碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

迈腾B8轿车氧传感器故障检测及分析

汽车氧传感器出现故障,会影响车辆的动力性、经济性和尾气排放特性。本文以迈腾B8轿车为例,从氧传感器的工作原理入手,结合电路图和实际检测数据,形成分析氧传感器的故障诊断思路,总结传感器及其电路的一般故障分析和诊断方法,从而快速排除相关故障。

氢气传感器在电解制氧系统中的应用研究

针对电解制氧系统中氢气浓度测量受环境因素影响大、测量准确性低等问题,选取了半导体型、催化燃烧型、热导型三类不同原理的氢气传感器,对其在电解制氧系统中的应用进行了试验验证,并对试验结果进行了讨论,分析了各类氢气传感器的使用局限性。

根区土壤氧气检测技术与方法研究进展

根区氧胁迫问题在滞涝区域、城市地面硬化区域尤为常见,根区土壤氧气含量高低是判断植物是否承受低氧胁迫的重要依据,其检测技术与分析方法的研究对农林生产和生态保护具有指导意义。为明确根区土壤氧气检测现状及发展方向,该研究概括了国内外土壤氧气分布检测方法和分析策略,将现有获取根区土壤氧含量时空分布的技术手段归纳为氧传感器点位检测法、土壤氧扩散模型分析法和荧光成像法,并剖析比较了各方法的优缺点和适用场景。基于氧传感器等领域最新进展,结合各类氧气运输模型,总结了根区土壤氧气分布检测技术和建模方法的研究重点与发展方向如下:1)氧传感器呈现小型化和集成化趋势,引入新型材料,提高氧传感器的灵敏度和耐久性能;2)模型的精度将不断提高,更多地考虑多尺度和多因素交互作用,以全面分析根区土壤氧环境的复杂性;3)开发可持续的荧光染料,提高荧光成像技术的分辨率和深度,以实现对更小、更深层次结构的清晰成像;4)分析植物蒸腾作用中的水氧关系,通过茎干氧浓度反映植物对根区氧环境变化的生理适应能力。研究可为植物根区土壤氧气分布检测提供思路与借鉴。

极谱式柔性溶解氧智能传感器研发

溶解氧在维持水体生态系统和保证良好生产生活方面发挥着关键作用。随着新技术、新材料、新兴应用场景的涌现,尤其在推动渔业智能化的进程中,溶解氧的检测需要更加轻质、微小、柔软、生物相容的传感器。柔性电子与传感技术的结合为上述问题的解决提供了可能。该研究利用磁控溅射和点胶喷墨技术制备了一种具备温度测量功能的柔性溶解氧传感器并评估其线性度、灵敏度、响应时间、漂移、稳定性、机械弯曲等性能,设计相应的传感电路和智能处理系统,验证该智能传感器在养殖水体溶解氧检测中的可行性。结果表明:常温下,柔性溶解氧传感器的采集电流与溶解氧含量之间具有较好的线性关系(R^(2)为0.9945),传感器的灵敏度为-0.03μA·L/mg,响应时间为16.8 s,7 d内响应电流的最大差值为0.0195μA。柔性温度传感器在0~150℃范围内的电阻与温度具有良好的线性关系(R^(2)为0.9949),传感器的灵敏度为-2.47 kΩ/℃,响应时间为3 s,迟滞误差为2.17%,且在0~60°的弯曲范围内均保持良好的性能。所开发的智能传感器相较商用传感器在不同温度下溶解氧含量检测的最大误差小于5%,可快速准确获取待测水体的溶解氧含量和温度信息,具有良好的渔业应用前景。

基于MXene空气电极的印刷柔性锌空电池及其应用研究

目的探究承印材料和添加单层或少层Mxene(SLMxene)对柔性锌空电池性能的影响,以及在不同氧气含量环境下的表现。方法利用丝网印刷在不同承印基材上制备柔性锌空电池,研究承印材料对柔性锌空电池放电性能的影响。结果得到了在PE防水膜上印刷的柔性锌空电池放电性能最佳,初始开路电压最高,达到5.5V。在此基础上,探究SLMXene的质量分数对电池放电性能的影响。利用HCl与HF混合溶液对Ti_(3)AlC_(2)进行刻蚀,并剥离得到SLMXene,将SLMXene加入空气电极油墨中,发现SLMXene添加量超过2%时,柔性锌空电池的放电电压保持平稳,放电电压不再改变,并且在弯折时电池的放电电压保持平稳;弯折200次后,电池的放电电压保持96%以上。结论改变柔性锌空电池所处环境中的氧气含量时,其放电电压表现出与氧气含量呈正相关的特性,表明其在氧气智能包装领域具有应用潜力。

闭腔型氧泵测氧芯片结构参数对特征时间t_(d)的影响研究

为了探究闭腔型测氧芯片结构参数对氧传感器特征时间t_(d)的影响,指导结构改进,优化氧传感器工作性能,采用控制变量法设计了四种不同结构的泵氧芯片并搭配自制的氧传感器进行测试,测量在不同氧气浓度下的t_(d)值,对曲线进行分析,并与推导出的理论关联式进行比较。结果表明,当泵氧芯片增加多孔氧化锆保护层后,提升了空腔的密封性,t_(d)与氧气浓度呈良好的线性关系;使用交叉型铂电极的泵氧芯片,泵电极与氧气的接触面积更大,泵氧速率更快,其t_(d)值更小。综合来说,优选芯片结构为添加多孔氧化锆保护层同时使用交叉电极的泵氧芯片,相比于对照产品,其t_(d)与氧气浓度具有更好的线性相关性,且制造成本低,并拥有与对照产品相近的t_(d)值,从而自主研发出具有良好工作性能的工业氧传感器。

塑化剂对聚合物基质荧光猝灭型氧敏感膜性能影响的研究

本研究以四(五氟苯基)卟吩铂(PtTFPP)为荧光指示剂,聚氯乙烯(PVC)为基质,柠檬酸三丁酯(TBC)为塑化剂,制备荧光猝灭型氧敏感膜。通过刮刀涂膜工艺制备样品,并利用自建的基于相位调制的荧光寿命测量装置,测试氧敏感膜的荧光猝灭性能。研究发现,添加质量比40%的TBC显著提高了PVC的氧气渗透速率,增强了荧光猝灭效应,导致在20kPa氧分压下荧光寿命从69.8μs大幅度降至16.3μs,反映灵敏度大小的KSV常数从0.013kPa^(-1)增大到0.375kPa^(-1)。对于添加TBC的氧敏感膜,其荧光寿命随氧分压的变化符合双位点Stern-Volmer模型,究其原因是膜表层和内部的氧浓度存在差异,导致荧光猝灭效应呈现较强和较弱两部分。当气氛由氮气切换到空气时,其荧光相位信号对气相氧分压变化的响应时间为4.5s,远小于不含TBC的样品30.5s。本研究的结果有助于改进以聚合物为基质的荧光猝灭型氧传感器的性能。

铈钛共掺杂氧化锆致密扩散层极限电流型氧传感器

采用固相法制备铈钛共掺杂氧化锆Ce_(0.2-x)Ti_(x)Zr_(0.8)O_(2)(CTZ)(x=0.05,0.1,0.15)混合导体材料,以铈钛共掺杂氧化锆作为致密障碍层,10ScSZ作为固体电解质,制备了极限电流氧传感器。结果表示:Ce_(0.2-x)Ti_(x)Zr_(0.8)O_(2)(CTZ)在x=0.05,x=0.1时主晶相为四方相结构,x=0.15时大量单斜相存在;随着Ti掺杂量x的增加晶粒逐渐增大,在x=0.05时,Ce_(0.2-x)Ti_(x)Zr_(0.8)O_(2)材料的电导率最大;在测试范围内,氧传感器具有良好的极限电流平台。在810℃时,极限电流与氧浓度呈线性关系:IL(mA)=0.778+0.451x(O_(2))(mol%)R=0.997。在恒温810℃,含氧量在6%和16%之间来回切换时,测得传感器的响应时间曲线,得出氧传感器呈现良好的重复性。

闭腔型氧传感器加热控制策略研究

针对目前闭腔型氧传感器温度控制精度低、冷启动热应力大、加热时间长的问题,提出一种加热控制策略和控制电路。首先根据氧传感器的工作原理,分析不同加热电压下温度与泵氧循环的关系,结合加热器温度特性实验,确定了传感器的最佳工作温度和最佳加热功率,然后根据传感器的结构和控制要求,设计了一种加热控制策略以及控制电路,为了进一步验证方案的有效性,最后在不同氧体积分数的实际环境中进行测试验证,并与国外传感器进行对比测试。实验结果表明:设计的加热控制策略和控制电路能够很好地满足传感器的温度控制要求,传感器的最佳工作温度为781℃,最佳加热功率约为9 W,首次到达最佳工作温度时间为41 s,在氧体积分数1%~10%范围,传感器测量误差不大于±0.3%,在氧体积分数10%~25%范围,传感器测量误差不大于±0.5%。

用于低浓度H_(2)S室温稳定监测的CsPbBr_(3)@TiO_(2)异质结微晶气体传感器

通过简单的溶液法用TiO(Acac)_(2)原位包覆CsPbBr_(3)全无机钙钛矿材料,在400℃加热后直接制成了CsPbBr_(3)@TiO_(2)核壳结构微晶,使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电子显微镜(HRTEM)及X射线光电子能谱(XPS)对CsPbBr_(3)@TiO_(2)微晶的晶体结构、微观形貌、化学组成进行表征。结果表明,原位金属氧化物包覆钙钛矿形成分散良好、大小为4~8μm的球壳结构。用旋涂法在掺氟氧化锡(FTO)电极上构筑了CsPbBr_(3)@TiO_(2)薄膜气体传感器,在室温下测试其对H_(2)S气体的检测灵敏度,结果发现,该传感器对H_(2)S气体的检测下限达25 ppb(1 ppb=10-9),对100 ppb H_(2)S响应/恢复时间为24/21 s,灵敏度为0.59,响应曲线具有良好的循环稳定性。另外,传感器暴露在空气中30 d内的稳定性高于90%,且具有优异的气体选择性和抗湿度干扰性。通过光致发光(PL)光谱、时间分辨光致发光(TRPL)光谱、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)及紫外光电子能谱(UPS)测试分析了其能带位置、电荷动力学和配位机理,并用氧吸附原理对其传感机理进行了解释。该工作为室温下低浓度H_(2)S气体的稳定监测提供了一种新的思路。

液氧加注系统流量计选型及使用

液氧作为一种清洁高效推进剂广泛应用于国内外主流运载火箭。为保证液氧加注精度及加注过程安全,液氧加注系统设置了流量计对加注流量进行监测。根据液氧加注系统流量测量需求及使用工况,流量计选型主要考虑的因素包括:1.流量计接液部分材料应满足介质相容性要求,并具有耐低温适应性;2.流量计使用工况存在气液两相流,要求在气液两相流较大流量具有工作安全性和可靠性;3.流量计防爆型式应满足液氧场合使用要求。综合选型要求和行业应用经验,该型号液氧加注系统选用涡街流量计,介绍了流量计使用相关要求和数据采集设置方法。

基于荧光猝灭原理的比率式光纤溶解氧传感器研究

溶解氧浓度的准确测定在医疗应用、海洋监测、工农业生产等领域中,起到至关重要的作用。本篇论文提出了一种比率式光纤溶解氧传感器,以四乙氧基硅烷(TEOS)和正辛基三乙氧基硅烷(Octyl-triEOS)为前驱体的有机改性硅酸盐(ORMOSILs)作为载体基质,选用三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌(Ru(dpp)_(3)^(2+))为氧敏感染料,选用7-氨基-4-(三氟甲基)香豆素(AFC)为参比染料。吸收光谱表明,氧敏感染料和参比染料可以被中心波长为405nm的光源激发。发射光谱表明,氧敏感染料和参考染料的发射波长没有光谱重叠,因此可以使用比率法测量溶解氧浓度。通过溶胶-凝胶工艺制备的ORMOSILs将氧敏感染料和参比染料固定在塑料光纤端部,从而形成复合氧敏感薄膜,对传感膜的厚度和疏水性进行了表征,传感膜的厚度为569μm,水接触角为81°。将该传感器在水溶液中进行了测试,在光源激发下,氧敏感染料和参考染料在605和490nm处有明显的发射峰,随着溶解氧浓度的增加,氧敏感染料的荧光强度降低,而参比染料的荧光强度稳定在某一数值,通过测量氧敏感染料与参比染料的比率,达到检测氧浓度的目的。采用Stern-Volmer方程对溶解氧浓度和荧光强度比进行线性拟合,该传感器在0~20.05mg·L^(-1)溶解氧范围内,Stern-Volmer拟合度可达98.22%,灵敏度可达0.4334/[O_(2)],从饱和氮溶液到饱和氧溶液传感器的响应时间为12s,从饱和氧溶液到饱和氮溶液传感器的恢复时间为144s,引入非对称因子ASY表明传感时间的不对称性。对传感器的光稳定性和重复性进行了测试,比率式光纤传感器可以克服光源波动,相对单荧光强度传感有更强的稳定性。

基于BaMgSiO_(4)氧空位缺陷发光的可视化荧光温度传感材料

温度是表征物理化学性质的最基本参数之一,精确的温度测量对于现代科学技术发展起着至关重要的作用。传统基于稀土离子热耦合能级对(TCLs)能量传递的荧光温度传感器因TCLs之间能量差的限制存在测温灵敏度低及信号区分困难等问题。为寻求更优的解决方案,本研究探索了氧空位缺陷发光在荧光温度传感器领域的应用前景。本文通过高温固相法合成了BaMgSiO_(4)陶瓷,由于在高温烧结过程中有少量Ba^(2+)和Mg^(2+)蒸发,陶瓷中会产生氧空位以保持材料电中性。这些氧空位所形成的缺陷能级在332 nm紫外光激发下,发射出372,400,527 nm三种波长的发射光。这三种发射光强度对温度有着不同的敏感性,使得其能够良好应用于荧光温度传感领域。其中,I372和I527组成的温度传感系统相对测温灵敏度在298 K时为2.90%·K^(-1),高于传统TCLs荧光温度传感器的测温灵敏度,突破了TCLs温度传感器的灵敏度天花板。另外,由于372 nm和527 nm波长相差较大,使得BaMgSiO_(4)陶瓷有着室温下绿光发射到458 K高温下蓝光发射的显著变化,实现了温度监控可视化。因此,BaMgSiO_(4)陶瓷因其独特的氧空位缺陷发光特性,为开发荧光温度传感器提供了一种高精度和可视化的新选择,为荧光温度探测技术提供了一条新思路。

重型天然气发动机氧传感器控制系统研究

为了提升重型天然气发动机空燃比控制精度,本文基于模型控制方法,从氧传感器的工作原理出发,构建了基于氧传感器的自适应空燃比测量及控制系统模型,通过自适应控制及瞬态补偿策略,实现全工况空燃比精确闭环控制,λ控制精度提升20%,实现更佳的排放控制水平,在WHTC循环排放测试中,主要排放污染物均实现明显降低,NO_(x)降低23%,CH_(4)排放降低40%。

一种基于CEEMDAN-CPELM的池塘溶解氧预测模型研究

针对集约化水产养殖中水体溶解氧时间序列非线性、非稳定性特征导致的溶解氧预测模型构建难度大、预测精度不高的问题,提出一种基于自适应完备集合经验模态分解-聚类重构结构的偏最小二乘优化极限学习机溶解氧预测模型(CEEMDAN-CPELM)。采用CEEMDAN方法将溶解氧数据流分解为不同频率的模态分量,并依据各分量的模糊熵值评估各分量的复杂度,利用K-medoids方法将所有分量按照模糊熵复杂度进行聚类,实现数据的分解-重构过程,降低溶解氧预测的难度;再利用偏最小二乘算法对极限学习机进行优化,提高模型的预测性能。最后,将CEEMDAN-CPELM模型应用到常熟养殖试验基地的水体溶解氧预测中。试验结果表明:基于CEEMDAN-CPELM的溶解氧预测模型的预测均方根误差值为0.959,明显低于GA-SELM、LSSVM和ELM等对比模型,验证了该预测模型的可行性和有效性。

基于PEDOT∶PSS的高灵敏度宽量程透明聚合物应变传感器

柔性应变传感器通常难以兼具高灵敏度、宽量程以及透明的性能。提出一种导电层为聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)的三明治结构聚合物柔性应变传感器,该传感器在兼顾高灵敏度和宽量程的同时具有高透明性。通过旋涂工艺在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上制备了可拉伸的透明导电聚合物薄膜;基于掩模氧等离子体刻蚀工艺对聚合物薄膜进行了图案化处理;通过拉伸得到表面具有微裂纹的全聚合物柔性应变传感器。微裂纹在应变加载过程中的开合程度对传感器电阻产生影响,进而能够对各种加载应变做出响应。性能测试结果表明,该柔性传感器在30%的应变下依然能稳定输出信号,满足人体动作检测的最大变形需求;在5%~20%的应变范围内,传感器具备线性响应(线性度>0.9922)和高灵敏度系数(GF为10),克服了传统应变片GF(~2)低、量程小和刚度大的局限性;在可见光波长范围(400~800 nm)内,传感器的透光率超过70%。该传感器能够对人体肌肉和关节运动信号进行监测,在医学康复、运动训练以及人机交互等领域展现出应用前景。

一种基于支持向量机回归的制氧系统寿命预估方法

随着我国老龄化程度的加深及后疫情时代大背景下国内医疗系统市场规模的不断扩大,制氧系统行业的发展进入快速扩容阶段。同时,制氧系统突发故障对吸氧人群生命与心理造成不可逆损伤的问题接踵而至。制氧行业迫切需要一种针对制氧系统寿命的预估方法,以解决制氧系统突发故障影响吸氧人群生命与财产安全的问题。该研究提出一种基于支持向量机回归(SVR)的制氧系统寿命预估方法。首先,基于SVR原理建立一种寿命预估模型,通过对某制氧系统3500h的氧浓度监测数据进行SVR训练,得到制氧系统的寿命预估模型。然后,规律选取300组氧浓度数据分别进行训练集预测和预测集预测,结果显示,该预测模型的准确性较高,且模型对预测集样本的预测结果与氧浓度监测的真实值基本保持一致。最后,对该制氧系统的吸附塔进行拆机验证,发现分子筛确有失效现象,经实际测量失效程度为6%,表明该模型可应用于制氧系统的寿命预估,并取得了良好的结果。因此,基于SVR的制氧系统寿命预估方法可以准确、有效地预估制氧系统的使用寿命,避免其突发故障,同时也为后续制氧系统的寿命预估方法提供了思路。

基于WGKSOM-DRCA自适应即时学习的转炉炼钢终点碳温软测量方法

转炉炼钢终点碳温的准确预测是实现转炉终点控制的关键。针对转炉生产过程数据存在波动性大和非线性特点引起传统即时学习度量的算法学习集质量低,进而削弱模型预测性能的问题,提出了一种基于加权高斯核自组织映射动态相关成分分析(WGKSOM-DRCA)自适应即时学习软测量建模方法用于转炉炼钢终点碳温预测。首先,采用引入标签信息的WGK度量准则构造WGKSOM聚类算法引导聚类方向,提高算法的聚类质量并降低类簇数据波动性对于建模的影响;其次,利用高斯后验概率计算待测样本的隶属度并通过引入动态因子构建DRCA度量策略,从而实现自适应的样本选择,进一步提升待测样本对应的局部算法学习集质量并用于局部模型训练,最终输出终点碳温的预测结果。实验表明,所提算法在转炉炼钢终点碳温预测上相对于其他算法有更好的表现,在±0.02%的预测误差范围,碳含量的预测精度为92%,在±10℃的误差范围,温度的预测精度为93.5%。

氮氧传感器控制系统研究

为准确测量汽车尾气中的氮氧化物浓度,指出了氮氧传感器的能斯特原理和极限电流原理,探讨了传感器温度和泵单元的控制过程。温度可通过加热铂电阻的阻值进行控制,通过调节泵电压来控制泵单元,选用PID算法能够达到较好的控制效果。通过精确控制各个腔室中的氧气浓度,可消除泵单元与各腔室的耦合作用,使其达到稳定状态,提高计算精度。