電子鼻傳感器的應用設計

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來(lái)識別氣味的電子系統，它可以在幾小時(shí)、幾天甚至數月的時(shí)間內連續地、實(shí)時(shí)地監測特定位置的氣味狀況。
　　電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號處理系統三種功能器件組成。電子鼻識別氣味的主要機理是在陣列中的每個(gè)傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，例如，一號氣體可在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應，而對其他傳感器則是低響應，同樣，二號氣體產(chǎn)生高響應的傳感器對一號氣體則不敏感，歸根結底，整個(gè)傳感器陣列對不同氣體的響應圖案是不同的，正是這種區別，才使系統能根據傳感器的響應圖案來(lái)識別氣味。
　　電子鼻的類(lèi)型很多，其典型的工作程式是：首先，利用真空泵把空氣取樣吸取至裝有電子傳感器陣列的小容器室中。接著(zhù)，取樣操作單元把已初始化的傳感器陣列暴露到氣味體中，當揮發(fā)性化合物(VOC)與傳感器活性材料表面相接觸時(shí)，就產(chǎn)生瞬時(shí)響應。這種響應被記錄并傳送到信號處理單元進(jìn)行分析，與數據庫中存儲的大量VOC圖案進(jìn)行比較、鑒別，以確定氣味類(lèi)型。最后，要用酒精蒸氣“沖洗”傳感器活性材料表面以去除測畢的氣味混合物。在進(jìn)入下一輪新的測量之前，傳感器仍要再次實(shí)行初始化(即工作之間，每個(gè)傳感器都需用干燥氣或某些其它參考氣體進(jìn)行清洗，以達到基準狀態(tài))。被測氣味作用的時(shí)間稱(chēng)為傳感器陣列的“響應時(shí)間”，清除過(guò)程和參考氣體作用的初始化過(guò)程所花的時(shí)間稱(chēng)為“恢復時(shí)間”。
　　在電子鼻系統中，氣體傳感器陣列是關(guān)鍵因素。除基本的氣相色譜(GC)分析法以外，電子鼻傳感器的主要類(lèi)型還有導電型傳感器、壓電類(lèi)傳感器、場(chǎng)效應傳感器、光纖傳感器等。
　　導電性傳感器的基本特點(diǎn)是，其置于揮發(fā)性化合物(VOC)時(shí)的響應形式是電阻值發(fā)生變化。導電性傳感器又分為金屬氧化物傳感器和聚合物傳感器兩大類(lèi)。金屬氧化物傳感器在電子鼻系統中應用更廣泛，其結構如圖1所示。此類(lèi)傳感器中與VOC相接觸的活性材料是錫、鋅、鈦、鎢或銥的氧化物，襯底材料一般是硅、玻璃、塑料，發(fā)生接觸反應需滿(mǎn)足200～400℃的溫度條件，因此在底部設置了加熱器。氧化物材料中用鉑、鈀等貴重金屬攙雜形成兩條金屬接觸電極。與VOC的相互作用改變了活性材料的導電性，使兩電極之間的電阻發(fā)生變化，這種電阻變化可用單臂電橋或其它電路來(lái)測量。事實(shí)上，一個(gè)傳感器的活性材料總是設計得對某些特定氣味響應最靈敏。

　　該傳感器的靈敏度范圍為5～50ppm。金屬氧化物傳感器的缺點(diǎn)是：(1)工作溫度較高；(2)經(jīng)長(cháng)時(shí)間工作之后，響應基準值易發(fā)生漂移，需要利用信號處理運算來(lái)克服；(3)對氣體混合物中出現的硫化物呈“中毒”反應。但是，它有很寬的適用范圍和相對低的成本，故依然成為當今廣泛應用的氣體傳感器。  零件盒 | 亮度計 | 滴定儀 | 光度計 | 分析儀 | 測振儀 | 六角扳手 | 電工鉗 | 高斯計 | 壓力計 | 煙氣分析儀 | 輻照計 | 示波器
　　導電聚合物傳感器中，與VOC接觸的活性材料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分構成的導電聚合物，當氣體分子與上述聚合物材料接觸時(shí)會(huì )發(fā)生電離或共價(jià)作用，這種相互作用影響了電子沿聚合物鏈的傳輸，即改變了導電性。在聚合物材料中，利用顯微組構技術(shù)形成兩條間隔10～20μm的電極，通過(guò)在兩電極之間施加交變電壓來(lái)使聚合物電聚合化，改變電壓掃描速率，并應用一系列聚合物前體就可產(chǎn)生各種各樣的活性材料，使不同的材料分別對不同的氣體呈特定響應。導電聚合物傳感器在一般環(huán)境溫度下工作而無(wú)需加熱，因此更容易制造，其電子界面更為直接，從而在便攜式儀器應用中有更大優(yōu)勢。這種傳感器探測氣味的靈敏度可達到0.1ppm，比金屬氧化物傳感器更高，但一般在10～100ppm范圍之內。目前導電聚合物傳感器的主要缺陷是：(1)活性材料電聚合過(guò)程較為困難和費時(shí)；(2)與VOC接觸響應存在隨時(shí)間發(fā)生飄移的現象；(3)對濕度極為敏感，這種敏感性易掩蓋和干擾對VOC的正常響應。另外，某些氣體會(huì )穿透聚合物材料整體，從而減慢了將VOC從聚合物中去除的過(guò)程，即延緩了傳感器的恢復時(shí)間。
　　壓電類(lèi)傳感器的基本特點(diǎn)是，與VOC的接觸響應形式體現為頻率的變化。它又分為石英晶體微量天平(QCM)傳感器和聲表面波(SAW)傳感器兩種。壓電類(lèi)傳感器既可以測量溫度和質(zhì)量的變化，又可測量壓力、力和加速度等參數，但在電子鼻系統中，它們一般只作為質(zhì)變量傳感探測器使用。QCM傳感器是一個(gè)幾毫米直徑的諧振盤(pán)，盤(pán)面敷有聚合物材料，每面有一個(gè)與導線(xiàn)相連的金屬電極，結構如圖2所示。當該傳感器受振蕩信號激勵時(shí)，便諧振于特征頻率(10Hz～30MHz)，而一旦氣體分子被吸收到聚合物涂層表面，就增加了該盤(pán)的質(zhì)量，因此降低了諧振頻率，諧振頻率的高低與所吸收的氣體分子質(zhì)量成反比。QCM傳感器對不同氣體的響應、選擇性可通過(guò)調整諧振盤(pán)聚合物涂層來(lái)改變，而減小石英晶體的尺寸和質(zhì)量，并減小聚合物涂層的厚度，則可進(jìn)一步縮短傳感器的響應時(shí)間和恢復時(shí)間。