【摘 要】
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随着气体传感器技术的不断发展,搭载气体传感器阵列的气体检测系统被广泛应用于大气环境监测领域。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的微型、无线、智能气体检测系统将是该领域的重要研究方向。制浆造纸工业向大气中排放诸如氨气（NH3）、硫化氢（H2S）和挥发性有机物（VOCs）等气体,为了实现对造纸污染气体的快速、准确、便捷和自动检测,并对工业大气环境质量进行科学、全面、有效的监控,本文设计开发了一款基
【基金项目】
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广东省自然科学基金项目“纳米纤维素基/二氧化钛复合透明柔性气敏传感器件作用机制的研究”（2021A1515010327）；
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随着气体传感器技术的不断发展,搭载气体传感器阵列的气体检测系统被广泛应用于大气环境监测领域。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的微型、无线、智能气体检测系统将是该领域的重要研究方向。制浆造纸工业向大气中排放诸如氨气（NH3）、硫化氢（H2S）和挥发性有机物（VOCs）等气体,为了实现对造纸污染气体的快速、准确、便捷和自动检测,并对工业大气环境质量进行科学、全面、有效的监控,本文设计开发了一款基于气体传感器阵列的造纸污染气体无线检测系统。（一）基于课题组前期对造纸环境空气的检测分析结果,以NH3、H2S和VOCs三种主要的造纸污染气体为检测目标,参考课题组前人的工作分别制备了Co-TiO2粉末、Co-Ti NT和TiO2/MXene三种气敏材料,并涂覆在基于MEMS技术制造的平面电极上,封装形成尺寸为5 mm×5 mm×1 mm的NH3、H2S和VOCs气体传感器。通过分压法测电阻的电路将三个气体传感器集成到电路板上形成尺寸为36 mm×48 mm的气体传感器阵列,并在搭建的气敏测试系统中对气体传感器阵列进行测试。研究结果表明:（1）NH3传感器的灵敏度范围、拟合线性度、响应/恢复时间以及一个月内的重复性和稳定性误差分别为1.346-1.463（10-70 ppm）、0.9914（10-30 ppm）/0.9980（30-70 ppm）、36 s/114s、＜0.3%;（2）H2S传感器的灵敏度范围、拟合线性度、响应/恢复时间以及一个月内的重复性和稳定性误差分别为2.165-4.538（10-50 ppm）、0.9988（10-50 ppm）、87 s/173s、＜0.3%;（3）VOCs传感器的灵敏度范围、拟合线性度、响应/恢复时间以及一个月内的重复性和稳定性误差分别为1.329-1.539（10-60 ppm）、0.9738（10-60 ppm）、155 s/180s、＜0.3%,显示了其在实时气体浓度监控的潜在应用。（二）为了采集气体传感器阵列的电压信号以实现对多项气体浓度指标的检测,本文从硬件平台和软件平台两个方面完成了对气体检测系统的设计和开发。在硬件平台上,本文选用了基于ARM架构和Cortex-M3内核的32位STM32F103VET6高性能控制器芯片,以其为核心,通过与最小系统电路、气体传感器阵列模块、DHT11温/湿度传感器模块、ESP8266 Wi-Fi无线传输模块和蜂鸣器报警模块以及必要的外部接口电路的相互连接,完成气体检测系统整体硬件平台的搭建,实现气体浓度和温/湿度数据采集和无线传输功能。同时,通过监控当前环境的湿度可以方便后续分析湿度对气体传感器阵列响应的影响（三）在软件平台上,本文通过在单片机系统中写入设计主要硬件功能模块的驱动程序,实现当前环境气体浓度和温/湿度数据采集并传输到上位机软件上加以读取和显示。在上位机软件设计上,开发了一款基于Android系统的手机APP,对气体和温/湿度数据进行显示、绘制实时响应曲线和自动保存,完成气体检测系统整体软件平台的搭建,实现气体检测系统的无线远程监控。（四）对造纸污染气体无线检测系统进行了软硬件集成调试,结果表明系统对不同浓度的气体均能读数显示,对10-50 ppm NH3浓度的检测误差均在±5 ppm以内,最低为-0.4 ppm,最高为+4.9 ppm,且响应时间均小于60 s,恢复性能良好;对环境湿度的响应和恢复时间均小于30 s,湿度测量相对误差均在10%以内。在造纸空气环境下,分别检测了蒸煮锅周围环境的H2S和VOCs浓度和环境湿度。H2S浓度为1.3 ppm,VOCs浓度为9.8 ppm以及湿度为67%RH。证明该气体检测系统可以准确采集并传输气体信息,满足系统设计目标和需求,可以运用于制浆造纸工业智能便携式气体检测中或其他大气环境监测领域当中。
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