CN107607604A - 一种基于pca的气体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PCA的气体检测装置及方法，属于气体检测技术领域。本发明的气体检测装置包括锆基传感器、数据收集转换装置和PCA分析模块，所述锆基传感器具有单一敏感电极，本发明的气体检测装置能同时识别多种气体、制备工艺简单、体积小、成本低。

Description

一种基于PCA的气体检测装置及方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，涉及一种基于PCA的气体检测装置及方法。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，各种工业生产和人类活动大幅增长，产生大量有害气体，如碳氢化物、碳氧化物、氮氧化物等。这些气体在一定条件下还会转化成次生污染物，导致光化学烟雾的产生。长期接触这些气体，会引发人体器官和神经系统的损伤和癌变。所以非常有必要研制一种能实时监控有害气体的传感器。

环境中有害气体种类比较多，要对这种多组分气体进行实时监测，同时要排除气体间的干扰，使用单一气体传感器无法完成混合气体的浓度测量问题，目前主要采用多敏感单元传感器阵列并结合有效的模式识别算法来实现。常用的模式识别算法有：K近邻(KNN)、主成分分析(PCA)、聚类分析(CA)、判别分析(DA)、人工神经网络(ANNs)和遗传算法(GA)等。但是这种传感器阵列，敏感单元多，不仅增加了传感器的制备工艺，还增加了传感器的总体积，使传感器的制备成本增加。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种能同时识别多种气体、制备工艺简单、体积小的气体检测装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于PCA的气体检测装置，所述气体检测装置包括锆基传感器、数据收集转换装置和PCA分析模块，所述锆基传感器具有单一敏感电极。

本发明改变了传统使用传感器阵列对混合气体进行检测的方式，将具有单一敏感电极的锆基传感器与PCA分析模块结合制成气体检测装置，结构简单、体积小、制备工艺简单，能快速有效地识别和检测混合气体。本发明中的锆基传感器属于混合电位型传感器，在不同的温度下，对不同气体表现出不同的相应电位、响应电位差和响应灵敏度等特性，将这些数据使用PCA算法分析，即可对混合气体进行有效识别，精度高、响应快，并能将气体成分、浓度等信息直观显示出来，并可适用于高温高湿环境，具有较高选择性。PCA(主成分分析)是揭示大样本、多变量数据或样本之间内在关系的一种方法，利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标，降低观测空间的维数，获取最主要的信息，降维投影后数据或样本不失真，图形简明、直观。

作为优选，所述锆基传感器包括锆基固体电解质基层、设置于锆基固体电解质基层上的参比电极和敏感电极，以及设置于锆基固体电解质基层下方的加热装置。

作为优选，所述锆基固体电解质基层由厚度为0.3-1mm的生瓷片烧结而成。

作为优选，所述生瓷片为钇稳定氧化锆生瓷片。

作为优选，所述参比电极为致密氧化锰。

传统使用铂金作为锆基传感器的参比电极，但由于铂金对许多气体敏感，必须另外设置一个隔离腔将铂金参比电极密封于其中，增加了传感器的整体体积。本发明选用氧化锰作为参比电极，其稳定性与铂金相当，由于氧化锰对所有气体都不敏感，可以直接将参比电极与敏感电极一起暴露在测试气氛里面，极大简化了传感器的制备工艺，减小了传感器的体积。另外，氧化锰在价格上远低于白金，大大降低了传感器的制备成本。

作为优选，所述参比电极的制备过程为，将氧化锰粉末加入到高分子化学试剂中制成参比电极浆料，采用丝网印刷技术将参比电极浆料印刷在锆基固体电解质基层表面的一端。

作为优选，所述敏感电极为由氧化锌和氧化铟制备而成的多孔复合材料。

氧化锌电子迁移率高、热稳定性好，价格便宜，易于制备，氧化铟具有较小的电阻率，良好的电化学催化性能。本发明将氧化锌和氧化铟复合使用，二者产生协同作用，有效提高了锆基传感器对气体的响应值和在加热状态下的稳定性。

作为优选，所述敏感电极由12-20wt％的氧化锌粉末和80-88wt％的氧化铟粉末复合而成。

本发明的敏感电极以氧化铟为主，在氧化铟中掺杂一定量的氧化锌，以提高敏感电极对多种气体的综合电化学催化活性。氧化锌粉末掺杂比例在12-20wt％时，敏感电极对多种气体的电化学催化较高，高于或低于该比例时，敏感电极的电催化活性较低。

作为优选，所述敏感电极的制备过程为，将氧化锌粉末和氧化铟粉体加入到高分子化学试剂中制成敏感电极浆料，采用丝网印刷技术将敏感电极浆料印制在锆基固体电解质基层表面的另一端。

参比电极、敏感电极与锆基固体电解质基层接触紧密且层次分明，三相界面形成良好。

本发明的另一目的在于提供一种基于PCA的气体检测方法，所述混合气体检测方法包括以下步骤，

S1：将标准气体通入到锆基传感器中，调整锆基传感器的工作温度，检测不同气体浓度和工作温度下锆基传感器对标准气体的响应值，将该响应值导入到PCA分析模块中，根据PCA算法形成标准参数；

S2：将待测气体通入到锆基传感器中，调整锆基传感器的工作温度，检测该工作温度下锆基传感器对待测气体的响应值，将该响应值导入到PCA分析模块中，根据S1中的标准参数对待测气体进行识别。

本发明采用具有单一敏感电极的锆基传感器结合PCA算法，可以对混合气体进行有效检测和识别。不同浓度的标准气体在不同工作温度条件下得到一系列响应结果，这些响应结果可以组成一个多维矩阵，基于PCA算法，可以得出混合气体中每种气体相对应的一系列标准参数。在检测过程中，仅需要调控温度，即可参照标准参数，快速有效识别待测气体，检测方法简单。

作为优选，所述工作温度为450-700℃，步骤S1中所述标准气体的浓度为50-400ppm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将具有单一敏感电极的锆基传感器与PCA算法结合，能方便快捷地对混合气体进行有效识别和检测；采用单一电极锆基传感器，传感器总体积小，结构简单，制备成本低；锆基传感器的参比电极采用对所有气体不敏感的致密氧化锰，可以将参比电极和敏感电极同时暴露在待测气体中，减小了传感器的体积，简化了制备工艺；锆基传感器的参比电极的敏感电极由氧化锌和氧化铟复配而成，提高了电化学催化活性，从而提高了对气体的敏感度。

附图说明

图1为本发明中锆基传感器的结构示意图；

图2为本发明中气体检测装置的工作流程图；

图3为本发明中锆基传感器对一氧化碳、丙烯、二氧化氮、氨气四种标准气体分别在400ppm浓度和不同工作温度下的响应曲线；

图4为本发明中的气体检测装置对一氧化碳、丙烯、二氧化氮、氨气四种标准气体在不同浓度和不同工作温度下检测得到的综合识别效果图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明中的气体检测装置和方法进一步解释。

实施例1-6

如图1所示，实施例1-6中的气体检测装置包括锆基传感器、数据收集转换装置和PCA分析模块。

锆基传感器包括锆基固体电解质基层1、设置于锆基固体电解质基层上的参比电极2和敏感电极3，以及设置于锆基固体电解质基层下方的加热装置6；

锆基固体电解质基层1厚度为0.3-1mm的钇稳定氧化锆生瓷片烧结而成；

参比电极为致密氧化锰，其制备过程为，将氧化锰粉体溶入高分子化学试剂中配制出氧化锰电极浆料，采用丝网印刷技术印制在锆基固体电解质基体1的表面一端；

敏感电极为由氧化锌和氧化铟制备而成的多孔复合材料，其制备过程为，将12-20wt％的氧化锌和80-88wt％的氧化铟粉体加入到高分子化学试剂中制成敏感电极浆料，采用丝网印刷技术印制在锆基固体电解质基层表面的另一端；

在参比电极2和敏感电极3上分别点涂铂金浆料4并引出电极引线5，经过高温煅烧，制成锆基传感器固定在加热器6上；锆基传感器和数据收集转换装置通过电极引线5连接。

实施例1-6中锆基传感器材料的具体参数如表1所示。

表1：实施例1-6中锆基传感器材料的具体参数

实施例7

如图2所示，本实施例中基于PCA的气体检测方法包括以下步骤，

(1)、将已知浓度的标准气体通入到实施例1所述的锆基传感器中，通过加热器6调整锆基传感器的工作温度并保持，检测在不同工作温度下锆基传感器对标准气体的响应值，如图3所示为400ppm浓度的标准气体在不同工作温度下的响应值；然后改变标准气体的浓度，再次检测在不同工作温度下锆基传感器对标准气体的响应值；如此重复多次，得到标准气体在多个不同浓度和不同工作温度下的响应值，这些响应值可以组成一个多维矩阵；通过数据收集转换装置收集响应值，将收集到的响应值导入到PCA分析模块中，根据PCA算法形成标准参数，标准参数所形成的综合识别效果图如图4所示；

由图3可知，本发明中的气体检测装置对相同浓度的目标气体，在不同的工作温度下，响应行为表现出明显差异性，不同的目标气体在相同的工作温度下也表现出不同的响应特性。由图4可以直观地看出，本发明具有对混合气体进行有效检测和识别的能力。(2)、将待测气体通入到锆基传感器中，通过加热器6调整锆基传感器的工作温度并保持，检测至少两个工作温度下锆基传感器对待测气体的响应值，通过数据收集转换装置收集这些响应值，将收集到的响应值导入到PCA分析模块中，根据S1中的标准参数对待测气体进行识别；PCA分析模块可以使用JMP数据分析软件(美国SAS软件研究所，北卡罗来纳州，美国)进行数据的分析处理，进行分析时点击软件中的“分析”，“多元方法”，“主成分”即可。

步骤(1)和(2)中工作温度控制在450-700℃之间，标准气体的浓度控制在50-400ppm之间，所述标准气体包括一氧化碳、丙烯、二氧化氮、氨气，所述待测气体包括一氧化碳、丙烯、二氧化氮、氨气中的一种或多种。

实施例8

本实施例与实施例7的区别在于使用实施例2中的锆基传感器。

实施例9

本实施例与实施例7的区别在于使用实施例3中的锆基传感器。

实施例10

本实施例与实施例7的区别在于使用实施例4中的锆基传感器。

实施例11

本实施例与实施例7的区别在于使用实施例5中的锆基传感器。

实施例12

本实施例与实施例7的区别在于使用实施例6中的锆基传感器。

综上所述，本发明通过合理配置锆基传感器的参比电极和敏感电极，制得一种体积小、制备工艺简单、成本低的气体检测装置，并将锆基传感器与PCA算法结合，仅需改变工作温度，就能快速有效地对混合气体进行识别和检测。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于PCA的气体检测装置，其特征在于，所述气体检测装置包括锆基传感器、数据收集转换装置和PCA分析模块，所述锆基传感器具有单一敏感电极。

2.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述锆基传感器包括锆基固体电解质基层、设置于锆基固体电解质基层上的参比电极和敏感电极，以及设置于锆基固体电解质基层下方的加热装置。

3.根据权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，所述锆基固体电解质基层由0.3-1mm厚度的生瓷片烧结而成。

4.根据权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，所述参比电极为致密氧化锰。

5.根据权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，所述敏感电极为由氧化锌和氧化铟制备而成的多孔复合材料。

6.根据权利要求2或5所述的气体检测装置，其特征在于，所述敏感电极由12-20wt％的氧化锌粉末和80-88wt％的氧化铟粉末复合而成。

7.一种用如权利要求1-6任一权利要求所述装置进行的气体检测的方法，其特征在于，所述混合气体检测方法包括以下步骤，

S1：将标准气体通入到锆基传感器中，调整锆基传感器的工作温度，检测不同气体浓度和工作温度下锆基传感器对标准气体的响应值，将该响应值导入到PCA分析模块中，根据PCA算法形成标准参数；

S2：将待测气体通入到锆基传感器中，调整锆基传感器的工作温度，检测至少两个工作温度下锆基传感器对待测气体的响应值，将该响应值导入到PCA分析模块中，根据S1中的标准参数对待测气体进行识别。

8.根据权利要求8所述的混合气体检测方法，其特征在于，所述工作温度为450-700℃，步骤S1中所述标准气体的浓度为50-400ppm。