全量程氫氣檢測微系統集成設計與信號處理方法研究

《全量程氫氣檢測微系統集成設計與信號處理方法研究》是依託哈爾濱工業大學，由宋凱擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：全量程氫氣檢測微系統集成設計與信號處理方法研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋凱

項目摘要

本項目面向航空航天、制氫工業生產過程的廣泛實際需求，結合MEMS技術和感測器信號處理方法，研究全量程氫氣檢測微系統，實現氫氣濃度的全量程無縫線上測量。集成化、微型化和智慧型化是感測器技術發展的關鍵科學問題。擬研製的微結構氫氣感測器突破傳統工藝概念，巧妙集成半導體、催化燃燒、熱導三種不同原理敏感單元，在最佳化設計結構的基礎上,以MEMS工藝構造敏感晶片。在理論和實踐上深入研究三值性信號處理和小樣本標定數據下氫氣濃度全量程測量方法，建立氫氣濃度與三值輸出的數學模型，提高氫氣檢測精度。引入稀疏核主元分析和模糊相關向量機理論，實現感測器故障自診斷，輸出氫氣濃度不確定度信息，使感測器具有自確認功能，智慧型化程度得到有效提升。研究的算法成熟後將固化在硬體上與敏感晶片封裝在一起組成微系統，廣泛套用於能源、航天等工業領域的氫氣檢測。項目的創新性成果將推動集成化、智慧型化感測器的發展，具有廣闊的套用前景和實用價值。

結題摘要

集成化、微型化和智慧型化是感測器技術發展的關鍵科學問題。本項目面向航空航天、制氫工業生產過程的廣泛實際需求，結合MEMS 技術和感測器信號處理方法，研究全量程氫氣檢測微系統，實現了氫氣濃度的全量程無縫線上測量。研製的微結構氫氣感測器突破傳統工藝概念，巧妙集成半導體、催化燃燒、熱導三種不同原理敏感單元，在最佳化設計結構的基礎上，以MEMS工藝構造了敏感晶片。建立了氫氣濃度與三種不同類型敏感單元輸出信號的數學模型，在小樣本標定數據下利用相關向量回歸模型實現了氫氣濃度的全量程無縫精確測量，提高了氫氣檢測精度。提出基於核主元分析的氫感測器線上檢測方法，基於相關向量回歸的氫感測器故障數據恢複方法，以及核主元分析特徵提取和相關向量回歸多分類器的氫感測器故障診斷方法，提高了氫感測器系統的可靠性。在此基礎之上，提出一種B類不確定度計算方法，建立了氫氣濃度測量值不確定度的傳遞模型，實現了自確認功能。最後，設計和製作了全量程氫氣檢測微系統硬體平台。系統硬體體系結構包括樣氣檢測氣室，信號調理電路和數據採集電路，DSP 及其外圍電路、電源接口電路等。以DSP為核心，由DSP控制A/D轉換，實現各種算法獲取氫氣濃度信息和各敏感單元狀態信息。通過實驗分析，對系統的各項性能指標進行綜合測試。研究的算法可固化在硬體上與敏感晶片封裝在一起組成微系統，廣泛套用於能源、航天等工業領域的氫氣檢測。項目的創新性成果將推動集成化、智慧型化感測器的發展，具有重要的套用前景和實用價值。