植物影像技术在气体传感中的应用
发布时间：2021-01-22 01:41
气体传感器与人们生活的各个领域息息相关。近年来,不断有新的气体传感器被开发出来并商业化。影像技术因其直接、灵敏、快速响应等特性,成为越来越重要的技术工具。而图像处理技术的快速发展,使得通过高灵敏的颜色（RGB）强度变化和位移改变间接检测目标气体成为可能,推动了影像技术在传感器中的应用。本文仅涉及可见光影像技术在气体传感中的应用,基于成像工具和应用领域大致分为两类,其一为低成本的网络摄像头,主要用于检测室内外污染状况和监控个人健康状况等,目标为大众消费市场;另一类则为高清晰度高灵敏度的光学显微镜（包含相机）,以探索成像极限为目标,通过其纳米级分辨率,实现更低的气体检测水平。植物的应激性为其传感提供了可能,其低成本、易得、零污染（乃至负污染）使其成为了很有潜力的传感器。本文搭建了基于影像技术和植物的气体传感平台,主要分为以下两部分:（1）开发了一种低成本的、基于普通网络摄像头和高灵敏图像处理算法的检测方法,用以在线追踪测量植物的生长速率。该方法的检测限约为0.84μm/min。使用这种简单、灵敏的方法,我们追踪了黄豆苗的生长情况,并研究了其生长速率对空气中二氧化碳浓度的响应。研究结果显示,...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１部分典型气体的可检测浓度范围
南京大学硕士学位论文?第一章??的价带空穴数，提升传感器响应至原先的１１５．６倍［４３］；?（４）掺杂贵金属也可通??过化学敏化机制提升响应水平［４４－４７］。除此以外，为改善Ｐ型金属半导体氧化物??传感器的选择性，ＫｉｍＨｙｏ－Ｊｏｏｎｇ等人向ＮｉＯ中掺杂１．１５％Ｃｒ，大大提升了其对??甲基苯系物的选择性（图１．２）?［４８］。??１１．６１??＿?１〇?Ｐｕｒｅ?ＮｉＯ?『議?７?８１?１．５?ａｔ％?Ｃｒ－ｄｏｐ＾ｄ?ＮｉＯ??？，＇：口?禱｜??３?２?０１?＼?Ｋ?２?５９??：§ｔ＾?？??」Ｍ??－：－冰，?ｍ??????ｘｙｌｅｎｅ?ｔｏｌｕｅｎｅ?ｂｅｎｚｅｎｅ?ＨＣＨＯ?Ｅｔｈａｎｏｌ?ｘｙｉｅｍ?ｔｏｌｕｅｎ＃?ｂｅｎｚｅｎｅ?ＨＣＨＯ?Ｅｔｈａｎｏｌ??图１．２具备分级纳米结构的纯净ＮｉＯ?（ａ）和掺杂了?１．１５％Ｃｒ的ＮｉＯ?（ｂ）在４００°Ｃ下对５?ｐｐｍ邻??二甲苯，甲苯，苯，甲醛和乙醇的响应【４８］??将Ｎ型和Ｐ型结合则是未来的一种趋势：Ｎ型传感器的高响应为结合带来??高灵敏度，而Ｐ型传感器对湿度的化学亲和性为降低了传感器的湿度依赖性。??Ｐ－Ｎ纵向连接型结构［４９－５１］、纳米复合材料连接型结构［５２－５５］和以Ｐ型纳米簇装??饰的一维Ｎ型结构［５６，?５７］都是结合的主要形式。??半导体金属氧化物气体传感器的新发展为其带来更为广阔的应用空间，但也相应??地，它会受到高温下工作、功率高等固有条件的限制。??１．１．４光学气体传感器??尽管电化学以及半导体气体传感器非常灵敏，能达到对ｐｐｍ甚至ｐｐｂ级别??的响应，但是电化学气体传感器易受湿度干
南京大学硕士学位论文?第一章??Ｉ?＝?Ｉ〇?ｅｘｐ（—ａＬ）?（１．２）??其中，Ｉ是出射光，Ｈ）则是入射光，ａ代表样品吸光系数，与气样种类及浓度??相关，Ｌ是样品池的光学长度。为了提升传感器的光学响应以降低检测限，前??人设计了?Ｈｅｒｒｉｏｔｔ池等多通道加长型样品池［５９－６１］。??光学气体传感器主要可分为红外（ＮＤＩＲ）、分光光度、可调谐二极管激光??光谱（ＴＤＬＳ）和光声光谱四大类。??ＮＤＩＲ的检测原理是：宽带光源经过两个滤波片入射，其中，一个用作检??测通道，包含有目标气体吸收波带；另一个用作参比通道，需避开其吸收波带。??同时必须保证二者都不包含其他气体的吸收波带。通过目标气体对应波段吸收??的能量，可定量获取其浓度信息。现代ＮＤＩＲ技术常常将包含滤波片的这两个??通道都集成在一个基底上以实现微型化检测，最常用的规格为己实现批量生产、??成本较低的企业标准规格——直径２０ｍｍ，长度为１６．５ｍｍ的柱体［６２，?６３］，也??有直径仅为９ｍｍ的更小产品［６４］出现。目前，ＮＤＩＲ技术己有相当的商业市场，??更有以之作为基础发展而来的遥感开路气体泄漏影像技术（图１．３）?［６５］，这种??技术直观可视，但前提是要保证充足的温度对照。??图１．３瑞典马尔默试验基地气体泄漏的热成像［６５］??分光光度法采用光栅将光源分散，不同波长的光连续照射到待测气样上，??９??
本文编号：2992293
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１部分典型气体的可检测浓度范围
南京大学硕士学位论文?第一章??的价带空穴数，提升传感器响应至原先的１１５．６倍［４３］；?（４）掺杂贵金属也可通??过化学敏化机制提升响应水平［４４－４７］。除此以外，为改善Ｐ型金属半导体氧化物??传感器的选择性，ＫｉｍＨｙｏ－Ｊｏｏｎｇ等人向ＮｉＯ中掺杂１．１５％Ｃｒ，大大提升了其对??甲基苯系物的选择性（图１．２）?［４８］。??１１．６１??＿?１〇?Ｐｕｒｅ?ＮｉＯ?『議?７?８１?１．５?ａｔ％?Ｃｒ－ｄｏｐ＾ｄ?ＮｉＯ??？，＇：口?禱｜??３?２?０１?＼?Ｋ?２?５９??：§ｔ＾?？??」Ｍ??－：－冰，?ｍ??????ｘｙｌｅｎｅ?ｔｏｌｕｅｎｅ?ｂｅｎｚｅｎｅ?ＨＣＨＯ?Ｅｔｈａｎｏｌ?ｘｙｉｅｍ?ｔｏｌｕｅｎ＃?ｂｅｎｚｅｎｅ?ＨＣＨＯ?Ｅｔｈａｎｏｌ??图１．２具备分级纳米结构的纯净ＮｉＯ?（ａ）和掺杂了?１．１５％Ｃｒ的ＮｉＯ?（ｂ）在４００°Ｃ下对５?ｐｐｍ邻??二甲苯，甲苯，苯，甲醛和乙醇的响应【４８］??将Ｎ型和Ｐ型结合则是未来的一种趋势：Ｎ型传感器的高响应为结合带来??高灵敏度，而Ｐ型传感器对湿度的化学亲和性为降低了传感器的湿度依赖性。??Ｐ－Ｎ纵向连接型结构［４９－５１］、纳米复合材料连接型结构［５２－５５］和以Ｐ型纳米簇装??饰的一维Ｎ型结构［５６，?５７］都是结合的主要形式。??半导体金属氧化物气体传感器的新发展为其带来更为广阔的应用空间，但也相应??地，它会受到高温下工作、功率高等固有条件的限制。??１．１．４光学气体传感器??尽管电化学以及半导体气体传感器非常灵敏，能达到对ｐｐｍ甚至ｐｐｂ级别??的响应，但是电化学气体传感器易受湿度干
南京大学硕士学位论文?第一章??Ｉ?＝?Ｉ〇?ｅｘｐ（—ａＬ）?（１．２）??其中，Ｉ是出射光，Ｈ）则是入射光，ａ代表样品吸光系数，与气样种类及浓度??相关，Ｌ是样品池的光学长度。为了提升传感器的光学响应以降低检测限，前??人设计了?Ｈｅｒｒｉｏｔｔ池等多通道加长型样品池［５９－６１］。??光学气体传感器主要可分为红外（ＮＤＩＲ）、分光光度、可调谐二极管激光??光谱（ＴＤＬＳ）和光声光谱四大类。??ＮＤＩＲ的检测原理是：宽带光源经过两个滤波片入射，其中，一个用作检??测通道，包含有目标气体吸收波带；另一个用作参比通道，需避开其吸收波带。??同时必须保证二者都不包含其他气体的吸收波带。通过目标气体对应波段吸收??的能量，可定量获取其浓度信息。现代ＮＤＩＲ技术常常将包含滤波片的这两个??通道都集成在一个基底上以实现微型化检测，最常用的规格为己实现批量生产、??成本较低的企业标准规格——直径２０ｍｍ，长度为１６．５ｍｍ的柱体［６２，?６３］，也??有直径仅为９ｍｍ的更小产品［６４］出现。目前，ＮＤＩＲ技术己有相当的商业市场，??更有以之作为基础发展而来的遥感开路气体泄漏影像技术（图１．３）?［６５］，这种??技术直观可视，但前提是要保证充足的温度对照。??图１．３瑞典马尔默试验基地气体泄漏的热成像［６５］??分光光度法采用光栅将光源分散，不同波长的光连续照射到待测气样上，??９??
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