近年來,電子鼻在醫療診斷、環境監測、公共安全和農業等多個領域應用廣泛,與傳統的分析手段相比具有檢測范圍廣、檢測速度快、體積小易攜帶和操作簡單成本低等優點。
電子鼻優異的氣體識別能力主要依賴于傳感器采集的高質量特征信號和數據處理算法,高質量信號特征值的獲取除了依賴于性能良好的敏感材料,也與采樣系統的結構息息相關,其中腔室的結構更是直接影響內部流場的均勻度,因此設計具有高度均勻濃度場的腔室對于電子鼻的發展來說至關重要。
該工作從傳感器特征值的角度出發,通過設計軸對稱氣體傳感器腔體和氣體分流裝置,解決了傳感器在測試腔體中由于位置不同引入的偽特征值問題,對于傳感器腔體的結構設計和流體力學行為調控給出了良好的研究范例。
鑒于此,該工作設計了一種小型化仿生腔室,主要由上殼體、分流裝置和底座組成,可同時容納18個傳感器。該腔室外觀形似花灑,模擬了哺乳動物鼻腔嗅覺區的層流環境,對稱的結構設計保證了均勻的流場和濃度場環境,基于層流和稀物質物理場耦合的模擬計算結果表明,當氣流到達分流裝置后經由底部氣孔及側面凹槽被分散至各個方向,可以直觀看到傳感器上方流速及壓力分布均勻度明顯提升。分流裝置在本設計中對氣流的均勻性起到了重要作用,多孔型分流裝置有效降低了腔室中的再循環區和死體積,提高了傳感器陣列周圍濃度場的均勻性。在實際的濕度傳感測試中,傳感器陣列上方的濃度分布也呈現均勻的分布情況。理論模擬和濕度測試結果表明該腔室具有均勻的流場和濃度場。
該工作實現了腔室內流體行為的有效控制,解決了由于腔室中傳感器所處的位置不同而引起的測量誤差問題,為電子鼻腔室的設計提供了有益的參考,同時也為多物理場耦合模擬設計與實際應用相結合提供了新思路。
據悉,“智能傳感"前沿交叉研究中心長期從事人工嗅覺相關研究,在揮發物組學(分析化學與基礎醫學交叉)、敏感材料設計與制備(材料與化學交叉)、傳感腔體設計與制造(力學與儀器科學交叉)、精確中醫“聞診"應用(醫學與人工智能)等方面開展了系列研究工作。
來源:傳感器專家網
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