shí)別方法,檢驗(yàn)通過方可使用 。

(4)惡臭電子鼻的采集電路容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷, 如濃度低的測(cè)不出來和濃度高的發(fā)生溢出。需要設(shè)計(jì)精度更高的采集調(diào)理電路,緩解 CPU 壓力,延長(zhǎng)傳感器壽命。 同時(shí),為避免樣本數(shù)目少,采樣代表性不夠的問題,應(yīng)在分析范圍內(nèi)多布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),利用服務(wù)器收集所有數(shù)據(jù),進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理,并創(chuàng)造條件實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行。

(5)惡臭傳感器作為一項(xiàng)多技術(shù)的融合體應(yīng)具有特殊性和通用性。 特殊性是指根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及關(guān)注的主要污染物種類及濃度,對(duì)惡臭電子鼻的傳感器進(jìn)行選擇和匹配,同時(shí),還要對(duì)模式識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,如:環(huán)境和污染源宜選用兩套系統(tǒng)測(cè)定,以適應(yīng)實(shí)際情況。 通用性是指針對(duì)惡臭電子鼻的使用建立一套通用的設(shè)計(jì)規(guī)則和操作方法, 包括傳感器選擇的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)范圍等,標(biāo)準(zhǔn)化工作不僅有利于電子鼻的商品化市場(chǎng)發(fā)展,也會(huì)使電子鼻的監(jiān)測(cè)更加科學(xué)規(guī)范,多方數(shù)據(jù)具有可比性。


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4 小 結(jié)

惡臭物質(zhì)活性大,揮發(fā)性強(qiáng),嗅闕值低,擴(kuò)散時(shí)間短,瞬時(shí)濃度高,感官感受明顯。 儀器分析成本高,周期長(zhǎng),采樣至分析有時(shí)間差。 人工嗅辯方法耗時(shí)長(zhǎng),不能分辨單個(gè)污染物,且不能連續(xù)測(cè)定。 傳感器陣列(電子鼻)方法是連續(xù)監(jiān)測(cè)中潛力的檢測(cè)技術(shù)。 電子鼻技術(shù)的成本較低,操作簡(jiǎn)單,測(cè)定快速。 可以通過算法優(yōu)化,對(duì)污染物進(jìn)行特征提取,實(shí)時(shí)判斷物質(zhì)種類及濃度、擴(kuò)散方式、范圍等,通過互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng),即可獲取一定區(qū)域內(nèi)惡臭污染物的分布情況,進(jìn)而進(jìn)行惡臭污染的預(yù)測(cè)和評(píng)估。

目前,電子鼻技術(shù)已經(jīng)可以完成圖像識(shí)別、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù),是惡臭氣體污染源在線監(jiān)測(cè)的主力軍, 不遠(yuǎn)的將來,它不僅可以代替人鼻進(jìn)行惡臭污染物的檢測(cè),而且與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合,可以完成無人參與的惡劣環(huán)境中惡臭污染的分析、識(shí)別工作。

隨著納米科技的發(fā)展,電子鼻將更加小型化,精密化,便攜化,相信通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作,如設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證、 標(biāo)準(zhǔn)化操作及氣味標(biāo)準(zhǔn)庫的建立等,電子鼻在環(huán)境惡臭污染方面一定會(huì)發(fā)揮更大的作用。


來源:綜合《傳感器技術(shù)在惡臭氣體檢測(cè)中的應(yīng)用》、知乎、新浪科技

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