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基本信息

項(xiàng)目名稱：
新功能材料傳感器的研作及綜合運(yùn)用--多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)
小類：
能源化工
簡介：
新功能材料傳感器與移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)
詳細(xì)介紹：
新功能材料傳感器的研發(fā)及綜合運(yùn)用-多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)是針對(duì)煤礦安全監(jiān)測(cè)需要而開發(fā)的井下可移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)基于移動(dòng)車載系統(tǒng)和總線通訊模式，在新功能材料研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了多種傳感器，集成了一批重要環(huán)境信息檢測(cè)傳感器，構(gòu)建成多信息探測(cè)平臺(tái)。平臺(tái)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、開放分布式結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)融合處理分析，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境信息，危險(xiǎn)辨識(shí)、瓦斯涌出源定位、預(yù)警報(bào)警，同時(shí)對(duì)災(zāi)后的危險(xiǎn)模式辨識(shí)、災(zāi)害評(píng)估、搶險(xiǎn)救援、生命跡象評(píng)估等提供至關(guān)重要的信息支撐，本項(xiàng)目的研究具有顯著性社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

作品圖片

  • 新功能材料傳感器的研作及綜合運(yùn)用--多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)
  • 新功能材料傳感器的研作及綜合運(yùn)用--多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)
  • 新功能材料傳感器的研作及綜合運(yùn)用--多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)
  • 新功能材料傳感器的研作及綜合運(yùn)用--多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)
  • 新功能材料傳感器的研作及綜合運(yùn)用--多傳感器集成移動(dòng)平臺(tái)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1. 設(shè)計(jì)發(fā)明目的和基本思路 針對(duì)煤礦等高危作業(yè)環(huán)境中安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，不靈活的問題，研究新型功能材料開發(fā)高性能氣體傳感器的同時(shí)應(yīng)用信息技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)搭建移動(dòng)信息探測(cè)平臺(tái)。 2. 創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)目采用的氣敏材料是通過溶膠-凝膠法制備的貴金屬摻雜二氧化錫超細(xì)粉體，其具有氣敏性高，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。采用MEMS技術(shù)制作傳感器并將其集成于可控的移動(dòng)平臺(tái)，大大增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性，從而在一定程度上提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。 3. 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) 通過對(duì)氣敏材料合成技術(shù)，MEMS技術(shù)，信號(hào)傳遞與通訊技術(shù)，移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)集成技術(shù)等綜合考量，該系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 主要的傳感器參數(shù) 測(cè)量種類 測(cè)量范圍 精度 甲烷 0～5% ±5%fs 一氧化碳 0～200 ppm ±10ppm 氧氣 0～25% ±1% 氫氣 0～4% ±5%fs 紅外測(cè)溫傳感器 0～200℃ ±0.2℃

科學(xué)性、先進(jìn)性

1. 傳統(tǒng)的機(jī)械研磨法與化學(xué)沉淀法制備氣敏材料容易混進(jìn)雜質(zhì)，材料顆粒大，粒徑不夠均勻。而采用溶膠-凝膠法(sol-gel)可以制備出純度高，顆粒均勻，比表面積大，組分易控的納米粉體。通過摻雜貴金屬來提高氣敏材料的特性，有效提高元件靈敏度，縮短響應(yīng)時(shí)間。 2. 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器存在功耗過大，批量制作一致性差，可靠性偏低等問題。采用MEMS技術(shù)制作的微氣體傳感器，采取理論分析，計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，經(jīng)過多次反復(fù)來確定單懸橋和微雙橋式陶瓷基無內(nèi)引線封裝結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)體的各項(xiàng)參數(shù)，解決了多層膜復(fù)合和組裝的問題。 3. 本項(xiàng)目提出的可移動(dòng)測(cè)量概念，在移動(dòng)平臺(tái)上采用了陣列式梯度瓦斯氣體傳感器定位技術(shù)，用于確定瓦斯氣體泄露源方向、位置和濃度。集成的12種傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，利用數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)，反應(yīng)環(huán)境真實(shí)狀況，并能根據(jù)被監(jiān)測(cè)信息參數(shù)進(jìn)行有效的危險(xiǎn)模式判別、分析、預(yù)警、報(bào)警，進(jìn)行生存環(huán)境評(píng)估。 技術(shù)性分析說明和參考文獻(xiàn)資料請(qǐng)見說明書。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2009年5月獲學(xué)校第十五屆“五四杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

作品所處階段

已經(jīng)制作出試驗(yàn)樣機(jī)，處于中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

聯(lián)合申報(bào)國家課題支持，完成中試研究，尋求擁有實(shí)力和愿望的企業(yè)合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

作品可展示的形式

實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片及錄像

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1. 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) （1）功能材料純度高、比表面積大、組分易控； （2）傳感器微型化、低功耗、一致性好； （3）人機(jī)界面操作簡便，系統(tǒng)環(huán)境信息采集全面，可實(shí)現(xiàn)200m距離的移動(dòng)探測(cè)。 2. 適用范圍 本移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)主要用于煤礦安全監(jiān)測(cè)，同時(shí)可用于隧道、石油或天然氣輸送管道等各種地下工程，對(duì)危險(xiǎn)氣體進(jìn)行探測(cè)與泄露源定位。為預(yù)防災(zāi)害事故提供信息支撐，便于提前采取防范措施。在發(fā)生事故后，能及時(shí)為搶救和疏散人員、器材，提供決策信息。 3. 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 本產(chǎn)品可以測(cè)量分析多項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。集成12種傳感器、計(jì)算機(jī)控制的移動(dòng)平臺(tái)材料成本大約在6-7萬元，市售價(jià)格初估為30萬元/臺(tái)左右。全國煤礦行業(yè)共有約2萬口煤井，僅黑龍江就有1336口煤井，假使每口煤井配備一臺(tái)移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)，市場(chǎng)占有率30%，僅黑龍江地區(qū)就可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值超過億元。若能推廣到全國，應(yīng)用市場(chǎng)會(huì)更加廣泛，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

同類課題研究水平概述

1. 氣敏材料研究進(jìn)展 無機(jī)半導(dǎo)體是最早出現(xiàn)的一類氣敏材料，主要應(yīng)用于檢測(cè)氫氣、甲烷、一氧化碳等有毒可燃?xì)怏w。無機(jī)半導(dǎo)體納米超細(xì)粉體含有大量的晶粒、晶界、具有巨大的比表面積，有利于氣體的吸附和釋放，因此對(duì)被檢測(cè)氣體響應(yīng)比較靈敏。以無機(jī)半導(dǎo)體為主體材料的氣體傳感器市場(chǎng)化發(fā)展非常迅速，己成為世界上產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的氣體傳感器之一。但是，由于目前市場(chǎng)上用于制備傳感器的半導(dǎo)體材料具有純度低、粒徑分布不均等缺點(diǎn)，使其對(duì)低濃度的有毒氣體靈敏度受到限制，且受環(huán)境濕度影響較大，最致命的弱點(diǎn)是檢測(cè)溫度高，通常要在300℃以上。 以二氧化錫為主體材料的氣體傳感器，一直是目前世界上生產(chǎn)量大，應(yīng)用面廣的氣敏器件。目前對(duì)二氧化錫氣敏材料的研究現(xiàn)狀是：①制備方面趨于多樣化，種類繁多，追求獲得量大、尺寸可控、表面清潔材料的制備方法；②在性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)的研究上著重探索規(guī)律；③研究納米尺寸復(fù)合，發(fā)展新型復(fù)合材料是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 2. 氣體傳感器的發(fā)展?fàn)顩r 目前是半導(dǎo)體氣體傳感器在實(shí)用化基礎(chǔ)上的發(fā)展提高階段。1978 年后，氣體傳感器的實(shí)用化促使人們?nèi)ふ倚碌臍饷舨牧?，并探討提高氣體傳感器性能的途徑，對(duì)已實(shí)用化的氣體傳感器材料進(jìn)行了深入的研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如美國、日本、德國、英國等，氣體傳感器均已發(fā)展成為品種系列齊全、技術(shù)綜合發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 3. 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展概況 我國在煤炭信息系統(tǒng)方面明顯存在重硬件、輕軟件，重局部、輕整體，重投入、輕管理的問題。具體的說，在煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)方面，在計(jì)算機(jī)硬件的采購方面投入比較大，軟件投入較少；生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)不完善，沒有真正建立有效的綜合信息系統(tǒng)平臺(tái)。目前在我國的煤炭安全監(jiān)測(cè)行業(yè)，有多家公司涉及這一行業(yè)，但目前為止應(yīng)用的系統(tǒng)沒有形成統(tǒng)一的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，很難實(shí)現(xiàn)全局或更高級(jí)別的聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理。 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前存在的問題： （1）傳感器等關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)； （2）通信協(xié)議不規(guī)范； （3）井下信息傳輸設(shè)備物理接口協(xié)議不規(guī)范； （4）井下可移動(dòng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)目前還是空白。
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