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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

將氣瓶內(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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