基于YSZ型固體電解質(zhì)的電化學(xué)氣敏傳感器陣列的研究.pdf

1、近年來，由汽車尾氣排放所帶來的環(huán)境污染問題越發(fā)嚴(yán)重，其中尤以碳?xì)浠衔?、碳氧化合物、氮氧化合物帶來的污染為最，我們必須得予以足夠的重視。?dāng)前主要采用控制空燃比結(jié)合三效催化劑技術(shù)來減少尾氣的排放，而這些技術(shù)都與傳感器息息相關(guān)，因此傳感器性能的優(yōu)劣與否極為關(guān)鍵。而基于釔穩(wěn)定氧化鋯(Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ)固體電解質(zhì)的氣敏傳感器由于具有簡單的結(jié)構(gòu)、成熟的制備工藝、較廣的測試范圍和比較容易測量輸出電勢等優(yōu)點(diǎn)

2、已成為目前車用氣敏傳感器的研究熱點(diǎn)。另外，考慮到汽車尾氣傳感器在高溫、高濕環(huán)境下對目標(biāo)氣體必須給出高選擇性和高靈敏度的信號響應(yīng)，鋯基安培型和電位型電化學(xué)氣體傳感器在當(dāng)前的市場開發(fā)中受到了廣泛地關(guān)注。
　　傳統(tǒng)的氣敏傳感器都是單一工作電極體系的，無法對多種氣體共存的組分信息給出詳盡的描述，所以催生了傳感器陣列的研究。傳感器陣列包含多個(gè)工作電極(共用一個(gè)參比電極)，每個(gè)電極對一種氣體主敏感，后期采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識(shí)別方法，可以有效的進(jìn)

3、行信號的分離。所以，本文主要研究的是基于釔穩(wěn)定氧化鋯型固體電解質(zhì)的電化學(xué)氣敏傳感器陣列。
　　本文的研究對象為汽車尾氣中的有害氣份，圍繞這個(gè)搭建一套基于傳感器陣列的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，為此我們開展了一系列的工作，主要包括：1)動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)的搭建。在實(shí)驗(yàn)室已有的基礎(chǔ)上，根據(jù)本研究的要求，通過LabVIEW軟件平臺(tái)、質(zhì)量流量計(jì)以及 NI數(shù)據(jù)卡 USB-6009來實(shí)現(xiàn)對氣體的實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)配置所需要的氣體成分及濃度，搭建一套密封的檢測裝

4、置。2)自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)合 LabVIEW軟件平臺(tái)以及 NI的采集板卡 USB-6221，配合一套實(shí)驗(yàn)測試裝置，實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的自動(dòng)采集功能。3)敏感電極材料的篩選。為了得到滿足要求且合適的工作電極，有必要進(jìn)行電極材料的篩選工作，最終確定為針對 C3H6氣體的SnO2材料(1000℃燒結(jié))、針對 NO氣體的ZnFe2O4材料(1100℃燒結(jié))以及針對 CO氣體的ZnO(+30 wt.％ In2O3)材料，還對 In2O3摻雜 Z

5、nO的最佳比例(30 wt.%)、最佳燒結(jié)溫度(1200℃燒結(jié))及最佳工作溫度(500℃)進(jìn)行了研究，另外，還從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及電催化活性的角度(主要是 XRD、SEM及阻抗譜等分析)給予一些解釋和說明。4)傳感器陣列的制備及測試。將篩選好的材料制備在一根 YSZ管上，共同一個(gè)Pt參比電極，形成一個(gè)傳感器陣列，分別進(jìn)行單一、混合氣體測試，結(jié)果表明，傳感器陣列針對單一氣體的響應(yīng)與單工作電極體系基本一致，但是對混合氣體的響應(yīng)測試表明，存在氣

6、體間的交叉敏感特性。5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。為了消除混合氣體的交叉敏感問題，提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行模式識(shí)別，運(yùn)用集成 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并使用Adaboost算法進(jìn)行優(yōu)化處理，有效實(shí)現(xiàn)了融合信號的分離，另外還對 Adaboost集成 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和單一 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算精度進(jìn)行了一些比較，結(jié)果表明，Adaboost集成 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測誤差要比單一 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的明顯低一些。6)抵償型 CO傳感器的研究。為了提高 CO傳感器的選擇性，采用 Z

7、nO(+30 wt.% In2O3)為敏感電極，通過耦合柱狀形貌 Cr2O3材料為參比電極形成抵償型 CO傳感器。結(jié)果表明，在基本不消減 CO響應(yīng)值的基礎(chǔ)上，抵償型CO傳感器確實(shí)抑制了C3H6的響應(yīng)，提高了傳感器的選擇性。
　　本文的研究結(jié)果表明，基于釔穩(wěn)定氧化鋯型固體電解質(zhì)的電化學(xué)氣敏傳感器陣列結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的檢測系統(tǒng)，確實(shí)能被成功運(yùn)用于對 C3H6、CO、NO三種不同濃度的混合氣體的定性分類和定量識(shí)別，定量識(shí)別的預(yù)測誤差不高