[发明专利]气敏材料表征微悬臂梁温控装置及系统

说明书

本发明公开了一种气敏材料表征微悬臂梁温控装置及系统，装置包括腔体，腔体两对侧壁外有帕尔贴模块，腔体内有微悬臂梁气体传感器和温控系统，微悬臂梁气体传感器对腔体内的气敏材料进行表征分析，温控系统与帕尔贴模块连接并通过控制帕尔贴模块的工作状态实现对腔体内测试环境温度的控制；帕尔贴模块外侧设有散热模块，腔体上设有帕尔贴模块的两对侧壁内侧分别设有进气口和出气口。系统包括气敏材料表征微悬臂梁温控装置、基于长短期记忆网络的帕尔贴温控建模方法和基于粒子群的温控方法。本发明通过帕尔贴和小型化腔体结构缩小装置体积，通过长短期记忆网络和粒子群算法快速准确地搜索最佳PID控制参数，加快升降温速度、提高温度控制精度。

技术领域

本发明涉及气敏材料温控技术领域，具体涉及一种气敏材料表征微悬臂梁温控装置及系统。

背景技术

随着现阶段对气敏材料研究的不断深入，新型气敏材料的敏感性能表征显得越来越重要。以微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术为核心的谐振式微悬臂梁凭借集成化、小体积、高灵敏度、低噪声、实时性以及低功耗等优势，在气敏材料表征分析的应用范围不断拓展。在气敏材料性能分析的过程中，对微悬臂梁所处环境温度的控制性能直接影响着分析精度的高低以及实验效率。因此，温度控制成为高精度、高效、体积小的微悬臂梁气敏材料分析系统中关键技术。

现有技术(详见专利“CN106645956A”)有使用MCH加热陶瓷片作为加热平台、以ARM处理器为核心，通过K型热电偶测量数据精确控制MCH温度，将通过探针得到的电信号进行数模转换，并通过设置阶梯升温和恒温两种工作模式设置恒温温度、或阶梯升温梯度和目标温度的持续时间，可以实时显示测试曲线与保存数据，但是却无法实现制冷功能。现有技术(详见专利“CN105988490A”)有基于加热丝和冷却水循环箱的外部控温型智能气敏分析装置，该装置可以实现对材料气敏特性的直接分析，但是该装置的实验环境温度下降速度较慢。现有技术(详见专利“CN102841077A”)有使用以模块化的方式协同完成对特定温度、气体种类与浓度及光激发条件下的气敏材料的高通量表征，从而针对测试结果快速筛选出可以实际应用的气敏材料，但是温度控制模块中使用加热片对实验环境温度进行控制，并没有制冷模块实现降温功能。现有技术(详见论文“任艳波,于海涛,赵伟,等.基于LabVIEW的谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统[J].仪表技术与传感器,2015,No.395(12):11-14”)有使用基于加热板的自制透明玻璃容器微悬臂梁气敏材料分析实验提供温度控制环境，但是该方法只能提供室温以上的恒温环境且升温速度慢，控制精度低。现有技术(详见论文“徐甲强,曹研思,王炉煜,等.基于COOH/SBA-15的谐振式氨气传感器气敏性能研究[J].河南师范大学学报(自然科学版),2018,v.46；No.200(03):2+52-59”)有使用自制测试腔体实现基于石英晶体微量天平的气敏材料分析实验，但是该腔体只能实现室温附近的温度控制，温度控制范围较小。现有技术(详见论文“田俊峰,尹志刚,韩光鲁.三维石墨烯/WO_3纳米棒/聚噻吩复合材料制备及低温气敏性能[J].科学技术与工程,2019,v.19；No.484(15):99-103.”)有使用河南汉威电子HW-30A高低温恒温水浴作为气敏测试系统，利用电加热和压缩机对水进行升降温，利用水浴的方式对实验环境实现温度控制可以将温度范围控制在5～80℃、精度控制在微±0.1℃，但是升降温速度慢，温度控制范围小。现有技术(详见论文“Li L,He S,LiuM,et al.Three-dimensional mesoporous graphene aerogel-supported SnO2 nanocrystals for high-performance NO2 gas sensing at lowtemperature[J].Analytical Chemistry,2015,87(3):1638-1645.)有使用电阻丝加热和水浴降温对复合材料SnO2/rGO-4的NO2敏感检测环境进行温度控制，但是该系统存在电阻丝加热控温精度低(±1℃)和水浴降温速度慢(3℃/min)等问题，材料性能评估误差大、效率低。现有技术(详见论文“Pengcheng,Xu,Haitao,et al.MicrogravimetricThermodynamic Modeling for Optimization of Chemical Sensing Nanomaterials.[J].Analytical Chemistry,2014.”)有将悬臂梁气体传感器置于水浴温控装置内进行变温称重实验从而实现对材料热力学的参数定量计算，该方法通过水浴方法进行温控，虽然在一定程度上减小了整体系统体积，但是导致测试环境温度变化缓慢且范围较小。现有技术(详见论文“Ni J,Zhao T,Tang L,et al.Solution-phase synthesis of prderedmesoporous carbon as resonant-gravimetric sensing material for room-temperature H2S detection[J].Chinese Chemical Letters,2020.”，“Xu P,Yu H,LiX.Quantitatively extracted Gibbs free-energy(ΔG)as criterion to determineworking temperature range of gas sensing-material[C]//Transducers-International Conference on Solid-state Sensors.IEEE,2015.”，“Lv Y,Yu H,Xu P,et al.Metal organic framework of MOF-5with hierarchical nanopores as micro-gravimetric sensing material for aniline detection[J].Sensors andActuators,B.Chemical,2018.”)还有使用液氮制冷与鼓风加热实现了-50～150℃的温度范围，2℃温度均匀性的硅微悬臂梁气敏材料分析环境，但是该仪器存在体积大(1100*850*1740mm)、变温速度慢(3℃/min)、控温准确度低(±2.5℃/min)、液氮制冷系统维护困难、成本高等问题。