本發(fā)明涉及一種危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別方法。

背景技術(shù)：

隨著虛擬環(huán)境下“人機交互”智能檢測等技術(shù)的發(fā)展，多組分氣敏傳感器作為嗅覺外延信息的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的功能器件，已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測、自動控制、人機工效、危險預警以及分析檢測等領域不可缺少的技術(shù)工具。目前具有大數(shù)據(jù)特征和人工智能器件的開發(fā)和集成，為新一代多功能集成傳感系統(tǒng)的設計提供了有利的策略支持。集成了多維度、多組分并基于大數(shù)據(jù)支持的危險物質(zhì)檢測器，與傳統(tǒng)的單一模塊傳感器(cn103257156a)相比，具有強大的即時的綜合環(huán)境分析能力，基于網(wǎng)絡的智能學習能力，更為靈活廣泛的使用場景；不僅可以實時的全面的收集分析監(jiān)測罐區(qū)、?；穫}庫等封閉式生產(chǎn)空間中工作人員周圍環(huán)境，還能向監(jiān)控中心提前反饋其體征應激情況并快速準確預警，從而有效避免例如天津濱海新區(qū)812爆炸案等災難性事件的發(fā)生。集成式的綜合狀態(tài)識別傳感器的開發(fā)和應用，將革命性的替代功能單一，信息分散，無法實現(xiàn)復雜氣氛監(jiān)測預警的當代傳感器設備。并通過集成器件，集成信息的手段，規(guī)?；氖袌鰬?，在成本和功能上全面勝出目前商用儀器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中單一傳感器監(jiān)測系統(tǒng)不具備多路探測能力，無法實現(xiàn)復雜氣氛狀態(tài)識別與實時預警、缺乏無線信號傳輸、云端信號存儲、大數(shù)據(jù)分析以及自學習的問題，提供一種新的危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別方法。該方法具有多路探測能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜氣氛狀態(tài)識別與實時預警、無線信號傳輸、云端信號存儲、大數(shù)據(jù)分析以及自學習的優(yōu)點。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別方法，用戶通過危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別系統(tǒng)進行危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別，所述危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別系統(tǒng)包括傳感芯片、信號調(diào)理模塊、信號傳輸模塊、氣路控制模塊、溫度控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊，傳感芯片由集成了若干個離子摻雜的半導體氧化物微納陣列以及分立加熱元件的微型電極構(gòu)成；溫度控制模塊根據(jù)傳感陣列在不同復雜氣氛中的最佳工作溫度，控制加熱電阻元件在25～550℃范圍內(nèi)進行優(yōu)化變動，確保輸出信號的穩(wěn)定性與準確性；信號調(diào)理模塊對采集到的信號進行消噪、信號放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過信號分配器將針對不同組分氣體的監(jiān)測信號經(jīng)由信號傳輸模塊中的信號發(fā)射器傳輸?shù)竭h程控制終端中的數(shù)據(jù)處理模塊進行實時數(shù)據(jù)分析；傳感芯片所在的傳感器腔體配有獨立的氣孔操控模塊，而陣列中的每個單元都由獨立的電壓和溫度控制電路來調(diào)節(jié)；在復雜危險氣體環(huán)境中，所述系統(tǒng)接通電源后，混合氣體中的目標分子在計算機控制端的指令下通過氣路控制模塊與基片上傳感材料發(fā)生物理化學反應，將各組分氣體的化學信號轉(zhuǎn)化形成響應電信號，同時溫度控制模塊快速優(yōu)化選擇最佳工作溫度點，以保證傳感信號穩(wěn)定輸出；響應電信號經(jīng)多通道調(diào)制電路采集與放大器的減噪增益后，在轉(zhuǎn)換器中完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過全特征參數(shù)提取的方法提取相空間中的響應信號進行模式識別，實現(xiàn)目標樣本的識別與分類，分類后的信號再經(jīng)過無線信號發(fā)射器進行遠程數(shù)據(jù)處理終端的傳輸，最后，配置一系列混合氣體對傳感器陣列進行培訓；廣譜傳感器對于復雜氣體的各種組分都有響應，而基于不同材料的傳感器單元的響應信號各不相同，傳感器陣列的綜合響應信號能夠作為氣體的指紋坐標進行采樣收集，云端處理器經(jīng)過識別比對各種簡單及復雜氣體的指紋信息，在人工輔助下進行最初的危險性判斷，完成初步的知識庫構(gòu)建和自學習能力完善。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，信號發(fā)射器為無線信號發(fā)射器。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，利用溶膠凝膠法與水熱法納米材料制備技術(shù)，對具有多種環(huán)境廣泛響應的氧化物復合納米材料制備及改性，獲得出靈敏可靠的微型氣敏傳感器材料及其陣列，最終制備出多種微傳感器。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，在同一個芯片上，有選擇性的分區(qū)域構(gòu)筑多個傳感器微器件，在相應器件上轉(zhuǎn)移和沉積一系列通用型氧化物氣敏材料，實現(xiàn)對復雜成分氣體的同時檢測，以及對環(huán)境多維度的監(jiān)測；綜合分析對多個環(huán)境參數(shù)有廣泛響應但特異靈敏度有差別的氧化物材料實現(xiàn)對復雜氣氛狀態(tài)的檢測；同時集成溫度和濕度傳感器，實現(xiàn)多維度檢測。

針對單一氣體具備高選擇性的傳感器陣列對于材料本身有非?？量痰囊?，在應用方面會受到響應范圍的諸多限制；即使找到高響應性的材料，在干擾的弱響應氣體濃度遠遠大于高響應目標氣體的情況下依舊會產(chǎn)生干擾和誤報，對于復雜環(huán)境的綜合處理能力相對較弱?？紤]到全面采用單一氣體選擇性傳感器在現(xiàn)階段的局限性，在實際應用中，對復雜氣體環(huán)境的具體組分沒有定量化檢測能力但具有綜合識別能力的傳感器更具有實用價值。本發(fā)明提供的基于廣譜型傳感器材料陣列的學習型“復雜氣氛綜合狀態(tài)指紋識別”系統(tǒng)對多種類型的有毒或易燃易爆氣體產(chǎn)生響應，且對每種氣體的濃度響應關(guān)系不盡相同，通過對單一氣體組分在每個傳感陣列區(qū)塊上隨濃度和檢測溫度變化的信號特性作為一種指紋信息收集起來，并把每個傳感區(qū)塊對復雜氣體的響應信號借助計算機算法加以綜合分析，就能夠?qū)ζ渲械母鞣N氣體成分做出準確的評估并產(chǎn)生預警。最后，這一開放式的檢測系統(tǒng)借助人工智能的數(shù)據(jù)挖掘平臺不斷進行自學習，通過對大量已知成分氣體的檢測和效果評估，體系的算法也將不斷完善，不斷提升其準確性。取得了較好的技術(shù)效果。

附圖說明

圖1為針對危險氣體的多組分智能指紋識別系統(tǒng)示意圖。

圖2為多元微型傳感材料集成芯片結(jié)構(gòu)設計圖。

圖2中，①傳感材料集成基板；②pt電極；③gnd電極；④氣敏元件；⑤樣品池；⑥加熱元件；⑦測溫元件；⑧au電極電流測量體系。

圖3不同組成的混合氣體在8元件傳感器上產(chǎn)生不同的響應特征譜。

圖4不同組成的混合氣體在10元件傳感器上產(chǎn)生不同的響應特征譜。

下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的闡述，但不僅限于本實施例。

具體實施方式

依靠微加工方法制備出微傳感器陣列，即在同一塊芯片上，有選擇性的分區(qū)域構(gòu)筑數(shù)十個傳感器微器件，并在相應器件上轉(zhuǎn)移和沉積一系列通用型氧化物氣敏材料，響應材料的合成篩選通過水熱法調(diào)控完成。

如圖1所示，危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別系統(tǒng)由多維度傳感芯片，多通道調(diào)制電路，放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，信號分配器，信號發(fā)射器，以及數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。傳感器腔體配有獨立的氣孔操控模塊，而陣列中的每個單元都由獨立的電壓和溫度控制電路來調(diào)節(jié)。在復雜危險氣體環(huán)境中，本系統(tǒng)接通電源后，混合氣體中的目標分子在計算機控制端的指令下通過氣路控制模塊與基片上傳感材料發(fā)生物理化學反應，將各組分氣體的化學信號轉(zhuǎn)化形成響應電信號。同時溫度控制模塊快速優(yōu)化選擇最佳工作溫度點，以保證傳感信號穩(wěn)定輸出。響應電信號經(jīng)多通道調(diào)制電路采集與放大器的減噪增益后，在轉(zhuǎn)換器中完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過全特征參數(shù)提取的方法提取相空間中的響應信號進行模式識別，從而實現(xiàn)目標樣本的識別與分類。分類后的信號再經(jīng)過無線信號發(fā)射器進行遠程數(shù)據(jù)處理終端的傳輸。最后，配置一系列混合氣體對傳感器陣列進行培訓。由于廣譜傳感器對于復雜氣體的各種組分都有響應，而基于不同材料的傳感器單元的響應信號各不相同，因此傳感器陣列的綜合響應信號可以作為氣體的指紋坐標進行采樣收集。云端處理器經(jīng)過識別比對各種簡單及復雜氣體的指紋信息，在人工輔助下進行最初的危險性判斷，完成初步的知識庫構(gòu)建和自學習能力完善。

圖2是本系統(tǒng)采用的多維度多組分傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖，基于微加工技術(shù)，構(gòu)筑一種新型的夾層結(jié)構(gòu)微型基板，集成了微型加熱器與數(shù)十微米間距的叉指電極(圖2a)；進而通過有機膠體模板溶液浸漬-無損轉(zhuǎn)移、等離子體刻蝕-外延生長等微納器件構(gòu)建策略，在微型基板上實現(xiàn)了有序氧化物微納結(jié)構(gòu)的原位合成，構(gòu)建新型的氣敏元件(圖2b)，元件的工作由獨立的鉑電阻絲完成加熱和溫度標定；若干個氣敏元件，通過外接線與鉑電極連接，同時通過2根外接電路接地(圖2c)。

下面簡要說明基于多元傳感芯片的危險氣氛綜合狀態(tài)指紋識別系統(tǒng)如何完成材料制備與沉積，并進行有害氣體的狀態(tài)鑒別。

【實施例1】

將四氯化錫前驅(qū)體與氫氧化鈉分別溶解于去離子水溶液，將氫氧化鈉溶液緩慢加至四氯化錫溶液中，攪拌30分鐘，反應混合物轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應釜中，加熱至190攝氏度溫度下，加熱8-12小時。產(chǎn)物離心收集并用蒸餾水浸潤，超聲清洗，離心3遍，分散于水溶液中，滴加到微加工方法制備的交叉電極特定區(qū)域上面烘干。

【實施例2】

將四氯化錫前驅(qū)體，氯化鐵前驅(qū)體，與氫氧化鈉分別溶解于去離子水溶液，將氫氧化鈉溶液緩慢加至四氯化錫和氯化鐵混合溶液中，攪拌30分鐘，反應混合物轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應釜中，加熱至190攝氏度溫度下，加熱8-12小時。產(chǎn)物離心收集并用蒸餾水浸潤，超聲清洗，離心3遍，分散于水溶液中，滴加到微加工方法制備的交叉電極特定區(qū)域上面烘干。

【實施例3】

將四氯化錫前驅(qū)體，氯化鋅前驅(qū)體，與氫氧化鈉分別溶解于去離子水溶液，將氫氧化鈉溶液緩慢加至四氯化錫和氯化鋅混合溶液中，攪拌30分鐘，反應混合物轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應釜中，加熱至190攝氏度溫度下，加熱8-12小時。產(chǎn)物離心收集并用蒸餾水浸潤，超聲清洗，離心3遍，分散于水溶液中，滴加到微加工方法制備的交叉電極特定區(qū)域上面烘干。

【實施例4】

將四氯化錫前驅(qū)體，氯化銦前驅(qū)體，與氫氧化鈉分別溶解于去離子水溶液，將氫氧化鈉溶液緩慢加至四氯化錫和氯化銦混合溶液中，攪拌30分鐘，反應混合物轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應釜中，加熱至190攝氏度溫度下，加熱8-12小時。產(chǎn)物離心收集并用蒸餾水浸潤，超聲清洗，離心3遍，分散于水溶液中，滴加到微加工方法制備的交叉電極特定區(qū)域上面烘干。

基于以上方法完成傳感器所有8個獨立檢測芯片的材料沉積。如圖3所示，將集成了8個傳感元件的指紋識別系統(tǒng)置于混合氣氛中含有苯、硫化氫和一氧化碳三類典型有害氣體的廠區(qū)a內(nèi)，通過坐標展開和曲面漸變等通用算法和手段實現(xiàn)參數(shù)的低維化和可視化，可以顯示出三類目標監(jiān)測氣體的信號響應特征峰構(gòu)成的雷達圖形狀相差很大，從而實現(xiàn)了多種氣體狀態(tài)的評估與特征指紋識別。

所描述的實施例僅為本發(fā)明一部分實施例，而非全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。