H2S比色/电学传感器及深度学习比色/电学双传感系统

本发明属于气敏传感器，具体涉及一种h2s比色/电学传感器及深度学习比色/电学双传感系统。

背景技术：

1、硫化氢（h2s）是一种无色、易燃且有毒的气体，具有臭鸡蛋味。在低浓度（15至50ppm）下长时间接触h2s会刺激粘膜并引起头痛，头晕和恶心，高浓度（>200ppm）h2s可导致窒息、昏迷或意识丧失。因此，研究出能够对硫化氢气体具有响应且灵敏度高的监测系统至关重要。

2、比色气体传感器是一种通过颜色变化产生可视化传感信号进而识别待测气体的传感器件，具有功耗低、检测限低、体积小、操作便捷以及可提供视觉响应的优势。目前常用的比色传感器是基于薄膜、凝胶、纳米纤维、织物等构建的，以检测各种有害气体，例如氨、光气、硫化氢和挥发性有机化合物等。

3、cn109856122a公开了一种比色型硫化氢传感器，利用绿色合成的结冷胶-银纳米溶液和琼脂溶液合成固态凝胶，对硫化氢气体具有高灵敏度的响应，与硫化氢进行反应时，颜色由黄色逐渐变为无色。但目前的h2s比色气体传感器颜色变化需要依赖大型仪器进行观察，若仅靠肉眼识别难以捕捉颜色变化产生的信息，使得检测精度低。因此，目前的比色气体传感器仅完成了部分的检测工作，未形成一个完整的h2s监测系统，难以突破某些环境的使用限制，尤其是在强光干扰及黑暗无光的环境下，比色传感功能受限。电学传感在不同光环境下拥有较好的稳定性以及选择性，将比色传感与电学传感相结合，能够解决极端光环境下检测工作难进行的问题。同时，结合深度学习的双传感系统能够规避检测过程中高功耗仪器的依赖，实现超低能耗（即无需大型分光仪、色差仪等）、高精度的比色-电学双功能一体化传感系统，进而形成完整的气体传感体系。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种h2s比色/电学传感器及深度学习比色/电学双传感系统。本发明以h2s敏感纳米纤维膜结合pet柔性叉指电极合成h2s比色/电学传感器，结合变色监控平台以及电阻响应模块得到能够直观展现视觉响应的深度学习比色/电学双传感系统，达到“即拍即测”、快速、精准检测气体浓度的效果，实现真正的可视化、超低功耗、高精度的检测优势。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种h2s比色/电学传感器，包括h2s敏感纳米纤维膜和pet柔性叉指电极，所述h2s敏感纳米纤维膜通过静电纺丝工艺固定在所述pet柔性叉指电极上，所述h2s敏感纳米纤维膜为pb(ch3co2)2/pva纳米纤维。将h2s敏感纳米纤维膜结合pet柔性叉指电极，使得传感器能够依据其比色-电阻的双响应特性提高其适用性和应用广泛性。

3、进一步地，所述h2s敏感纳米纤维膜为纳米纤维交错形成的致密网状结构，所述纳米纤维直径为250-400nm，所述h2s敏感纳米纤维膜厚度为0.5-0.7mm。

4、具体的，纳米纤维膜的硫化氢传感灵敏性与其微观结构密切相关，大的比表面积和纤维交错形成的孔隙结构是纳米纤维膜对气体敏感的关键影响因素，更小的纤维尺寸会产生更多的孔隙结构，使得反应能够更快速、更充分，进而提高器件的灵敏度。并且，纤维膜具有一定的厚度，能够保证变色过程中不受pet柔性叉指电极本身颜色的干扰，并且在此厚度下，h2s的气敏传感性能最佳。

5、本发明第二方面提供一种制备h2s比色/电学传感器的方法，包括以下步骤：

6、（1）将三水合乙酸铅、naf以及十二烷基硫酸钠溶于去离子水中获得乙酸铅溶液；

7、（2）将聚乙烯醇缓慢加入乙酸铅溶液中，经水浴加热搅拌获得静电纺丝溶液；

8、（3）通过静电纺丝工艺将所述静电纺丝溶液以h2s敏感纳米纤维膜的形式固定在pet柔性叉指电极上获得所述h2s比色/电学传感器。

9、进一步地，所述三水合乙酸铅：naf：十二烷基硫酸钠：聚乙烯醇的质量比为(0.8-1.2)g：(25-35)mg：(10-20)mg：(2.2-2.6)g，所述步骤（2）中加热搅拌温度为80-90℃，时间为8-10h。

10、进一步地，所述步骤（3）中静电纺丝过程为：使用20、22或24号金属针头，在针头处施加20±1.5kv静电压，微量注射泵的推进速度为1±0.2ml/h，接收器距离针头10±0.5cm。纺丝过程中环境湿度为35%±5%，温度为25±2℃；纺丝时间为8~10h。调整传感器的制备工艺及参数可以改变纳米纤维的各种表面微观形态，如网状、多孔和开放结构，而纳米纤维膜的微观形态影响传感器的气敏性能。

11、本发明第三方面提供一个深度学习比色/电学双传感系统，包括气室、h2s比色/电学传感器、电阻响应模块、变色监控平台、分析模块以及终端；

12、所述h2s比色/电学传感器为前述提供的h2s比色/电学传感器，位于气室内部，用于实时检测h2s气体获得气体浓度信号，并将气体浓度信号转换为颜色变化信号以及电阻变化信号；

13、所述电阻响应模块与所述h2s比色/电学传感器连接，用于实时采集、存储、显示传感器输出的电阻变化信号；

14、所述变色监控平台用于实时采集、存储、显示传感器输出的颜色变化信号；

15、所述分析模块装载于所述终端上，用于分析处理变色监控平台采集到的颜色变化信号，并基于分析处理结果输出h2s浓度；所述终端用于显示h2s浓度检测结果。

16、进一步地，所述变色监控平台包括补光单元、采集单元、存储单元以及显示单元，所述补光单元为led补光灯，所述采集单元为集成的摄像头模组，用于实时采集传感器输出的颜色变化信号，所述存储单元用于存储采集到的颜色变化信号，所述显示单元用于显示颜色变化信号。具体实施方式为，所述变色监控平台利用集成的摄像头模组捕获传感器在h2s环境下的变色图像，在统一光源下拍摄变色样本，样本规格控制一致，然后利用python自带的tkinter库设计的用户图形界面，实时返回拍摄视图，且能手动或者自动拍摄变色图像，存储在本地数据库中。

17、进一步地，所述分析模块利用颜色分割算法对变色监控平台采集到的颜色变化信号分割，通过引入色差公式计算颜色变化信号的色差值δe，基于多层感知机算法设计的h2s浓度预测模型经测算给出h2s浓度。具体实施过程中，引入颜色分割算法将颜色变化信号即颜色响应结果进一步分割，肉眼可见的反应出传感器区域颜色变化的程度，引入cie色差公式，在不外接色差仪的情况下，将颜色响应结果数字化，同时通过多层感知机预测模型，快速的给出所测量的h2s气体浓度。

18、进一步地，所述深度学习比色/电学双传感系统利用电阻响应模块，形成比色-电学双功能一体化传感系统，可以同时检测h2s比色/电学传感器的电阻响应值变化进而检测h2s气体，在强光干扰及黑暗无光的特殊环境下能够避免检测工作停摆。

19、进一步地，所述深度学习比色/电学双传感系统的检测范围为0-100ppm，检测限和分辨率为0.1ppm，比色响应时间小于4s，并且在180天保持性能稳定且强光干扰、黑暗无光场景下也能正常工作。

20、本发明与现有技术相比，有益效果如下：

21、（1）本发明以h2s敏感纳米纤维膜结合pet柔性叉指电极合成h2s比色/电学传感器，结合变色监控平台以及分析模块得到能够直观展现视觉响应的深度学习比色/电学双传感系统，达到“即拍即测”，快速、精准检测气体浓度的效果，实现真正的可视化、超低功耗、高精度的检测优势；并且还增加了电阻响应模块作为深度学习比色/电学双传感系统的响应补偿，以保证深度学习比色/电学双传感系统的完备性。

22、（2）本发明的深度学习比色/电学双传感系统能够实现大范围浓度h2s的检测，检测限低，响应时间短，具有较高的选择性且具有0.1ppm的分辨率，并且稳定性好、浓度检测准确率最高可达99.8%。