基本信息
- 项目名称：
- 新功能材料传感器的研作及综合运用--多传感器集成移动平台
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 新功能材料传感器与移动平台控制系统
- 详细介绍：
- 新功能材料传感器的研发及综合运用-多传感器集成移动平台是针对煤矿安全监测需要而开发的井下可移动探测平台。该平台基于移动车载系统和总线通讯模式，在新功能材料研究的基础上，开发了多种传感器，集成了一批重要环境信息检测传感器，构建成多信息探测平台。平台具有数据实时采集、开放分布式结构、数据融合处理分析，能实时监测井下环境信息，危险辨识、瓦斯涌出源定位、预警报警，同时对灾后的危险模式辨识、灾害评估、抢险救援、生命迹象评估等提供至关重要的信息支撑，本项目的研究具有显著性社会效益和经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 设计发明目的和基本思路 针对煤矿等高危作业环境中安全监测系统不稳定，不灵活的问题，研究新型功能材料开发高性能气体传感器的同时应用信息技术，自动控制技术搭建移动信息探测平台。 2. 创新点 本项目采用的气敏材料是通过溶胶-凝胶法制备的贵金属掺杂二氧化锡超细粉体，其具有气敏性高，稳定性高的特点。采用MEMS技术制作传感器并将其集成于可控的移动平台，大大增强了监测系统的稳定性与灵活性，从而在一定程度上提高了测量的实时性与准确性。 3. 技术关键和主要技术指标 通过对气敏材料合成技术，MEMS技术，信号传递与通讯技术，移动平台系统集成技术等综合考量，该系统优于传统的煤矿安全监测系统。 主要的传感器参数 测量种类 测量范围 精度 甲烷 0～5% ±5%fs 一氧化碳 0～200 ppm ±10ppm 氧气 0～25% ±1% 氢气 0～4% ±5%fs 红外测温传感器 0～200℃ ±0.2℃
科学性、先进性
- 1. 传统的机械研磨法与化学沉淀法制备气敏材料容易混进杂质，材料颗粒大，粒径不够均匀。而采用溶胶-凝胶法(sol-gel)可以制备出纯度高，颗粒均匀，比表面积大，组分易控的纳米粉体。通过掺杂贵金属来提高气敏材料的特性，有效提高元件灵敏度，缩短响应时间。 2. 传统结构的金属氧化物半导体气体传感器存在功耗过大，批量制作一致性差，可靠性偏低等问题。采用MEMS技术制作的微气体传感器，采取理论分析，计算机模拟和实验验证相结合的方法，经过多次反复来确定单悬桥和微双桥式陶瓷基无内引线封装结构的微结构体的各项参数，解决了多层膜复合和组装的问题。 3. 本项目提出的可移动测量概念，在移动平台上采用了阵列式梯度瓦斯气体传感器定位技术，用于确定瓦斯气体泄露源方向、位置和浓度。集成的12种传感器能够实时监测多项环境参数，利用数据综合处理技术，反应环境真实状况，并能根据被监测信息参数进行有效的危险模式判别、分析、预警、报警，进行生存环境评估。 技术性分析说明和参考文献资料请见说明书。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月获学校第十五届“五四杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 已经制作出试验样机，处于中试阶段
技术转让方式
- 联合申报国家课题支持，完成中试研究，寻求拥有实力和愿望的企业合作进行产业化生产。
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片及录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 技术特点和优势 （1）功能材料纯度高、比表面积大、组分易控； （2）传感器微型化、低功耗、一致性好； （3）人机界面操作简便，系统环境信息采集全面，可实现200m距离的移动探测。 2. 适用范围 本移动探测平台主要用于煤矿安全监测，同时可用于隧道、石油或天然气输送管道等各种地下工程，对危险气体进行探测与泄露源定位。为预防灾害事故提供信息支撑，便于提前采取防范措施。在发生事故后，能及时为抢救和疏散人员、器材，提供决策信息。 3. 市场分析和经济效益预测 本产品可以测量分析多项环境参数。集成12种传感器、计算机控制的移动平台材料成本大约在6-7万元，市售价格初估为30万元/台左右。全国煤矿行业共有约2万口煤井，仅黑龙江就有1336口煤井，假使每口煤井配备一台移动探测平台，市场占有率30%，仅黑龙江地区就可实现产值超过亿元。若能推广到全国，应用市场会更加广泛，社会效益和经济效益十分显著。
同类课题研究水平概述
- 1. 气敏材料研究进展 无机半导体是最早出现的一类气敏材料，主要应用于检测氢气、甲烷、一氧化碳等有毒可燃气体。无机半导体纳米超细粉体含有大量的晶粒、晶界、具有巨大的比表面积，有利于气体的吸附和释放，因此对被检测气体响应比较灵敏。以无机半导体为主体材料的气体传感器市场化发展非常迅速，己成为世界上产量最大，应用最广泛的气体传感器之一。但是，由于目前市场上用于制备传感器的半导体材料具有纯度低、粒径分布不均等缺点，使其对低浓度的有毒气体灵敏度受到限制，且受环境湿度影响较大，最致命的弱点是检测温度高，通常要在300℃以上。 以二氧化锡为主体材料的气体传感器，一直是目前世界上生产量大，应用面广的气敏器件。目前对二氧化锡气敏材料的研究现状是：①制备方面趋于多样化，种类繁多，追求获得量大、尺寸可控、表面清洁材料的制备方法；②在性质和微结构的研究上着重探索规律；③研究纳米尺寸复合，发展新型复合材料是该领域的热点。 2. 气体传感器的发展状况 目前是半导体气体传感器在实用化基础上的发展提高阶段。1978 年后，气体传感器的实用化促使人们去寻找新的气敏材料，并探讨提高气体传感器性能的途径，对已实用化的气体传感器材料进行了深入的研究。经过多年的发展，现在在工业发达的国家，如美国、日本、德国、英国等，气体传感器均已发展成为品种系列齐全、技术综合发展的高新技术产业。 3. 煤矿安全监测系统发展概况 我国在煤炭信息系统方面明显存在重硬件、轻软件，重局部、轻整体，重投入、轻管理的问题。具体的说，在煤炭安全监控系统方面，在计算机硬件的采购方面投入比较大，软件投入较少；生产安全监控系统不完善，没有真正建立有效的综合信息系统平台。目前在我国的煤炭安全监测行业，有多家公司涉及这一行业，但目前为止应用的系统没有形成统一的通信协议和标准，很难实现全局或更高级别的联网和系统的实时监测管理。 煤矿安全监测系统目前存在的问题： （1）传感器等关键产品质量不过关； （2）通信协议不规范； （3）井下信息传输设备物理接口协议不规范； （4）井下可移动的安全监控系统目前还是空白。
