CN115266840A - 一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置。其包括柔性基底、氧化铟/聚苯胺复合材料、导电端子以及通过电通路与之连接的电源和电流测试单元。本申请利用氧化铟/聚苯胺复合材料气致电阻效应产生匹配于硫化氢气体浓度的电阻阻值变化，通过电流检测单元根据电阻的变化情况相应计算硫化氢气体浓度，从而实现硫化氢浓度的识别。本申请的柔性基底可任意弯曲，其弯曲弧度对电阻的影响可通过中央计算单元的内所设的机器学习算法实现归一化处理，从而获得匹配于柔性基底当前弯曲形变状态的硫化氢浓度。本申请的硫化氢检测装置价格低廉、工艺简单、可靠、高柔性、轻便、透气性等传感的优势载体、更便于传感器面向物联网的广泛应用。

Description

一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置

技术领域

本申请涉及气体传感检测技术领域，具体而言涉及一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置。

背景技术

随着社会进步发展，人类对生活环境以及工业生产环境的空气质量的要求越来越高。化工厂附近硫化氢是一种常见的危险化学气体。为了避免硫化氢气体威胁人类生命健康，需要在泄漏事故早期实现对较低浓度硫化氢气体的辨识，以避免附近居民过多接触硫化氢导致生命危险。

硫化氢的探测方式有很多种，常见的有气敏式、电容式、光电式、离子迁移、色谱仪等不同类型。电容式的探测方式，其缺点是对硫化氢响应慢，灵敏度低；光电式的探测方式，其缺点是设备价格昂贵、体积大，不利于广泛推广使用；离子式的探测方式，其缺点是需要额外的离子源才能实现检测，因此导致检测装置体积庞大；色谱仪的探测方式，其缺点同样是价格昂贵，不利于工业广泛使用。气敏式的探测方式，其价格便宜，可以大批量的生产使用。但是现有传感器件需要设置在硬质电路板结构上，将其直接穿戴在人体身上时，电路板硬件器件常常会因为人体穿戴位置弯曲而产生受力，受力变形将不可避免的导致器件的电阻发生变化，从而导致器件浓度测试失效。

发明内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，本申请通过柔性基底实现一种可穿戴的硫化氢探测装置，通过机器学习算法识别器件在不同弯曲形变程度下所对应的检测值，从而实现针对硫化氢气体浓度的早期探测。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其包括：柔性基底；氧化铟/聚苯胺复合材料，其固定附着于柔性基底表面，基于气致电阻效应产生匹配于硫化氢气体浓度的电阻阻值变化；导电端子，其设置于柔性基底的两端，与氧化铟/聚苯胺复合材料电连接以提供检测氧化铟/聚苯胺复合材料阻值的导电通路；电源，其通过导线串联于检测氧化铟/聚苯胺复合材料阻值的导电通路中，提供检测电源；电流测试单元，其连接检测氧化铟/聚苯胺复合材料阻值的导电通路，检测氧化铟/聚苯胺复合材料阻值；中央计算单元，其与电流测试单元电连接，基于机器学习算法根据柔性基底的不同弯曲形变状态对电流测试单元检测阻值进行归一化处理，获得匹配于柔性基底当前弯曲形变状态的硫化氢浓度。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述柔性基底为具有微纳三维结构的布料或纸张。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述氧化铟/聚苯胺复合材料为氧化铟、聚苯胺、以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液均匀搅拌4-8小时后所得混合物，其通过试管滴在柔性基底表面或通过喷射在柔性基底表面实现图案化。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述氧化铟/聚苯胺复合材料中氧化铟、聚苯胺、以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）体积比为：(1~10):10:1000。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述氧化铟/聚苯胺复合材料制备步骤包括：取1~10g氧化铟粉末、10g聚苯胺粉末，并向粉末中添加1000ml二甲基甲酰胺（DMF），在50-90℃温度下热浴4-8小时混合均匀，然后控制以相同滴管时间滴在柔性基底表面或按照相同喷射方式喷涂于柔性基底表面，柔性基底表面氧化铟/聚苯胺复合材料在室温环境下干燥后，进一步在其两端分别设置导电端子，分别通过两导电端子连接导线形成导电通路。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述柔性基底为透气材料，其厚度可为10μm-1cm，柔性基底检测区域中均匀喷涂1um-200um厚的氧化铟/聚苯胺复合材料，其检测区域两端与导线端子连在一起形成电流闭环。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述氧化铟/聚苯胺复合材料中氧化铟粉末及聚苯胺粉末的粒径范围在200nm-20um之间，其喷涂于两导电端子之间形成PN结，该PN结的负极极通过导电通路中第一导电端子连接电源正极，该PN结的正极极通过导电通路中第二导电端子连接电源负极。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，通过中央处理单元对测试的数据进行归一化处理，从而实现对不同弯曲形变下的硫化氢浓度的有效辨识。

可选的，如上任一所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其中，所述中央处理单元先根据导电端子之间电阻基准线计算获得弯曲形量，然后根据弯曲变形量修正敏感材料的检测参数，通过对测试的数据进行归一化处理及机器学习降维，识别不同弯曲变形程度下硫化氢气体的浓度。

有益效果

本申请提出一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢装置，其利用氧化铟/聚苯胺复合材料气致电阻效应产生匹配于硫化氢气体浓度的电阻阻值变化，通过电流检测单元根据电阻的变化情况相应计算硫化氢气体浓度，从而实现硫化氢浓度的识别。本申请的柔性基底可任意弯曲，其弯曲弧度对电阻的影响可通过中央计算单元的内所设的机器学习算法实现归一化处理，从而获得匹配于柔性基底当前弯曲形变状态的硫化氢浓度。本申请的硫化氢检测装置价格低廉、工艺简单、可靠、高柔性、轻便、透气性等传感的优势载体、更便于传感器面向物联网的广泛应用。

为增强本装置对低浓度硫化氢气体的辨识，本申请优选将可穿戴柔性基底材料设置为具有微纳结构的布料或纸张，由此，通过材料对氧化铟/聚苯胺复合材料的吸收和融合以增加装置对硫化氢气体反应的比表面积。由此，本申请能够灵敏地检测出低浓度硫化氢所导致的传感器件中氧化铟/聚苯胺复合材料电阻效应的电阻变化，从而提高对硫化氢浓度辨识的灵敏度。

此外，为进一步增强本申请装置对低浓度硫化氢的辨识，本申请中氧化铟/聚苯胺复合材料优选热浴4~8小时对氧化铟、聚苯胺以及DMF溶液均匀搅拌，优选按照（1~10）：10:1000的配比，会使材料对硫化氢气体产生不同效果，其响应电阻变化范围为1%-8%。由此，本申请利用氧化铟/聚苯胺复合材料，将其融合在柔性基底的三维微纳结构中以提供更大反应面积，相比于常见的硫化氢传感器制作成本高、系统复杂的缺陷，本发明的检测装置可直接附着于穿戴布纤维表面，其价格低廉、工艺简单、检测可靠，且具有高柔性、轻便、透气性等传感载体优势。本申请更便于传感器面向物联网的广泛应用。

为进一步克服可穿戴柔性基面在弯曲形变状态下对低浓度硫化氢气体的辨识，本发明进一步利用机器学习算法，辅助对柔性可穿戴硫化氢传感器因形变所导致的检测阻值变化进行修正。本申请通过中央处理单元对检测所得原始数据根据柔性基底的不同弯曲程度进行归一化处理，从而实现对不同弯曲形变下的硫化氢浓度的有效辨识。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置的整体结构示意图；

图2是本申请的柔性可穿戴硫化氢探测装置制备过程的示意图；

图3是低氧化铟配比下柔性可穿戴硫化氢探测装置电流与硫化氢响应曲线图；

图4是高氧化铟配比下柔性可穿戴硫化氢探测装置电流与硫化氢响应曲线图；

图5是0.02: 0.04: 4ml氧化铟配比下柔性可穿戴硫化氢探测装置电流与硫化氢响应曲线图；

图6是0.01: 0.04: 4ml氧化铟配比下柔性可穿戴硫化氢探测装置电流与硫化氢响应曲线图；

图7是本申请机器学习辅助的步骤示意图；

图8是本申请柔性可穿戴硫化氢探测装置经机器学习辅助的结果示意图；

图9是本申请的柔性可穿戴硫化氢探测装置中所形成的PN结结构示意图；

图10是本申请的柔性基底所形成的微纳三维结构的显微放大图。

图中，1表示柔性基底；2表示第一导电端子；3表示导线；4表示电源；5表示电流测试单元；6表示中央计算单元；7表示第二导电端子；8表示氧化铟/聚苯胺复合材料。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于装置本身而言，由柔性基底外侧边缘指向氧化铟/聚苯胺复合材料内部的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对装置本身时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对装置本身时，由柔性基底指向导电端子导线连接位置的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。

图1为根据本申请的一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其包括：

柔性基底1；

氧化铟/聚苯胺复合材料8，其固定附着于柔性基底1表面，基于气致电阻效应产生匹配于硫化氢气体浓度的电阻阻值变化；

导电端子，其设置于柔性基底1的两端，与氧化铟/聚苯胺复合材料8电连接以提供检测氧化铟/聚苯胺复合材料8阻值的导电通路；

电源4，其通过导线3串联于检测氧化铟/聚苯胺复合材料8阻值的导电通路中，提供检测电源；

电流测试单元5，其连接检测氧化铟/聚苯胺复合材料8阻值的导电通路，检测氧化铟/聚苯胺复合材料8阻值；

中央计算单元6，其与电流测试单元5电连接，基于机器学习算法根据柔性基底的不同弯曲形变状态对电流测试单元5检测阻值进行归一化处理，获得匹配于柔性基底1当前弯曲形变状态的硫化氢浓度。

具体实现过程中，上述柔性基底1可任意选择具有类似于图10所示微纳三维结构的布料或纸张。装置中氧化铟/聚苯胺复合材料8作为敏感材料，其测试数据通过中央计算单元校准，因而无需对基底材质或弯折状况进行特殊限制，一般布料或纸张本身的纤维结构即可满足本申请对基底材料微纳三维结构的要求。

具体参考图2所示，本申请的可穿戴硫化氢探测装置中，氧化铟/聚苯胺复合材料8可通过如下方式制备：将氧化铟、聚苯胺、以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液均匀搅拌4-8小时后得到混合物，将混合物通过试管滴在柔性基底1表面或通过喷射在柔性基底1表面实现图案化，形成连接于第一导电端子2与第二导电端子7之间的敏感材料。

上述氧化铟/聚苯胺复合材料8中氧化铟、聚苯胺、以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）体积比为：(1~10):10:1000，优选设置为（1~8）：8:800。

不同配比下，氧化铟/聚苯胺复合材料8的试验信号图形可参考图3至图8所示。超出上述配比范围的氧化铟、聚苯胺粉末混合物，其分子响应饱和了，达不到更高电阻变化量。为灵敏检测到硫化氢气体，本申请中氧化铟/聚苯胺复合材料8的配比要求电阻变化越大越好，配比太低，PN结结合不好，要么偏P型，要么偏N型，只有一定配比，才可以形成完整的PN结混合。（1~8）：8:800的最佳配比可通过图3至图8电阻图形实现较大的电阻变化量。响应电阻变化越大，越容易被检测，因此探测效果越好。但是分子吸收饱和又到不到超过8%，因此本申请中一般取1~10g氧化铟粉末、10g聚苯胺粉末，并向粉末中添加1000ml二甲基甲酰胺（DMF），在50-90℃温度下热浴4-8小时混合均匀，然后控制以相同滴管时间滴在柔性基底1表面或按照相同喷射方式喷涂于柔性基底1表面，柔性基底1表面氧化铟/聚苯胺复合材料8在室温环境下干燥后，进一步在其两端分别设置导电端子，分别通过两导电端子连接导线形成导电通路。

图3所示，Indium Oxide氧化铟 : Pani聚苯胺: DMF（N,N-二甲基甲酰胺）按照0.005：0.04:4ml配比下，气体响应灵敏度3%，电阻曲线变化明显且规则，因此检测效果较好。图4中，0.04：0.04:4ml配比下气体响应灵敏度1.3%，同样能够实现对硫化氢气体的探测。图5所示为0.02: 0.04: 4ml配比下也能够实现1.5%的气体响应灵敏度。

本申请采用氧化铟/聚苯胺复合材料8作为敏感材料的原因在于：氧化铟的分子结构存在多余的自由电子，是N型材料；聚苯胺分子结构存在空穴，因此属于P型材料。两者混合在一起，0.004：0.04:4ml的配比浓度即可通过图9方式形成PN结结构，从而通过PN结结构的指数响应曲线，显著增强对硫化氢的效应电流，实现增强效应。

一般，实践中，本申请通常采用厚度可为10μm-1cm的透气材料作为柔性基底1。柔性基底1检测区域中均匀喷涂1um-200um厚的氧化铟/聚苯胺复合材料8，所述氧化铟/聚苯胺复合材料8中氧化铟粉末及聚苯胺粉末的粒径范围在200nm-20um之间，其喷涂于两导电端子之间形成PN结，该PN结的负极极通过导电通路中第一导电端子2连接电源4正极，该PN结的正极极通过导电通路中第二导电端子2连接电源4负极，使得其检测区域两端与导线端子连在一起形成电流闭环即可获得响应于不同硫化氢气体浓度的电阻或电流曲线。通过中央处理单元对测试的数据进行归一化处理，即可实现对不同弯曲形变下的硫化氢浓度的有效辨识。

中央处理单元检测过程中，电阻获得材料弯曲变形幅度分别对应有不同的电阻基准线，通过识别电阻基准线即可确定头型基底材料的弯曲变形量，然后根据弯曲变形量修正敏感材料的检测参数，通过对测试的数据进行归一化处理及机器学习降维，即可通过图7中常规的机器学习算法，识别获得图8所示不同弯曲变形程度下硫化氢气体的浓度数据。

本申请中，采用柔性基底1主要用于提供柔性载体，基底性质并不影响检测效果，因此优先采用柔性载体选择用成本低、高柔性、轻便、透气性、微纳三维结构的布料或者纸张等作为载体。该类材料的可极大增加气体接触的相对比表面积，从而极大增加气体探测的灵敏度；此外，该类柔性材料为透气材料，可以实现双面气体探测，该类材料的厚度可为10μm-1cm。实施例中，电源4提供测试氧化铟/聚苯胺复合材料8电阻变化的供电源，其可选用任何常规电池，或者外接稳定电源。中央计算单元6主要用于机器学习计算归一化测试的数据，可以是计算机，笔记本，或者其它中央计算单元，能够实现机器学习的算法处理。金属导线1的导线材料可为铝（Al）、金（Au）、铜（Cu）、银（Ag）等任意导电材质。

综上，本申请所提供的基于机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置由：柔性基底1、第一导电端子2、导线3、电源4、电流测试单元5、中央计算单元6、第二导电端子7、氧化铟/聚苯胺复合材料8构成。其采用氧化铟/聚苯胺复合材料8敏感材料为装置的重要单元，利用硫化氢遇到复合材料氧化铟/聚苯胺时与之反应，基于气致电阻效应致使该敏感材料的电阻发生相应的变化，从而影响探测装置导电通路中的电流。本申请通过电流测试单元检测装置导电通路中电流随硫化氢气体的浓度变化而产生的相应变化量，配合机器学习算法根据氧化铟/聚苯胺复合材料所附着的柔性基底的弯折程度对测量阻值进行修正，从而准确实现对硫化氢浓度的识别。由于本申请通过中央计算单元以机器学习方式对测量值进行归一化处理，实现器件在弯曲状态下的硫化氢气体浓度的辨识，因此采用本申请柔性基底的探测装置，其可随意穿戴而不会影响对硫化氢气体的测量准确度。本申请优选采用具有三维微纳结构的透气基底，通过基底材料自身的多孔结构增加融合其中的氧化铟/聚苯胺复合材料与硫化氢气体的有效解除面积，从而进一步提升装置的检测灵敏度。

本申请中柔性基底1的目的是提供柔性载体，通常柔性载体选择用成本低、高柔性、轻便、透气性、微纳三维结构的布料或者纸张等作为载体，微纳三维结构可以增加与硫化氢的接触面积，实现低浓度硫化氢的识别。采用导线3的目的是输出电流信号。第一导电端子2与第二导电端子7的目的是提供信号输出端口。电源4的目的是提供探测氧化铟/聚苯胺复合材料8的供电源。电流测试单元5的目的是通过电流的变化间接反应出硫化氢浓度的变化。中央计算单元6的目的是机器学习计算归一化测试的数据，可以反应出柔性基底1不同弯曲形变状态的硫化氢浓度的量化辨识。本申请可实现低浓度硫化氢气体浓度辨识，器件弯曲状态下针对硫化氢气体的浓度有效辨识，从而真正实现可穿戴硫化氢器件的有效探测

以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，包括：

柔性基底（1）；

氧化铟/聚苯胺复合材料（8），其固定附着于柔性基底（1）表面，基于气致电阻效应产生匹配于硫化氢气体浓度的电阻阻值变化；

导电端子，其设置于柔性基底（1）的两端，与氧化铟/聚苯胺复合材料（8）电连接以提供检测氧化铟/聚苯胺复合材料（8）阻值的导电通路；

电源（4），其通过导线（3）串联于检测氧化铟/聚苯胺复合材料（8）阻值的导电通路中，提供检测电源；

电流测试单元（5），其连接检测氧化铟/聚苯胺复合材料（8）阻值的导电通路，检测氧化铟/聚苯胺复合材料（8）阻值；

中央计算单元（6），其与电流测试单元（5）电连接，基于机器学习算法根据柔性基底的不同弯曲形变状态对电流测试单元（5）检测阻值进行归一化处理，获得匹配于柔性基底（1）当前弯曲形变状态的硫化氢浓度。

2.如权利要求1所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述柔性基底（1）为具有微纳三维结构的布料或纸张。

3.如权利要求1所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述氧化铟/聚苯胺复合材料（8）为氧化铟、聚苯胺、以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液均匀搅拌4-8小时后所得混合物，其通过试管滴在柔性基底（1）表面或通过喷射在柔性基底（1）表面实现图案化。

4.如权利要求3所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述氧化铟/聚苯胺复合材料（8）中氧化铟、聚苯胺、以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）体积比为：(1~10):10:1000。

5.如权利要求4所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述氧化铟/聚苯胺复合材料（8）制备步骤包括：

取1~10g氧化铟粉末、10g聚苯胺粉末，并向粉末中添加1000ml二甲基甲酰胺（DMF），在50-90℃温度下热浴4-8小时混合均匀，然后控制以相同滴管时间滴在柔性基底（1）表面或按照相同喷射方式喷涂于柔性基底（1）表面，柔性基底（1）表面氧化铟/聚苯胺复合材料（8）在室温环境下干燥后，进一步在其两端分别设置导电端子，分别通过两导电端子连接导线形成导电通路。

6.如权利要求5所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述柔性基底（1）为透气材料，其厚度可为10μm-1cm，柔性基底（1）检测区域中均匀喷涂1um-200um厚的氧化铟/聚苯胺复合材料（8），其检测区域两端与导线端子连在一起形成电流闭环。

7.如权利要求1-6所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述氧化铟/聚苯胺复合材料（8）中氧化铟粉末及聚苯胺粉末的粒径范围在200nm-20um 之间，其喷涂于两导电端子之间形成PN结，该PN结的负极极通过导电通路中第一导电端子（2）连接电源（4）正极，该PN结的正极极通过导电通路中第二导电端子（2）连接电源（4）负极。

8.如权利要求1-7所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，通过中央处理单元对测试的数据进行归一化处理，从而实现对不同弯曲形变下的硫化氢浓度的有效辨识。

9.如权利要求8所述的机器学习辅助的柔性可穿戴硫化氢探测装置，其特征在于，所述中央处理单元先根据导电端子之间电阻基准线计算获得弯曲形量，然后根据弯曲变形量修正敏感材料的检测参数，通过对测试的数据进行归一化处理及机器学习降维，识别不同弯曲变形程度下硫化氢气体的浓度。

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