基本信息
- 項目名稱：
- 新功能材料傳感器的研作及綜合運用--多傳感器集成移動平臺
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 新功能材料傳感器與移動平臺控制系統(tǒng)
- 詳細介紹：
- 新功能材料傳感器的研發(fā)及綜合運用-多傳感器集成移動平臺是針對煤礦安全監(jiān)測需要而開發(fā)的井下可移動探測平臺。該平臺基于移動車載系統(tǒng)和總線通訊模式，在新功能材料研究的基礎上，開發(fā)了多種傳感器，集成了一批重要環(huán)境信息檢測傳感器，構建成多信息探測平臺。平臺具有數(shù)據(jù)實時采集、開放分布式結構、數(shù)據(jù)融合處理分析，能實時監(jiān)測井下環(huán)境信息，危險辨識、瓦斯涌出源定位、預警報警，同時對災后的危險模式辨識、災害評估、搶險救援、生命跡象評估等提供至關重要的信息支撐，本項目的研究具有顯著性社會效益和經(jīng)濟效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1. 設計發(fā)明目的和基本思路 針對煤礦等高危作業(yè)環(huán)境中安全監(jiān)測系統(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應用信息技術，自動控制技術搭建移動信息探測平臺。 2. 創(chuàng)新點 本項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粉體，其具有氣敏性高，穩(wěn)定性高的特點。采用MEMS技術制作傳感器并將其集成于可控的移動平臺，大大增強了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性，從而在一定程度上提高了測量的實時性與準確性。 3. 技術關鍵和主要技術指標 通過對氣敏材料合成技術，MEMS技術，信號傳遞與通訊技術，移動平臺系統(tǒng)集成技術等綜合考量，該系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)。 主要的傳感器參數(shù) 測量種類 測量范圍 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 紅外測溫傳感器 0～200℃ ±0.2℃
科學性、先進性
- 1. 傳統(tǒng)的機械研磨法與化學沉淀法制備氣敏材料容易混進雜質，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，縮短響應時間。 2. 傳統(tǒng)結構的金屬氧化物半導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技術制作的微氣體傳感器，采取理論分析，計算機模擬和實驗驗證相結合的方法，經(jīng)過多次反復來確定單懸橋和微雙橋式陶瓷基無內(nèi)引線封裝結構的微結構體的各項參數(shù)，解決了多層膜復合和組裝的問題。 3. 本項目提出的可移動測量概念，在移動平臺上采用了陣列式梯度瓦斯氣體傳感器定位技術，用于確定瓦斯氣體泄露源方向、位置和濃度。集成的12種傳感器能夠實時監(jiān)測多項環(huán)境參數(shù)，利用數(shù)據(jù)綜合處理技術，反應環(huán)境真實狀況，并能根據(jù)被監(jiān)測信息參數(shù)進行有效的危險模式判別、分析、預警、報警，進行生存環(huán)境評估。 技術性分析說明和參考文獻資料請見說明書。
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年5月獲學校第十五屆“五四杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- 已經(jīng)制作出試驗樣機，處于中試階段
技術轉讓方式
- 聯(lián)合申報國家課題支持，完成中試研究，尋求擁有實力和愿望的企業(yè)合作進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片及錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1. 技術特點和優(yōu)勢 （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）人機界面操作簡便，系統(tǒng)環(huán)境信息采集全面，可實現(xiàn)200m距離的移動探測。 2. 適用范圍 本移動探測平臺主要用于煤礦安全監(jiān)測，同時可用于隧道、石油或天然氣輸送管道等各種地下工程，對危險氣體進行探測與泄露源定位。為預防災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，能及時為搶救和疏散人員、器材，提供決策信息。 3. 市場分析和經(jīng)濟效益預測 本產(chǎn)品可以測量分析多項環(huán)境參數(shù)。集成12種傳感器、計算機控制的移動平臺材料成本大約在6-7萬元，市售價格初估為30萬元/臺左右。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移動探測平臺，市場占有率30%，僅黑龍江地區(qū)就可實現(xiàn)產(chǎn)值超過億元。若能推廣到全國，應用市場會更加廣泛，社會效益和經(jīng)濟效益十分顯著。
同類課題研究水平概述
- 1. 氣敏材料研究進展 無機半導體是最早出現(xiàn)的一類氣敏材料，主要應用于檢測氫氣、甲烷、一氧化碳等有毒可燃氣體。無機半導體納米超細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，因此對被檢測氣體響應比較靈敏。以無機半導體為主體材料的氣體傳感器市場化發(fā)展非常迅速，己成為世界上產(chǎn)量最大，應用最廣泛的氣體傳感器之一。但是，由于目前市場上用于制備傳感器的半導體材料具有純度低、粒徑分布不均等缺點，使其對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，最致命的弱點是檢測溫度高，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，應用面廣的氣敏器件。目前對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在性質和微結構的研究上著重探索規(guī)律；③研究納米尺寸復合，發(fā)展新型復合材料是該領域的熱點。 2. 氣體傳感器的發(fā)展狀況 目前是半導體氣體傳感器在實用化基礎上的發(fā)展提高階段。1978 年后，氣體傳感器的實用化促使人們?nèi)ふ倚碌臍饷舨牧?，并探討提高氣體傳感器性能的途徑，對已實用化的氣體傳感器材料進行了深入的研究。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、技術綜合發(fā)展的高新技術產(chǎn)業(yè)。 3. 煤礦安全監(jiān)測系統(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，在計算機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。目前在我國的煤炭安全監(jiān)測行業(yè)，有多家公司涉及這一行業(yè)，但目前為止應用的系統(tǒng)沒有形成統(tǒng)一的通信協(xié)議和標準，很難實現(xiàn)全局或更高級別的聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)的實時監(jiān)測管理。 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)目前存在的問題： （1）傳感器等關鍵產(chǎn)品質量不過關； （2）通信協(xié)議不規(guī)范； （3）井下信息傳輸設備物理接口協(xié)議不規(guī)范； （4）井下可移動的安全監(jiān)控系統(tǒng)目前還是空白。
