傳感器“鼻子”！能嗅最惡臭氣體！

時間：2025/2/28閱讀：237

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，惡臭氣體污染引起的投訴事件屢有發(fā)生。惡臭氣體包括許多有機化合物及無機化合物，雖然濃度不高，但由于它們的嗅闕值低，揮發(fā)性大，極易引起周邊人群的不適。另外，有些惡臭物質(zhì)有毒，有些是臭氧和二次有機氣溶膠的重要前體物，因此直接威脅人體健康及生態(tài)環(huán)境安全。

惡臭氣體污染分析方法分為人工嗅辨及儀器分析兩種。人工嗅辯經(jīng)典、靈敏，但由于嗅覺疲勞，會使測定結(jié)果產(chǎn)生偏差。另外，此方法只能給出臭氣強度及濃度，不能逐一區(qū)分產(chǎn)生惡臭的污染物質(zhì)。

檢測方法除了儀器分析法、人工嗅辨法外，傳感器（電子鼻）的使用也日益增加。該方法成本低、時間分辨率高，在實時、原位分析中顯現(xiàn)出很大優(yōu)勢。本文探討傳感器技術(shù)、國內(nèi)外環(huán)境污染分析中的應(yīng)用及存在的問題，指出該技術(shù)在環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中擁有巨大的應(yīng)用潛能，也可以與昨天《未來新方向？利用納米材料修飾電化學(xué)傳感器用于環(huán)境監(jiān)測！》進(jìn)行對比！

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傳感器技術(shù)，又稱電子鼻，將人工嗅辯與儀器測定技術(shù)相結(jié)合，模擬人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別、測試惡臭氣體，在在線、原位監(jiān)測上展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，已成為惡臭污染源在線監(jiān)測的主要手段。

1、關(guān)于惡臭氣體傳感系統(tǒng)

惡臭氣體是多種物質(zhì)的混合物，通常使用傳感器陣列進(jìn)行測定。傳感器陣列是根據(jù)傳感器信號的變化，結(jié)合一定算法對混合氣體的成分濃度進(jìn)行測定的設(shè)備。傳感器陣列法又稱為電子鼻系統(tǒng)。

電子鼻工作原理

電子鼻是傳感器陣列及模式識別模塊集成的分析惡臭氣體的儀器。氣體中的惡臭物質(zhì)與傳感器陣列相接觸，產(chǎn)生輸出信號。電子鼻通過多傳感器信息融合及數(shù)模轉(zhuǎn)化技術(shù)將交叉靈敏度的特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成惡臭氣體濃度或總惡臭強度

輸出。

電子鼻結(jié)構(gòu)

電子鼻主要分為樣品氣引入、氣味觸發(fā)、信號處理系統(tǒng)等部分。樣品氣引入部分主要完成惡臭氣體的吸入及過濾；氣味觸發(fā)是氣體與傳感器活性材料表面接觸，并產(chǎn)生瞬時響應(yīng)；信號處理系統(tǒng)包括信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集及分析。信號調(diào)理電路將氣室中的特征量變化信號轉(zhuǎn)化成電信號；數(shù)據(jù)采集電路通過電信號的變化進(jìn)行特征變量的跟蹤收集；數(shù)據(jù)分析軟件通過模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立算法，對特征變量進(jìn)行擬合分配，輸出樣品氣中惡臭物質(zhì)含量。

電子鼻中傳感器的分類與選擇

惡臭電子鼻中的傳感器多種多樣。理想的傳感器可以在常溫下操作，對惡臭化合物選擇性高，響應(yīng)速度快，恢復(fù)時間短、重現(xiàn)性好，性能穩(wěn)定。選取現(xiàn)在常用的幾種測定惡臭氣體傳感器，原理及特點列于表。

選擇傳感器時，首先應(yīng)考慮要測定的惡臭物質(zhì)的種類及濃度，其次，要熟悉不同傳感器的工作原理、范圍及優(yōu)勢，盡量選擇在其優(yōu)勢范圍內(nèi)進(jìn)行測定。除此以外，還要考慮現(xiàn)場儀器的攜帶是否方便，傳感器的更換是否容易等。當(dāng)然，應(yīng)盡量使用最少數(shù)量的傳感器陣列，測定待測惡臭氣

體中的目標(biāo)成分。

2、傳感器的應(yīng)用

惡臭氣體主要來源于石化、制藥、畜牧養(yǎng)殖、屠宰場、污水處理廠、垃圾填埋場、造紙、印染、皮革等行業(yè)，對人體健康和環(huán)境有很大的負(fù)面影響。惡臭氣體的復(fù)雜性要求使用傳感器陣列——電子鼻對實際樣品進(jìn)行測定，表 2 列出了近些年一些使用電子鼻對惡臭氣體測定的應(yīng)用。

3、國內(nèi)外發(fā)展方向

國外發(fā)展?fàn)顩r

國外電子鼻研制工作起步較早，20 世紀(jì) 30年代就有人開始進(jìn)行氣體傳器的研發(fā)，60 年代出現(xiàn)了使用電化學(xué)反應(yīng)模擬人體嗅辯的裝置，20 年后，隨著多種氣體傳感器聯(lián)合完成高精度的識別工作，電子鼻的概念在國際上得到的統(tǒng)一界定，即“電子鼻是由多個性能彼此重疊的氣體傳感器的模式分類方法組成的具有識別單一和復(fù)雜氣味能力的儀器"。經(jīng)過 30 年的努力，特別是20 世紀(jì) 90 年代后精密儀器制造業(yè)蓬勃發(fā)展，加快了電子鼻的發(fā)展步伐。

許多大學(xué)及研究機構(gòu)都大力支持電子鼻的研發(fā)工作，研究成果也很快投入了市場應(yīng)用。目前，國外電子鼻技術(shù)比較成熟，形成了一定的市場規(guī)模，下表列出了一些商品化儀器及其組成。電子鼻的高重復(fù)性及精密度在惡臭氣體的識別中發(fā)揮了很大作用，有些行業(yè)的檢測中已經(jīng)取代了人工嗅辯。

隨著21世紀(jì)的到來，納米材料、軟件技術(shù)、微加工技術(shù)迅猛發(fā)展，加上研究人員的不懈努力，使電子鼻的應(yīng)用再次迎來新的高潮。如今，發(fā)達(dá)國家的電子鼻技術(shù)已達(dá)到很高水平，選擇性高，精密度好，反應(yīng)快速，穩(wěn)定性和延展性都很好，電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋了各行各業(yè)，如食品安全，農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、安全保障、航空航天等。

美國和加拿大一些地區(qū)已經(jīng)大規(guī)模使用現(xiàn)場儀器檢測惡臭，歐洲雖然現(xiàn)在還不能用電子鼻，但已按照法規(guī)成立專家組，對電子鼻的設(shè)備定義、數(shù)模轉(zhuǎn)換原則及測定結(jié)果進(jìn)行考察，以期建立電子鼻的操作要求，近期會出臺電子鼻連續(xù)監(jiān)測的基準(zhǔn) 。最近，3D 打印技術(shù)代替蝕刻工藝，使電子鼻的體積進(jìn)一步減小，成本降低且攜帶方便，其應(yīng)用將會越來越廣泛。有人預(yù)計：至 2027 年，電子鼻的交易額可達(dá) 30億美元。

我國發(fā)展?fàn)顩r

與國外相比，我國電子鼻研發(fā)工作起步較晚，通過幾十年的努力，目前已經(jīng)擁有了國產(chǎn)測定惡臭的電子鼻設(shè)備，但因缺少工程化應(yīng)用，技術(shù)還不成熟，商品化儀器種類很少，較低。我國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中明確提出 “加強惡臭污染物治理" ，而對惡臭氣體實現(xiàn)實時、在線、連續(xù)監(jiān)測的設(shè)備就是電子鼻，因此,開發(fā)快速、準(zhǔn)確、低成本的惡臭電子鼻，對于我國惡臭污染物的治理以及突發(fā)惡臭事件時的快速應(yīng)對至關(guān)重要。

目前，我國使用的惡臭電子鼻進(jìn)口的較多，使用時要依據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)配制，而且進(jìn)口設(shè)備的后期售后和維修常常不很方便，對儀器制造方依賴較大。我國國產(chǎn)的儀器使用單一傳感器的較多，即使是陣列傳感器方法采用的也大多是同一種類型的傳感器，如國產(chǎn)電化學(xué)傳感器只能對單一污染物進(jìn)行測定，因此，對所有惡臭污染物因子全覆蓋的商品化儀器很少，用戶能選擇的儀器種類和型號非常有限。

另外，大多數(shù)國產(chǎn)儀器的可靠性和穩(wěn)定性尚未進(jìn)行充分有效的驗證。軟件方面，缺乏組分量化擴散效果的影響范圍評估，沒有內(nèi)置實地擴散模式，從而將現(xiàn)場儀器得到數(shù)據(jù)與周邊居民嗅覺感受相關(guān)聯(lián)。在惡臭污染事件發(fā)生時,無法提供預(yù)警信息并為污染區(qū)域生成惡臭污染模型。

存在的主要問題

惡臭電子鼻是個復(fù)雜的系統(tǒng)，其發(fā)展不僅涉及到傳感器技術(shù)，還與生物、材料、微加工、軟件等方面緊密相關(guān)，目前，電子鼻在惡臭氣體的檢測中還存在下述一些問題：

（1）傳感器的種類與數(shù)量還不夠豐富。現(xiàn)在的惡臭傳感器常用的主要有導(dǎo)電金屬、電化學(xué)、光離子化等幾種，壓電晶體傳感器，如表面聲波及石英晶體等商品化份額較小。紅外傳感器使用的也不多，通常惡臭化合物在紅外區(qū)具有典型的指紋特征，輔以光纖，可以制成有效識別惡臭物質(zhì)的電子鼻，能夠達(dá)到較高的測定精確度。電子鼻中的傳感器應(yīng)有更多種類和型號供客戶優(yōu)化選取，以提升測量的精密度、準(zhǔn)確度。

（2）提高傳感器的靈敏度和環(huán)境適配性。氣體傳感器的靈敏度與環(huán)境溫度、濕度、大氣壓等因素緊密相聯(lián)。需要通過校正和維護(hù)，減小儀器因工作環(huán)境變化引起的漂移，保證測定靈敏度。另外，還要注意避免傳感器中毒，如不能使用金屬氧化物測定氯氣，聚合物傳感器不能測定氨等。

（3）惡臭物質(zhì)的識別算法在電子鼻測定中非常關(guān)鍵。過去傳統(tǒng)線性模式應(yīng)用較多，對環(huán)境惡臭污染物的分析誤差較大，現(xiàn)在一般都使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊模式進(jìn)行識別計算，但該方面的應(yīng)用研究還應(yīng)進(jìn)一步深化，如把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

過程嵌入到軟件中，使其集成度更高，在信息輸入到輸出映射過程中，使用歷史數(shù)據(jù)修正新采集的數(shù)據(jù)，使測定更為精準(zhǔn)。遇到惡臭氣體種類復(fù)雜的情況, 必須經(jīng)摸索建立與實際情況相符的模式識別方法，檢驗通過方可使用。

（4）惡臭電子鼻的采集電路容易出現(xiàn)設(shè)計缺陷，如濃度低的測不出來和濃度高的發(fā)生溢出。需要設(shè)計精度更高的采集調(diào)理電路，緩解 CPU 壓力，延長傳感器壽命。同時，為避免樣本數(shù)目少，采樣代表性不夠的問題，應(yīng)在分析范圍內(nèi)多布設(shè)監(jiān)測點，利用服務(wù)器收集所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，并創(chuàng)造條件實現(xiàn)跨平臺運行。

（5）惡臭傳感器作為一項多技術(shù)的融合體應(yīng)具有特殊性和通用性。特殊性是指根據(jù)現(xiàn)場情況及關(guān)注的主要污染物種類及濃度，對惡臭電子鼻的傳感器進(jìn)行選擇和匹配，同時，還要對模式識別系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，如：環(huán)境和污染源宜選用兩套系統(tǒng)測定，以適應(yīng)實際情況。通用性是指針對惡臭電子鼻的使用建立一套通用的設(shè)計規(guī)則和操作方法，包括傳感器選擇的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)范圍等，標(biāo)準(zhǔn)化工作不僅有利于電子鼻的商品化市場發(fā)展，也會使電子鼻的監(jiān)測更加科學(xué)規(guī)范，多方數(shù)據(jù)具有可比性。

4 小結(jié)

惡臭物質(zhì)活性大，揮發(fā)性強，嗅闕值低，擴散時間短，瞬時濃度高，感官感受明顯。儀器分析成本高，周期長，采樣至分析有時間差。人工嗅辯方法耗時長，不能分辨單個污染物，且不能連續(xù)測定。傳感器陣列（電子鼻）方法是連續(xù)監(jiān)測中潛力的檢測技術(shù)。電子鼻技術(shù)的成本較低，操作簡單，測定快速。可以通過算法優(yōu)化，對污染物進(jìn)行特征提取，實時判斷物質(zhì)種類及濃度、擴散方式、范圍等，通過互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，即可獲取一定區(qū)域內(nèi)惡臭污染物的分布情況，進(jìn)而進(jìn)行惡臭污染的預(yù)測和評估。

目前，電子鼻技術(shù)已經(jīng)可以完成圖像識別、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)，是惡臭氣體污染源在線監(jiān)測的主力軍，不遠(yuǎn)的將來，它不僅可以代替人鼻進(jìn)行惡臭污染物的檢測，而且與機器人技術(shù)相結(jié)合，可以完成無人參與的惡劣環(huán)境中惡臭污染的分析、識別工作。

隨著納米科技的發(fā)展，電子鼻將更加小型化，精密化，便攜化，相信通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作，如設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證、標(biāo)準(zhǔn)化操作及氣味標(biāo)準(zhǔn)庫的建立等，電子鼻在環(huán)境惡臭污染方面一定會發(fā)揮更大的作用。

來源：綜合《傳感器技術(shù)在惡臭氣體檢測中的應(yīng)用》、知乎、新浪科技

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