Разработка и исследование метода измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Новиков Сергей Петрович

• Новиков Сергей Петрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Новиков Сергей Петрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ, ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗИСТИВНЫХ СЕНСОРОВ ГАЗА

1.1. Измерение концентрации газа хеморезистивными сенсорами

1.2 Кинетика и механизмы адсорбции

1.2.1. Модели псевдо-первого и псевдо-второго порядков

1.2.2. Мономолекулярная адсорбция Ленгмюра

1.2.3. Внутричастичная диффузия Вебера

1.2.4. Модель адсорбции Еловича

1.2.5. Модель адсорбции Ричи

1.3. Стандартная методика определения концентрации полупроводниковыми резистивными сенсорами газа

1.4. Проблемы, связанные с проведением измерений хеморезистивными сенсорами газа

1.4.1 Проведение измерений при наличии шума

1.4.2. Влияние скорости потока и температурной стабильности на чувствительность сенсора

1.4.3. Дрейф характеристик сенсора газа

1.4.4. Неселективная чувствительность сенсоров газа

1.5. Подходы к решению проблем, связанных с измерениями хеморезистивными сенсорами газа

1.5.1. Основные методы снижения уровня шума при проведении измерений31

1.5.2. Противодействие дрейфу характеристик

1.5.3. Повышение селективности сенсоров газа

1.6. Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ХЕМОРЕЗИСТИВНЫХ СЕНСОРОВ ГАЗОВ

2.1. Описание исследуемых хеморезистивных сенсоров газа

2.1.1. Сенсоры газов на основе оксидов циркония

2.1.2. Сенсоры газов на основе кремний-углеродных пленок

2.2. Обоснование выбора измеряемых параметров

2.2.1. Измеряемые параметры - скорость изменения сопротивления сенсора газа и ее производная

2.2.2. Измеряемый параметр, учитывающий механизм адсорбции газа

2.3. Разработка метода измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров

2.3.1. Модуль сглаживания данных измерений

2.3.2. Модуль определения начала рабочего режима

2.3.3. Алгоритм модуля проведения измерений в скользящем окне

2.3.4 Алгоритм построения калибровочных зависимостей по выбранным параметрам

2.5. Программное обеспечение для нахождения измеряемых параметров

2.6. Структурная схема измерительной системы хеморезистивых сенсоров газа

2.7. Выводы по главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХЕМОСЕНСОРОВ

3.1. Условия проведения измерений по разработанному методу

3.2. Исследование сенсора на основе кремний-углеродного материала (КУМ), легированного медью на воздействие газом

3.2.1. Исследования отклика сенсора на диоксид серы

3.2.2. Построение калибровочных зависимостей по откликам на диоксид серы

3.2.3. Оценка погрешности и концентрации диоксида серы

3.2.4. Исследования отклика сенсора на диоксид азота

3.2.5. Построение калибровочных зависимостей по откликам на диоксид азота

3.2.6. Оценка погрешности и концентрации диоксида азота

3.2.7. Исследования отклика сенсора на оксид углерода

3.2.8. Построение калибровочных зависимостей по откликам на оксид углерода

3.2.9. Оценка погрешности и концентрации оксида углерода

3.2.10. Исследования отклика сенсора на пары этанола различной концентрации

3.2.11. Построение калибровочных зависимостей по откликам на этанол

3.2.12. Оценка погрешности и концентрации этанола

3.2.13. Оценка концентрации и определение погрешности по калибровочным прямым в пространстве (1111) при воздействии этанола

3.3. Исследование сенсора состава SiO2ZrOx на воздействие газом

3.3.1. Исследование отклика сенсора на диоксид азота

3.3.2. Построение калибровочных зависимостей по откликам на диоксид азота

3.3.3. Оценка погрешности и концентрации диоксида азота

3.3.4. Исследование отклика сенсора на воздействие кислорода

3.3.5. Построение калибровочных зависимостей по откликам на кислород

3.3.6. Оценка погрешности и концентрации кислорода

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИДЕНТИФИКАЦИИ ГАЗОВ ЕДИНИЧНЫМ ХЕМОРЕЗИСТИВНЫМ СЕНСОРОМ

4.1. Метод идентификации газа единичным хеморезистивным сенсора из известного набора

4.2. Идентификация газа с помощью разработанного метода, оценка его концентрации и определение погрешности

4.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы

Сенсоры газов из полупроводниковых материалов на основе оксидов металлов обладают высокой чувствительностью к газам самой различной природы и нашли широкое применение в мониторинге окружающей и производственной среды. К ним сохраняются требования минитюаризации, портативности, простоте и цене производства, а также низкого порога чувствительности, селективности и стойкости к внешним воздействиям. Сенсоры газов на наноструктурах, позволяющие эти требования выполнять, часто проявляют нестабильный отклик, всегда присутствуют проблемы с дрейфом и зашумленностью сигнала, перекрестная чувствительность к различным типам газов затрудняет их применимость. Подбор различных композиций материалов для чувствительных элементов эти проблемы решает частично [1].

Низкая селективность является одной из важных проблем полупроводниковых сенсоров. В качестве её решения проводятся множественные изыскания, применительно к задачам газового анализа [2, 3]. Для этого производят модификацию поверхности полупроводников, разрабатывают и исследуют новые покрытия, используют сенсоры на основе арсенида галлия и других материалов. Существуют и другие методы для улучшения селекции целевых газов.

Особую актуальность имеют различные методы измерений, позволяющие, применять их в портативных устройствах, решить вопросы калибровки, дрейфа, стабильности работы сенсоров газа в соответствии с областью применений. Одной из задач, решаемых новыми методами измерений, является улучшение линейности калибровочной зависимости и как следствие повышение точности измерений. При этом использование метода калибровки посредством поверочных газовых смесей требует лабораторное и контрольное измерительное оборудование, что сложно и неудобно [4].

Данный метод калибровки требует уменьшение периодичности, очень дорог и практически нереализуем для портативного газоанализатора [5]. Актуальна задача поиска для калибровки измеряемых параметров, которые позволят уменьшить ошибку измерений [6], менее подверженных действию агрессивных сред.

В некоторых ранее опубликованных научных работах рассматривались различные варианты обработки отклика сенсоров, которые могут помочь идентифицировать компоненты целевого газа с выделением характеризующих его параметров. Данную информацию при этом можно использовать для повышения селективности обнаружения целевых веществ, примесей и добавок [7,8].

Использование для обработки отклика сенсоров метода главных компонентов и нейросетевых технологий, требует большого объёма данных, достаточно сложных вычислений и, соответственно, энергозатрат, что затрудняет использование их в портативных интеллектуальных устройствах.

Повышение качества работы полупроводниковых сенсоров возможно за счет выявления измеряемых параметров, которые имеют более тесную связь с концентрацией газа и отклик на воздействие среды которых наступает быстрее. В связи с этим, формирования набора измеряемых параметров, необходимых для идентификации компонентов газовой смеси и обладающих устойчивостью и воспроизводимостью при измерении играет важную роль. Параметры динамики отклика сенсора могут отвечать указанным требованиям, их использование в качестве измеряемых позволит не дожидаться наступления установившегося режима при ступенчатой подаче газа для определения его концентрации и сократить время снятия показаний, а также будет решать задачи одновременного распознавания детектируемого газа и его количественной калибровки на одном сенсоре, использовав в качестве чувствительного элемента материалы, обладающие высокой чувствительностью, но малой селективностью. Таким образом, определена актуальность разработки метода измерений концентрации компонентов

газовой смеси хеморезистивными сенсорами, основанном на измерении параметров динамики отклика сопротивления на воздействие среды.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газов»

Цель работы:

Разработка и исследование метода измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газов для повышения их быстродействия и снижения погрешности.

Для достижения цели нужно решить следующий набор задач:

1. Анализ факторов, оказывающих влияние на погрешность измерений, время измерения концентрации хеморезистивными сенсорами газа и методов повышения их селективности, снижения влияния шума и дрейфа сигнала.

2. Теоретические исследования, разработка метода измерения концентрации газа с использованием различных измеряемых параметров хеморезистивных сенсоров, сокращающих время и относительную погрешность измерений, программная их реализация.

3. Экспериментальное исследование функциональных характеристик сенсоров газов на основе оксидных и кремний-углеродных материалов с применением разработанного метода.

4. Разработка метода идентификации компонента газовой смеси единичным хеморезистивным сенсором и его апробация для сенсоров газа на основе кремний-углеродных материалов.

Научная новизна:

1. Установлено, что взаимодействие хеморезистивных сенсоров на основе КУМ, легированного медью с диоксидом азота, диоксидом серы, оксидом углерода и хеморезистивных сенсоров на основе материала состава SЮ2ZЮx с диоксидом азота и кислородом описывается кинетическим уравнением адсорбции Еловича.

2. Показано, что для хеморезистивных сенсоров на основе КУМ, легированного медью, а также сенсоров состава SЮ2ZЮx калибровочные

зависимости, построенные по минимумам скорости и максимумам производной скорости изменения сопротивления, имеют более высокую степень линейности, чем калибровочные зависимости, построенные по амплитуде отклика сопротивления при ступенчатом воздействии газа.

3. Разработан метод измерения концентрации газов хеморезистивными сенсорами, отличительной особенностью которого является использование при ступенчатом воздействии газов в качестве измеряемых параметров минимума скорости и максимума производной скорости изменения сопротивления сенсора, а также коэффициента наклона аппроксимирующей прямой уравнения адсорбции Еловича.

4. Установлена возможность идентификации газов единичным неселективным хеморезистивным сенсором по положению концентрационной зависимости в пространстве измеряемых параметров: минимума скорости изменения сопротивления, максимума производной скорости при ступенчатом воздействии газа, коэффициента наклона аппроксимирующей прямой уравнения Еловича, для случаев, когда в рабочем диапазоне концентраций для каждого газа эта зависимость является прямой и непересекающейся.

Практическая значимость работы:

1. Разработано программное обеспечение, реализующее разработанный метод измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газа по динамическим параметрам отклика.

2. Применение разработанного метода измерения функциональных характеристик для сенсоров газов на основе КУМ, легированных медью, а также на основе материала состава SiO2ZrOx, позволяет сократить время в 2,56,2 раза и проводить измерения с меньшей в 1,8-15 раз относительной погрешностью.

3. Применение разработанного метода идентификации компонента газовой смеси для сенсоров газов на основе КУМ, легированных медью, позволяет идентифицировать газы в диапазоне концентраций 10-50 ррт, с

наименьшей относительной погрешностью 3,3 % для SO2, 2 % для N0^ 2 % для СО.

4. Разработана структурная схема измерительной системы хеморезистивных сенсоров газа для использования в качестве прибора контроля и определения концентрации газа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газа, позволяющий сократить время и снизить погрешность измерений концентрации.

2. Результаты исследования функциональных характеристик резистивных сенсоров газа, на основе кремний-углеродных материалов, легированных медью, и на основе материала состава SЮ2ZЮx с применением разработанного метода и методики по ГОСТ Р МЭК 61207-1-2009.

3. Метод идентификации компонента газовой смеси единичным неселективным сенсором на основе построения зависимостей в пространстве измеряемых параметров: минимума скорости изменения сопротивления, максимума производной скорости при ступенчатом воздействии газа, коэффициента наклона аппроксимирующей прямой уравнения Еловича в рабочем диапазоне концентраций.

4. Результаты реализации метода идентификации сенсором на основе КУМ, легированных медью, для диоксида азота, диоксида серы и оксида углерода.

Реализация результатов работы:

Часть рaбoт го диссeртaциoннoму исслeдoвaнию выголнялась в рамках Фeдeрaльнoй цeлeвoй прoгрaммы «Исслeдoвaния и рaзрaбoтки го приoритeтным нaпрaвлeниям развития нaучнo-тeхнoлoгичeскoгo кoмплeксa Рoссии на 2014 - 2020 годы» го тeмe: «Рaзрaбoткa и сoздaниe крeмний-углeрoдных функциoнaльных тoнкoплeнoчных мaтeриaлoв, лeгирoвaнных

чaстицaми мeтaллoв, с измeняющeйся элeктрoпрoвoднoстью в рeзультaтe внeшних вoздeйствий примeняeмых для сoздaния сeнсoрoв гaзoв и элeктрoдoв суперконденсаторов» (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57517X0126).

Имеются акты, подтверждающие внедрение результатов диссертационного исследования: при выполнении работ в рамках научных исследований, проводимых на базе кафедры техносферной безопасности и химии (ТБХ), а также в учебном процессе кафедры ТБХ в курсах «Методы обработки данных. Экологический мониторинг» и «Информационные технологии в сфере безопасности», при разработке программных продуктов в ООО «Нейросетевые технологии» (г. Таганрог), а также при выполнении опытно-конструкторских работ в ООО НПО «Турбулентность-ДОН» (г. Ростов-на-Дону).

Достоверность полученных результатов определяется характеристиками используемой аппаратуры, использованием современных методов исследования, апробированных на хеморезистивных сенсорах различных типов; согласованностью расчетных и апостериорных данных; соответствием между фундаментальной теорией и результатами исследования разработанного метода.

При вымл^нии исслeдoвaтeльских рaбoт в рaмкaх диссeртaции испoльзoвaлoсь oбoрудoвaниe ЦКП «Микрoсистeмнoй тeхники и интeгрaльнoй сeнсoрики» Южнoгo фeдeрaльнoгo унивeрситeтa.

Апробация работы:

Oснoвныe научныe рeзультаты диссeртациoннoй рабoты были прeдставлeны на различных конференциях всероссийского и международного уровня, в том числе: IX Международной конференции «Системный анализ, управление и обработка информации», (с. Дивноморское, 2018 г.), 20-й Всероссийской национальной молодежной научно-практической конференции «Фундаментальные основы, теория, методы и средства

измерений, контроля и диагностики» 2019 г., VI Всерoссийскoй таучгой ганференции и шгалы для мoлoдых ученых (с междунaрoдным учaстием) «Системы oбеспечения технoсфернoй безoпaснoсти», (г. Тaгaнрoг, 2019 г.), XXXIII международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-33 (г. Санкт-Петербург, 2020 г.), V Всерoссийскoй нaучнo-прaктическoй ганференции с междунaрoдным учaстием «Исследoвaние и прoектирoвaние интеллектуaльных систем в aвтoмoбилестрoении, aвиaстрoении и мaшинoстрoении» («ISMCA 2021»), XXVII Междунaрoднoй нaучнo-техническoй кoнференции студентов и ara^arnoB «Рaдиoэлектрoникa, электрoтехникa и энергетик» (г. Москва, 2021 г.), XV Всероссийской научной конференции молодых ученых «наука. Технологии. Инновации» (секция «Фундаментальное материаловедение и наноматериалы») (г. Новосибирск, 2021 г.), IIT&MM-2022 «Интеллектуальные информационные технологии и математическое моделирование» (с. Дивноморское, 2022 г.), XXII Междунaрoдной таучной ганференции (ШМУ) «Химия и инженернaя экoлoгия» (г. Казань, 2022 г.), XXX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Л0М0Н0С0В-2023» (г. Москва, 2023 г.).

Публикации:

По теме диссертации основные результаты опубликованы в восемнадцати печатных работах, из них три статьи в журналах из перечня изданий ВАК (категории К2), рекомендуемых для публикации работ по специальности 2.2.2 «Электронная компонентная база микро- и наноэлектроники, квантовых устройств» и две статьи в научных рецензируемых изданиях входящих в базы данных Scopus и Web of Science (Q2 и Q3, что соответствует категории ВАК К1). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019610347.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 126 наименований отечественных и иностранных авторов, а также приложений. Общий объем изложенной работы составляет 162 страницы, включая 94 рисунка, 32 формулы и 10 таблиц. Акты о внедрениях представлены в приложениях.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ, ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗИСТИВНЫХ

СЕНСОРОВ ГАЗА

1.1. Измерение концентрации газа хеморезистивными сенсорами

Сeнсoрные элементы резистивного типа обычно состоят из полупроводника на нагреваемой подложке с гaзoчувствитeльным слoем. Общепринятый дизайн конструкции хеморезистивного сенсора проиллюстрирован на рисунке 1.1. В обычном случае в такого типа сенсорах используется дополнительный нагреватель, так как при высокой рабочей температуре порядка сотен градусов улучшается чувствительность некоторых оксидных структур.

Рисунок 1.1 - Схема типового сенсора: 1 - газочувствительная поверхность; 2 - подложка; 3 - нагревательный элемент; 4 - колпачок; 5 -соединительные выводы; 6 - корпусное основание; 7 - изоляция; 8 -контакты [4]

Чувствш^льную чaсть хeмoрeзистивных сeнсoрoв в основном изгoтaвливaют из пoлупрoвoдникoв та oснoвe бинарных соединений металлов с кислородом [1, 9, 10]. К сeнсoрным элeмeнтaм oтнoсятся пoлупрoвoдники с элeктрoннoй прoвoдимoстью та oснoвe oксидoв мeтaллoв ^п, 7п, Cd, Сг, Ti, V, Wh др.), oргaничeскиe пoлупрoвoдники (пoлиaкрилoнитрил), пoлeвыe трaнзистoры нa тoнких плeнкaх. Вeличинaми для измерений мoгут быть: разность потенциалов, заряд или емкость, прoвoдимoсть, изменение

резистивности, которые изменяются при воздействии веществом аналита (рисунок 1.2).

Хеморезистивные сенсоры могут работать на принципах химических реакций, при которых аналитический сигнал возникает посредством химического взаимодействия компонента с чувствительным слоем, необходимого к определению [10,11]. Перемена электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при возникновении адсорбции на его поверхности газов может быть эффективна для использования сенсоров газа в приборах анализа и сигнализаторах опасных концентраций токсичных газов [12].

Рисунок 1.2 - Способы работы полупроводниковых газочувствительных сенсоров [10]

Абсорбция поверхностью сенсора газов молекул - доноров или акцепторов электронов, таких газов как СО, СН4, Б02, паров С2Н5ОН и других, приводит к уменьшению или увеличению поверхностного сопротивления, которое пропорционально концентрации за счет осажденных молекул газа. Сопротивление увеличивается или уменьшается в зависимости от типа целевого газа и типа проводимости газочувствительного материала. Сопротивление и концентрация детектируемого газа связаны между собой функциональной зависимостью. Изменение сопротивления прекращается,

когда система приходит в равновесное состояние. Рассматривая многокомпонентную систему, состоящую из поверхностных слоев, рассматривается тот компонент, который сильнее уменьшает межфазное натяжение в однокомпонентной системе, так как при этом изменяется его общая структура (сгущение, уплотнение) [13].

Молекулы газа, находящиеся в приповерхностном слое, могут взаимодействовать с различными дефектами на границах и на поверхности, при этом не исключены реакции и между адсорбированными молекулами. Основные происходящие процессы, отображены на схеме (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема взаимодействия чувствительной поверхности с газом [10]

Электроны являются основными носителями заряда в полупроводниках ^типа, таких как оксид олова. Отклик резистивного элемента при воздействии газом с изменяемой концентрацией детектируемых газовых примесей определен как разность начального и установившегося после воздействия сопротивления чувствительного слоя полупроводника [9].

Полупроводниковые хеморезистивные сенсоры реагируют на присутствие в атмосфере широкого спектра газов.

На производительность сенсора большое влияние оказывает конструкция сенсорного устройства, состоящая из набора компонентов. На рисунке 1.4 показана схема хеморезистивного сенсора газа, состоящая из аналоговой и цифровой части, которые взаимодействуют друг с другом.

Сенсор должен быть оснащен нагревателем, поскольку большинство их работают при температуре в диапазоне 100-450 °С. При этом распространена конструкция, когда чувствительный элемент расположен на одной стороне — верхней части подложки, а нагреватель на нижней стороне. Там же расположен термометр, который через интерфейс взаимодействия управляет подержанием заданной температурой нагревателя. Аналогово-цифровой преобразователь, который после получения отклика физического изменения сигнала от чувствительного элемента, преобразует его в электрический сигнал и далее в цифровой формат. После этого передает на устройство интерпретации, где, используя выбранный метод измерений на выходе получаются значения измеряемых параметров при воздействии газом на чувствительный элемент, которые можно использовать для определения концентрации газа.

Пути улучшения параметров сенсора могут идти двумя направлениями, за счет модификации и улучшения аналоговой части, например применением новых материалов, подбором набора измеряемых параметров и цифровой части, которая отвечает за интерпретацию проводимых измерений.

Рисунок 1.4 - Схема хеморезистивного сенсора газа [10]

В последнее время активно ищутся способы улучшения чувствительности газовых сенсоров на основе оксидов металлов при низких температурах, сохраняя при этом низкие пределы обнаружения газов. Эти сенсоры уже обладают высокой чувствительностью, низким пределом обнаружения и быстрым временем реакции при достаточно низкой комнатной температуре, однако их производство сложно и дорого.

Таким образом, основные проблемы хеморезистивных сенсоров -деградация материала, высокий предел обнаружения газа, низкая чувствительность и селективность - могут быть решены в том числе разработкой и применением новых методов измерений.

1.2 Кинетика и механизмы адсорбции

Теоретические модели изотермической адсорбции описывают поведение адсорбции в мельчайших деталях. Эти модели объясняют, как адсорбат взаимодействует с адсорбентом, механизм их взаимодействия, а также роль адсорбента в существовании и процессе адсорбции газа [15]. Данные изотермы равновесия, генерируемые моделями с двумя или тремя параметрами, могут быть использованы для изучения механизмов адсорбции, свойств поверхности и сродства к адсорбенту. В результате обеспечение взаимной корреляции экспериментальных кривых равновесия имеет решающее значение для оптимизации параметров при проектировании адсорбционных систем.

Адсорбция - это процесс, в котором на временные зависимости оказывает влияние механизм диффузии, т. е. поступление адсорбата к месту адсорбции. По областям адсорбции бывают: внешнедиффузионная и внутридиффузионная. Мгновенные процессы на открытой поверхности можно отнести к внешнедиффузионной области; тогда основные законы диффузии не специфичны для адсорбции. Применение адсорбентов с

наличием пористой структуры, кроме внешней диффузии, затрагивает и внутреннюю [16].

Скорость поглощения газа определяется с помощью анализа кинетики адсорбции, и эта скорость точно контролирует поглощение в зависимости от времени на границе раздела твердое вещество-газ. Степень адсорбции газа сначала высокая, затем неуклонно снижается, пока не достигнет равновесия.

Для анализа кинетики адсорбции применяют, в основном, следующие модели: псевдо-первого порядка, псевдо-второго порядка, Вебера, Еловича и Ричи [17].

1.2.1. Модели псевдо-первого и псевдо-второго порядков

Кинетика адсорбции зависит от взаимодействия адсорбат-адсорбент и состояния системы. Двумя важными элементами оценки для блока управления процессом адсорбции являются механизм и скорость взаимодействия. Скорость поглощения вещества определяет время пребывания, необходимое для завершения реакции адсорбции, и может быть определена на основе кинетического анализа. Чтобы отличить уравнение кинетики, основанное на концентрации раствора и адсорбционной способности твердого вещества, уравнение скорости Лагергрена первого порядка было названо уравнением псевдопервого порядка [18, 19, 20]

В течение последних трех десятилетий уравнение кинетики также применяется при рассмотрении адсорбции загрязняющих веществ. Согласно уравнениям кинетической модели, для отслеживания кинетики адсорбции использовались псевдо-кинетические модели первого порядка (рисунок 1.3). Таким образом, уравнение псевдо-первого порядка, полученное Лагергреном можно выразить [21]:

где - максимальное значение величины сорбции (мг/г); - величина адсорбции через время t от начала сорбции (мг/г); Кг - константа скорости адсорбции (мин-1).

Прямая линия с наклоном а - К и пересечением 1п де получается из графика зависимости 1п (де - д) от t.

Для константы скорости процесса химической сорбции псевдо-второго порядка, проводится интегрирование для граничных условий от t = 0 до t = t.

Для оценки кинетики адсорбции также можно использовать псевдокинетическую модель второго порядка [19]:

к2Че

(1.2),

где значения К2 (константа скорости адсорбции (г/мг-мин)) и де для количества адсорбированного газа рассчитываются с использованием графика зависимости от t. (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Применение кинетических моделей к данным, собранным при адсорбции СО2 на поверхности: (а) псевдо-первого порядка; (б) псевдовторого порядка [22].

1.2.2. Мономолекулярная адсорбция Ленгмюра

Теория адсорбции Ленгмюра рассматривается с точки зрения учета ограничений на адсорбционный объем и представленную поверхность

адсорбента. Допущения, которые необходимо учесть:

- локализация адсорбции (молекулы по поверхности не перемещаются) на отдельных адсорбционных центрах, наличие мономолекулярного слоя, т.е. каждый центр взаимодействует только с одной молекулой адсорбата;

- выделенные центры адсорбции энергетически эквивалентны - наличие эквипотенциальной поверхности;

- нет взаимодействия адсорбированных молекулы друг с другом [13]. Иcпoльзуя мoдель Ленгмюрa при рaccмoтрении oткрытoй пoверхнocти,

неcлoжными преобразованиями выражается кинетичеcкoе урaвнение aдcoрбции. Рaзнocть cкoрocтей aдcoрбции и деcoрбции рaccмaтривaетcя кaк cкoрocть, которая приближает рaвнoвеcие dв/dt, при этом в - степень зaпoлнения мoлекулaми гaзa пoверхнocти cенcoрного элемента. Соответственно c кинетичеcкoй тoчкoй зрения, что cкoрocти тaких прoцеccoв прoпoрциoнaльны кoнцентрaциям реaгирующих вещеcтв, пo лучим:

^=ка(1-в)-кдв (1.3),

где ка и кд - константы скорости адсорбции и десорбции (г/мг-мин), или преобразовав:

% = ка^в^(1-вт) (1.4),

где т - параметр модели, зависящий от условий. Давление в газовой фазе принимается постоянным.

1.2.3. Внутричастичная диффузия Вебера

Вебер предположил эмпирическую связь с четырьмя параметрами в широком диапазоне адсорбционных систем, что обеспечивает отличную интерпретацию структуры данных [23]:

ц, = К111/2 + С (1.5)

Параметры К - коэффициент скорости диффузии, ммоль/(г-мин1/2), С -константа, связанная с толщиной пограничного слоя, могут быть рассчитаны

с использованием линейного графика зависимости дг от - значение

величины сорбции во времени.

Процесс адсорбции (начальный крутой подъем) контролируется внешнем барьером массопереноса вокруг частиц. Второй линейный сегмент, который контролируется внутричастичной диффузией, охватывает общие процессы адсорбции. Если графики не проходят через начало координат (рисунок 1.6), это означает, что диффузия в порах не является единственным ограничивающим скорость шагом; дополнительные кинетические модели, которые могут работать одновременно, также могут ограничивать скорость адсорбции [24].

1.2.4. Модель адсорбции Еловича

Первоначально уравнение было разработано для описания кинетики хемосорбции газа на твердых телах [11, 13].

«те*15 (min.") Int (min.)

Рисунок 1.6 - Применение кинетических моделей к данным, собранным при адсорбции CO2 на поверхности: диффузия Вебера внутри частиц (а); модель Еловича (б) [22]

Кинетический принцип подразумевает, что центры адсорбции экспоненциально расширяются при адсорбции, подразумевая многослойную адсорбцию [25, 26]. Преобразованные версии модели Еловича, следующие [22]:

^ = КЕРеехр^ (1.6)

Чт Чт

линейная форма, выглядит:

1п£ = 1п КЕ Ят- ^ (1.7)

"е Чт

где: - максимальное значение величины сорбции (ммоль/г); -максимальная адсорбционная емкость (ммоль/г); КЕ - константа адсорбционного равновесия (дм3/ммоль); Ре - парциальное давление.

Уравнение Еловича описывает случаи, когда активные центры адсорбента неоднородны, что приводит к изменению энергий активации хемосорбции. В [22] показано, что при адсорбции С02 на пористых наносферах из магнетита Fe304 по мере увеличения количества газа выделяются две константы: определяющая начальную скорость адсорбции (которая связана со скоростью хемосорбции) - увеличивалась и константа, связанная с покрытием поверхности, которая снижалась.

1.2.5. Модель адсорбции Ричи

Модель Ричи предполагает, что скорость адсорбции зависит от незанятых участков адсорбции и что процесс адсорбции является реакцией второго порядка [27]. Она рассматривается как альтернатива модели Еловича.

Интегральная форма уравнения кинетики:

111

+ Т (1.8),

(аЯе*) Че

где а - постоянная скорость адсорбции (мг г -1 мин-1); график — против 1

41 £

должен представлять собой прямую линию.

1.3. Стандартная методика определения концентрации полупроводниковыми резистивными сенсорами газа

Определение концентрации, проводимое с применением полупроводниковых сенсоров хеморезистивного типа, основано на изменении

сопротивления газочувствительного слоя в результате адсорбции молекул примеси исследуемого вещества при прокачке потока газа [28].

Одним из свойств резистивного полупроводникового сенсора является электропроводность чувствительного слоя, которая пропорциональна концентрации целевого газа при воздействии. Для газочувствительного слоя полупроводником может быть использована поликристаллическая пленка полупроводниковых оксидов металла или других материалов. Измеряемым аналитическим сигналом хеморезистивного сенсора газа выступает сопротивление чувствительного слоя или аналоговый сигнал напряжения [29]. Уменьшение или увеличение сопротивления чувствительного элемента сенсора зависит от типа проводимости полупроводникового материала и газа, окислитель или восстановитель.

Согласно стандартной методике измерений по ГОСТ Р МЭК 61207-12009, процесс измерения прекращается при достижении номинального времени установления показаний (выходного сигнала) 0,9 Тном. Таким образом, тном - время насыщения, при котором молекулы газа прекращают осаждение на сенсоре, и изменение сигнала выхода окончено, на практике достаточно продолжительно (рисунок 1.7).

Для проведения измерений, необходимо построить эталонную калибровочную прямую, при этом используется газовая смесь с заданной концентрацией, проводится измерение разности сопротивления с момента подачи газа, до момента насыщения, по уровню 0,9 Тном. После этого, проведя серию измерений с различными концентрациями газа, усреднённое значение по каждой концентрации используется для построения калибровочной прямой.

Рисунок 1.7 - Графическое отображение сигнала с параметрами

Определение концентрации происходит следующим образом: проводится измерение разности сопротивления с момента ступенчатого изменения входной измеряемой величины до момента, когда изменение выходного сигнала достигает (и остается выше) 10 % его амплитудной разности с установившимся значением. Далее, используя предварительно построенную калибровочную прямую, определяется текущая концентрация газа, путем построения проекции на ось концентрации.

1.4. Проблемы, связанные с проведением измерений хеморезистивными

сенсорами газа

1.4.1 Влияние шума на измерения

Шумы в получаемых с сенсоров сигналах способны существенно влиять на общую оценку получаемых значений при проведении измерений. В качестве причин возникновения шума можно рассмотреть плохие контакты при присоединении, процессы, проходящие внутри структуры сенсорного элемента, такие как скачки тока, стационарный шум прибора измерения и другие.

Описание адсорбционного поведения детектируемых газов на полупроводниковых сенсорах в целом сложны, хотя некоторые феноменологические поведения являются общими для многих систем сенсор-газ. При воздействии на полностью десорбированный химический сенсор целевого газа, сигнал часто можно описать как возрастающую экспоненту. Математически это можно выразить

Б(Х)=Ё88(р)(1-е-1/^) (1.9)

где р - парциальное давление / концентрация газа, т (р) - экспоненциальная постоянная времени как функция давления и §33(р) установившийся сигнал как функция концентрации.

В сенсорных системах можно отследить установившийся сигнал, §55(р). Такой сигнал может быть просто определен, однако, поскольку он является квази-постоянным сигналом, низкочастотные составляющие 1//-шума значительно ухудшаются.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Новиков Сергей Петрович, 2024 год

Список использованных источников

1. Петров, В.В. Исследование процесса получения и свойств наноразмерного материала состава SIO2SnOXCuOY, для сенсора газа [Текст] / В.В. Петров, Т.Н. Назарова, Н.Ф. Копылова, А.А. Вороной // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2011. - Т. 117, №2 4. - С. 123128.

2. Sauter, D. Development of Modular Ozone Sensor System for application in practical use [Text] / D. Sauter, U. Weimar, G. Noetzel [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2000. - Vol. 69. - № 1-2. - P. 1-9.

3. Обвинцева, Л. А. Определение хлора и диоксида хлора в воздухе полупроводниковыми сенсорами / Л. А. Обвинцева, Д. П. Губанова // Журнал аналитической химии. - 2004. - Т. 59, № 8. - С. 871-875.

4. Sorocki, J. A Prototype of a Portable Gas Analyzer for Exhaled Acetone Detection [Text] / J. Sorocki, A. A. Rydosz // Applied Sciences - 2019. - Vol. 9(13). - P. 2605.

5. Isaienko, O. Determination of the sensitive layer temperature of the adsorption-semiconductor gas sensor [Text] / N. Maksymovych, V. Yatsimirsky // Sensors and Actuators B - 2005. - Vol. 108. - P. 134-142.

6. Utembe, S. Solid state ozone sensors for the future: light weight, low power and continuous operation [Text] / S. Utembe, G.M. Hansford, M.G. Sanderson [et al.] // Lbid. - 2006. - Vol. 114. - P. 507-512.

7. Свирепова, М. С. Анализ данных исследовательских испытаний легированных кремний-углеродных покрытий в химически агрессивных средах [Текст] / М. С. Свирепова, С. П. Новиков // Вестник молодёжной науки России. - 2019. - № 2. - С. 50.

8. Новиков, С. П. Анализ данных отклика чувствительных элементов сенсоров газа в химически агрессивных средах [Текст] / С. П. Новиков, М. С. Свирепова, Н. К. Плуготаренко // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ. - 2019. - Т. 3. - С. 90-93.

9. Chapter Fourteen - Integrated CMOS-based sensors for gas and odor detection [Text] / P.K. Guha, S. Santra, J.W. Gardner // Semiconductor Gas Sensors (Second Edition) Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials -2020, P. 465-487

10. Nikolic, M.V. Semiconductor Gas Sensors: Materials, Technology, Design, and Application [Text] / M.V. Nikolic, V. Milovanovic, Z.Z. Vasiljevic, Z. Stamenkovic // Sensors - 2020. - Vol. 20. 6694. DOI: 10.3390/s20226694

11. Hamdaoui, O. Modeling of adsorption isotherms of phenol and chlorophenols onto granular activated carbon: Part I. Two-parameter models and equations allowing determination of thermodynamic parameters [Text] / O. Hamdaoui, E Naffrechoux // Journal of Hazardous materials - 2007. - Vol. 147. - P. 381-394.

12. Cat, V.V. Realization of graphene oxide nanosheets as a potential masstype gas sensor for detecting NO2, SO2, CO, and NH3 [Text] / V.V. Cat, N.X. Dinh, V.N. Phan [et al.] // Mater. Today Commun. - 2020. - Vol. 25. - P. 101682. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2020.101682

13. Reddy, B.V.N. Materials for Conversion of CO2 [Text] / B.V.S. Reddy; N.S. Kumar [et al.] // Biointerface Research in Applied Chemistry - 2021. - Vol. 12. - p. 486-497, DOI: 10.33263/BRIAC121.486497.

14. Кечкина, Н.И. Оптический химический сенсор для мониторинга сероводорода в воздухе: дис. ... канд. техн. наук: 05.11.13. - Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева, Москва, 2017 - 100 с.

15. Hassan, N. Synthesis and characterization of ZnO nanoparticles via zeolitic imidazolate framework-8 and its application for removal of dyes [Text] / N. Hassan, A. Shahat, A. El-Daidamony [et al.] // Journal of Molecular Structure -2020 - P. 128029, DOI:10.1016/j.molstruc.2020.128029.

16. Sarbak Zenon. Adsorpcja i adsorbenty. Teoria i zastosowanie: Монография. - Wydawnictwo Naukowe UAM: Poznan, 2000. - 168 c.

17. Jaya, A. Phenotypical Effect of Phosphodiesterase 5 (PDE5) Inhibitor on Behavioral Activities of Fruit Fly Drosophila melanogaster [Text] / A. Jaya, E. Wahyudin, Y.Y. Djabir [et al.] // Biointerface Research in Applied Chemistry -

2021. - Vol. 12. - P. 222-229. D0I:10.33263/BRIAC121.222229.

18. HO, Y. S. A comparison of chemisorption kinetic models applied to pollutant removal on various sorbents [Text] / Y. S. HO, G. McKAY // Process Safety and Environmental Protection - 1998. - Vol.76. - P. 332-340.

19. HO, Y. S. The kinetics of sorption of divalent metal ions onto sphagnum moss peat Water Research [Text] / Y. S. HO, G. McKAY // Water Research. - 2000.

- P. 735-742. DOI:10.1016/S0043-1354(99)00232-8

20. HO, Y. S. Sorption of dye from aqueous solution by peat [Text] / Y. S. HO, G. McKAY // Chemical Engineering Journal. -1998. - Vol. 70. - P. 115-124.

21. Цвет, М. С. Хроматографический адсорбционный анализ / М. С. Цвет. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 206 с. — (Антология мысли). — ISBN 978-5-534-04218-4. — Текст: электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/514859 (дата обращения: 16.03.2023).

22. El-Desouky, Mohamed G. Low-Temperature Adsorption Study of Carbon Dioxide on Porous Magnetite Nanospheres Iron Oxide [Text] / Mohamed G. El-Desouky, Ashraf A. El-Bindary, Mohamed A. El-Bindary // Biointerface Research in Applied Chemistry. - 2021. - Vol. 12. - P. 6252-6268. DOI: 10.33263/BRIAC125.62526268

23. Vijayaraghavan, K. Biosorption of lanthanide (praseodymium) using Ulva lactuca: Mechanistic study and application of two, three, four and five parameter isotherm models [Text] / K. Vijayaraghavan // Journal of Environment Biotechnology Research. - 2015. - Vol. 1. - P. 10-17. DOI:10.1155/2010/804854

24. El-Bindary, M. Adsorption of industrial dye from aqueous solutions onto thermally treated green adsorbent: A complete batch system evaluation [Text] / M. El-Bindary, M. El-Desouky, A. El-Bindary // Journal of Molecular Liquids. - 2021.

- Vol.346. - P. 117082.

25. Gubernak, M. Analysis of amylbenzene adsorption equilibria on an RP-18e chromatographic column [Text] / M. Gubernak, W. Zapala, K. Kaczmarski // Acta Chromatographics - 2003. - Vol. 13. - P. 38-59.

26. El-Desouky, M.G. Biological, Biochemicaland Thermochemical

Techniques for Biofuel production: an Updated Review [Text] / M.G. El-Desouky, M.A. Khalil, A.A. El-Bindary, M.A. El-Bindary // Biointerface Resarch in Applied Chemistry. - 2022.- Vol. 12. - P. 3034-3054. DOI:10.33263/BRIAC123.30343054

27. Y. Urfa Gamma ray irradiation dose dependent methanol sensing with ZnO nanoparticles [Text] / Y. Ufa, V. Qorumlu, A. Altmdal // Mater. Chem. and Phys. - 2021.- Vol. 264. .- 124473. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.124473

28. Аль-Хадрами, И. С. А. Возможности и перспективы химических сенсоров [Текст] / И. С. А. Аль-Хадрами, А. Н. Королев // Известия ТРТУ. -2006. - № 9-2(64). - С. 84-88.

29. Обвинцева, Л. А. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной среде [Текст] / Л. А. Обвинцева // Российский химический журнал. - 2008. - Т. 52, № 2. - С. 113-121.

30. Gomri, Sami. A New Gases Identifying Method With MOX Gas Sensors Using Noise Spectroscopy [Text] / Sami Gomri, Thierry Contaret, Jean-Luc Seguin // IEEE Sensors journal. - 2018. - Vol. 18(16). - P. 6489-6496. DOI:10.1109/JSEN.2018.2850817

31. Contaret, T. A Physics-Based Noise Model for Metallic Oxide Gas Sensors Characterization [Text] / T. Contaret, T. Florido, J.-L. Seguina [et al.] // Procedia Engineering. - 2011. - Vol. 25. - P. 375-378. DOI:10.1016/j.proeng.2011.12.093

32. Mandelbrot, B. Some noises with 1/f spectrum, a bridge between direct current and white noise [Text] / B. Mandelbrot // IEEE Trans. Information Theory.

- 1967. - Vol.13(2). - P. 289-298. DOI:10.1109/TIT.1967.1053992.

33. Kogan, S. Electronic Noise and Fluctuations in Solids [Text]/ S. Kogan // Cambridge University Press. - 2008. - P. 376.

34. Keshner, M. S. 1/f noise [Text] / M. S. Keshner // Proceedings of the IEEE.

- 1982. - Vol.70(3). - P. 212-218.

35. Vernotte, F. Metrology and 1/f noise: linear regressions and confidence intervals in flicker noise context [Text] / F. Vernotte, E. Lantz // Metrologia. - 2015.

- Vol.52(2). - P 222-237. DOI:10.1088/0026-1394/52/2/222.

36. Каламбет, Ю. А. Фильтрация шумов. Сравнительный анализ методов [Текст] / Ю. А. Каламбет, Ю. П. Козьмин, А. С. Самохин // Аналитика. - 2017. - № 5(36). - С. 88-101. - DOI 10.22184/2227-572X.2017.36.5.88.101.

37. Korotchenko, G. Instability of metal oxidebased conductometric gas sensors and approaches to stability improvement (short survey) [Text] / G. Korotchenko, B.K. Cho // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2011. - Vol. 156 (2). - P. 527-538. DOI:10.1016/j.snb.2011.02.024

38. Giberti A. Heat exchange and temperature calculation in thick-film semiconductor gas sensor systems [Text] / A. Giberti, M. Benetti, M.C. Carotta [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2008. - Vol. 130. - P. 277-280. DOI: 10.1016/j.snb.2007.07.129

39. Патрушева, Т. Н. Сенсорика. Современные технологии микро- и наноэлектроники [Текст] / Т.Н. Патрушева // - Москва : Общество с ограниченной ответственностью «Научно-издательский центр ИНФРА-М», 2014. - 260 с.

40. Pavelko, R. G. Selectivity problem of metal oxide based sensors in the presence of water vapors [Text] / R. G. Pavelko, A.A. Vasiliev, E. Llobet [et al.] //Procedia Engineering. - 2010. - Vol. 5. - P. 111-114.

41. Форш, Е. А. Энергоэффективные газовые сенсоры на основе нанокристаллического оксида индия [Текст] / Е. А. Форш, Е. А. Гусева // Физика и техника полупроводников. - 2020. - Т. 54, № 2. - С. 165-169.

42. Алмаев, А. В. Электрические и газочувствительные характеристики сенсоров водорода на основе тонких пленок диоксида олова: специальность 01.04.10 "Физика полупроводников": диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Алмаев Алексей Викторович. - Томск, 2018. - 184 с.

43. Баранов, А.М. Современные тенденции в развитии сенсоров довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей (краткий обзор) [Текст] / А.М. Баранов, Т.В. Осипова // Физика и химия приборостроения. - 2021. - Т. 31, № 4. - С. 3-29.

44. Padilla, M. Drift compensation of gas sensor array data by Orthogonal Signal Correction [Text] / M. Padilla, A. Perera, I. Montoliu, A. Chaudry [et al.] // Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. - 2010. - Vol.100(1). - P. 28-35 DOI:10.1016/j.chemolab.2009.10.002

45. Mittova, I.Y. Modification of nanoscale thermal oxide films formed on indium phosphide under the influence of tin dioxide [Text] / I.Y. Mittova, V.F. Kostryukov, N.A. Ilyasova [et al.] // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. - 2020. - Vol. 11, No. 1. - P. 110-116.

46. Burgmair, M. Humidity and temperature compensation in work function gas sensor FETs [Text] / M. Burgmair, M. Zimmer, I. Eisele // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2003. - Vol.93. - P. 271-275. DOI:10.1016/S0925-4005(03)00232-6

47. Paris, R. Low drift air-gap CMOS-FET gas sensor / R. Paris, S. Pawel, R. Herzer [et al.] // Proceedings of IEEE Sensors. - 2002. P. 421-425. DOI: 10.1109/ICSENS.2002.1037128

48. Müller, G. A MEMS toolkit for metal-oxide-based gas sensing systems [Text] / G. Muller, A. Friedberger, P. Kreisl [et al.] // Thin Solid Films. - 2003. -Vol. 436. - №. 1. - P. 34-45. DOI:10.1016/S0040-6090(03)00523-6

49. Nagabandi, Jayababu. NiO decorated CeO2 nanostructures as room temperature isopropanol gas sensors [Text] /Jayababu Nagabandi, Poloju Madhukar, Shruthi Julakanti [et al.] // The Royal Society of Chemistry. - 2019. - Vol.9/ - P. 13765-13775. DOI: 10.1039/C9RA00441F

50. Gramm, A. High performance solvent vapor identification with a two-sensor array using temperature cycling and pattern classification [Text] / A. Gramm, A. Schutze // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2003. - Vol. 95 (1). - P. 58-65. DOI: 10.1016/S0925-4005(03)00404-0

51. Рябко, А. А. Газочувствительность наноструктурированных покрытий на основе наностержней оксида цинка при комбинированной активации [Текст] / А. А. Рябко, А. А. Бобков, С. С. Налимова [и др.] // Журнал технической физики. - 2022. - Т. 92, № 5. - С. 758-764.

52. Hines, E.L. Electronic noses: a review of signal processing techniques [Text] / E.L. Hines, E. Llobet, J.W. Gardner // IEEE Proceedings-Circuits Devices and Systems. -1999.- Vol.146 (6). - P. 297-310. D01:10.1049/ip-cds:19990670

53. Haugen, J.E. A calibration method for handling the temporal drift of solid state gas-sensors [Text] / J.E. Haugen, O. Tomic, K. Kvaal // Analytica Chimica Acta. - 2000. - Vol. 407 (1). - P. 23-39. D0I:10.1016/S0003-2670(99)00784-9.

54. Holmberg, M. Drift counteraction for an electronic nose [Text] / M. Holmberg, F. Winquist, I. Lundstrom [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 1996.- Vol. 36. - P. 528-535.

55. Marco, S. Gas Identification with Tin Oxide Sensor Array and Self-Organizing Maps: Adaptive Correction of Sensor Drifts [Text] / S. Marco, A. Ortega, A. Pardo [et al.] // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. -1997. - Vol. 2. - P. 904-907. DOI:10.1109/IMTC.1997.610256

56. Zuppa, M. Drift counteraction with multiple self-organising maps for an electronic nose [Text] / M. Zuppa, C. Distante, P. Siciliano [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2004. - Vol.98 (2). - P. 305-317. DOI:10.1016/j.snb.2003.10.029

57. Ding, H. High performance of gas identification by wavelet transform-based fast feature extraction from temperature modulated semiconductor gas sensors [Text] / H. Ding, H.F. Ge, J.H. Liu // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2005.-Vol. 107 (2). - P.749-755. DOI:10.1016/j.snb.2004.12.009

58. Осипова, Т. В. Метод главных компонент как альтернативный алгоритм обработки данных термокаталитических сенсоров [Текст] / Т. В. Осипова, А. М. Баранов, И. И. Иванов // Научное приборостроение. - 2022. -Т. 32, № 1. - С. 77-92.

59. Di, S. Carloa Increasing pattern recognition accuracy for chemical sensing by evolutionary based drift compensation [Text] / S. Di Carlo, M. Falasconi, E. Sanchez [et al.] // Pattern Recognition Letters. -2011.- Vol. 32 (13). - P. 1594-1603. DOI: 10.1016/j.patrec.2011.05.019

60. Al Barakeh, Zaher. Development of a normalized multi-sensors system for low cost on-line atmospheric pollution detection [Text] / Zaher Al Barakeh,

Philippe Breuil, Nathalie Redon [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. -2017. - Vol. 241. - P. 1235-1243. D01:10.1016/j.snb.2016.10.006

61. Jiang, Z. Balanced Distribution Adaptation for Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor Array Drift Compensation [Text] / Jiang. Z., Xu P., Du Y., Yuan F. [et al.] // Sensors. - 2021. - Vol. 21(10). - P. 3403. DOI: 10.3390/s21103403

62. Власов Ю. Г. Химические сенсоры на пороге XXI века: от единичных «селективных» сенсоров до систем неспецифичных (неселективных) сенсоров («электронный нос», «электронный язык») [Текст] / Ю. Г Власов, А. В. Легин // Академик Б. П. Никольский: жизнь. Труды. Школа: сборник / под ред. А. А. Белюстина, Ф. А. Белинской. -Санкт-Петербург: Изд-во С.-Петерб. ун-та. - 2000. - С. 267-280.

63. Абдурахманов, Э. Селективный термокаталитический сенсор природного газа [Текст] / Э. Абдурахманов, И. Э. Абдурахманов, У. М. Норкулов [и др.] // Вестник Таджикского национального университета. Серия естественных наук. - 2020. - № 3. - С. 242-251.

64. Anisimov, D.S. Fully integrated ultra-sensitive electronic nose based on organic field-effect transistors [Text] / D.S. Anisimov, V.P. Chekusova, A.A. Trul [et al.] // Scientific Reports. - 2021. - Vol.11(1). - P. 10683. D0I:10.1038/s41598-021-88569-x

65. Savitzky A. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures [Text] / A. Savitzky, M.J.E. Golay //Anal. Chem. - 1964. - Vol. 36(8). - P.1627-1639. D0I:10.1021/ac60214a047

66. Билевич Д. В. Исследование алгоритмов сглаживания для предварительной обработки результатов измерений коэффициента шума СВЧ-транзистора при построении малосигнальной шумовой модели [Текст] / Д. В. Билевич, А. А. Попов, И. М. Добуш [и др.] // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2020. - №2 71. - С. 34-44. - DOI 10.21667/1995-4565-2020-71-34-44.

67. Duc C. Conductive Polymer Composites for Hydrogen Sulphide Sensors Working at Sub-PPM Level and Room Temperature [Text] / C. Duc, M.L.

Boukhenane, T. Fagniez, L. Khouchaf [et al.] // Sensors. - 2021. - Vol. 21(19). - P. 6529. DOI: 10.3390/s21196529

68. Wu, C.H. Fast gas concentration sensing by analyzing the rate of resistance change [Text] / C.H. Wu, G.J. Jiang, C.C. Chiu [et al.] // Sensors Actuators B Chem. - 2015. -Vol. 209. - P. 906-910. DOI:10.1016/j.snb.2014.12.066

69. Eklöv, T. Enhanced selectivity of MOSFET gas sensors by systematical analysis of transient parameters [Text] / T. Eklöv, P. Märtensson, I. Lundström // Anal. Chim. Acta. - 1997. - Vol. 353 - P. 291-300.

70. Rodner, M. Performance tuning of gas sensors based on epitaxial graphene on silicon carbide [Text] / M. Rodner, J. Bahonjic, M. Mathisen, R. Gunnarsson [et al.] // Materials and Design. - 2018. - Vol.153. - P.153-158. DOI:10.1016/j.matdes.2018.04.087

71. Marius Rodner First-order time-derivative readout of epitaxial graphene-based gas sensors for fast analyte determination [Text] / Marius Rodner, Jens Eriksson // Sensors and Actuators. - 2020. - Vol. 2(1). - P.100012. DOI: 10.1016/j.snr.2020.100012

72. Новиков, С. П. Алгоритмы обработки данных отклика чувствительных элементов сенсоров газа в химически агрессивных средах [Текст] / С. П. Новиков, Н. К. Плуготаренко // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. - 2020. - №№ 4(133). - С. 153-164. - DOI 10.18698/0236-39332020-4-153-164.

73. Marco, S. Signal and data processing for machine olfaction and chemical sensing: A review [Text] / S. Marco, A. Gutierrez-Galvez // IEEE Sensors Journal.

- 2012. - Vol.12(11) - P. 3189-3214. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2192920

74. Acharyya, Snehanjan. Ultra-selective tin oxide-based chemiresistive gas sensor employing signal transform and machine learning techniques [Text] / Snehanjan Acharyya, Sudip Nag, Prasanta Kumar Guha // Analytica Chimica Acta

- 2022. -Vol. 1217. - P.339996. DOI: 10.1016/j.aca.2022.339996

75. Rakow, N.A. A colorimetric sensor array for odour visualization [Text] / N.A. Rakow, K.S. Suslick // Nature. - 2000.- Vol. 406. - P. 710-713. DOI: 10.1038/35021028

76. Arbayani Zaidan, Martha. Intelligent Air Pollution Sensors Calibration for Extreme Events and Drifts Monitoring [Text] / Martha Arbayani Zaidan, Naser Hossein Motlagh, Pak Lun Fung [et al.] // IEEE Transactions on industrial informatics. - 2023. - Vol. 19 (2). - P. 1366 - 1379. DOI: 10.1109/TII.2022.3151782

77. Yang, Li. Intrinsically Breathable and Flexible NO2 Gas Sensors Produced by Laser Direct Writing of Self-Assembled Block Copolymers [Text] / Li Yang, Huadong Ji, Chuizhou Meng [et al.] // American Chemical Society. - 2022. - Vol. 14-15. - P. 17818-17825.

78. Newton, M.I. NO2 detection at room temperature with copper phthalocyanine thin film devices [Text] / M. I. Newton, T.K.H. Starke, M.R. Willis [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2000. - Vol. 67(3). - P. 307-311. DOI: 10.1016/S0925-4005(00)00542-6

79. Mazein, P. Dynamic analysis of Love waves sensors responses: Application to organophosphorus compounds in dry and wet air [Text] / P. Mazein, C. Zimmermann, D. Rebière [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2003. - Vol. 95(1-3). - P. 51-57. DOI: 10.1016/S0925-4005(03)00403-9

80. Du, Hongfei. A New Model and Its Application for the Dynamic Response of RGO Resistive Gas Sensor [Text] / Hongfei Du, Guangzhong Xie, Yuanjie Su, Huiling Tai [et al.] // Sensors. - 2019. - Vol. 19(4). - P. 889. DOI: 10.3390/s19040889

81. Симаков, В. В. Вольт-амперные характеристики сенсоров газа на основе тонких пленок диоксида олова в атмосфере паров воды при комнатной температуре [Текст] / В. В. Симаков, И. В. Синев, И. Д. Осыко [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2018. - № 10. - С. 591-599.

82. Талипов, В. А. Низкотемпературные методики селективного определения концентрации водорода в газоаналитической технике [Текст] / В.

А. Талипов, А. М. Баранов, И. И. Иванов, С. М. Миронов // Научное приборостроение. - 2022. - Т. 32, № 1. - С. 35-47.

83. Katta, Nalin. The I/O transform of a chemical sensor [Text] / Nalin Katta, Douglas C. Meier, Kurt D. Benkstein [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical.

- 2016. - Vol. 232. - P. 357-368. DOI:10.1016/j.snb.2016.03.019

84. Korotcenkov, G. Engineering approaches for the improvement of conductometric gas sensor parameters: Part 1. Improvement of sensor sensitivity and selectivity (short survey) [Text] / G. Korotcenkov, B.K. Cho // Sensors and Actuators B: Chemical Vol. 188. - P. 709-728. DOI:10.1016/j.snb.2013.07.101

85. Müller R. Multidimensional sensor for gas analysis [Text] / R. Müller, E. Lange // Sensors and Actuators. - 1986. - Vol. 9(1). - P. 39-48.

86. Nanto, H. Identification of aromas from alcohols using a Japanese-lacquer-film-coated quartz resonator gas sensor in conjunction with pattern recognition analysis [Text] / H. Nanto, S. Tsubakino, M. Ikeda, F. Endo // Sensors and Actuators B: Chemical. - 1996. - Vol. 35 (1-3). - P. 183-186. DOI:10.1016/S0925-4005(97)80051-2

87. Eklöv, Tomas. Enhanced selectivity of MOSFET gas sensors by systematical analysis of transient parameters [Text] / Tomas Eklöv, Per Märtensson, Ingemar Lundström // Analytica Chimica Acta. - 1997.- Vol. 353 (2-3). - P. 291300. DOI:10.1016/S0003-2670(97)87788-4

88. Труль А. А. Газовые сенсоры на основе сопряженных олигомеров и полимеров как перспективные чувствительные элементы для мониторинга содержания токсичных газов в составе атмосферы [Текст] / А. А. Труль, Е. В. Агина, С. А. Пономаренко // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. -2021. - Т. 63, № 5. - С. 277-294.

89. Nakamura, M. Chemical sensing by analysing dynamics of plasma polymer film-coated sensors [Text] / M. Nakamura, Sugimoto, H. Kuwano, R. Lemos // Sensors and Actuators B: Chemical. - 1994. - Vol. 20. - P. 231.

90. Wide, P. An air-quality sensor system with fuzzy classification [Text] / P. Wide, F. Winquist, D. Drianakov // Measurement Science and Technology. - 1997.

- Vol. 8(2) - P. 138-146. DOI 10.1088/0957-0233/8/2/005

91. Клычков, Н. А. Обработка сигналов системы хеморезистивных сенсоров газа на основе SnO2 как средство неинвазивной медицинской диагностики [Текст] / Н. А. Клычков // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2022 : сборник статей Всероссийской школы-семинара, Саратов, 22-24 ноября 2022 года / Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского. -Саратов: Издательство "Саратовский источник", 2022. - С. 36-40.

92. Спирякин, Д. Н. Идентификация горючих газов термокаталитическими сенсорами [Текст] / Д. Н. Спирякин, А. М. Баранов // Научное приборостроение. - 2022. - Т. 32, № 1. - С. 21-34.

93. Сысоев, В. В. Применение метода нейронных сетей для анализа отклика однокристальной мультисенсорной системы идентификации газов [Текст] / В. В. Сысоев, В. Ю. Мусатов, А. В. Силаев [и др.] // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2007. - Т. 1, № 1(21). - С. 80-87.

94. Jolliffe, L. T. Principal Component Analysis [Text] // Springer Verlag, New York. - 1986. - P. 115-128, DOI: 10.1007/978-1-4757-1904-8_7

95. Осипова, Т. В. Разработка методики обнаружения газовых смесей при помощи метода главных компонент [Текст] / Т. В. Осипова, И. И. Иванов, А. М. Баранов // ФОРУМ МОЛОДЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ: сборник статей Международной научно-практической конференции, Пенза, 20 сентября 2021 года. - Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.). - 2021. - С. 33-38.

96. Бондарь, О.Г. Разработка нейронной модели полупроводникового датчика газа [Текст] / О.Г. Бондарь, Е.О. Брежнева, К.Г. Андреев и др. // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2021. - № 25(2) -С. 123-139.

97. Шапкин, С. Ю. Применение многослойной нейронной сети для анализа бинарных газовых смесей [Текст] / С. Ю. Шапкин, Ж. Ю. Кочетова, Т. А. Кучменко // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Т. 3, № 5-1(16-1). - С. 305-309. -DOI: 10.12737/14510.

9S. Брежнева, Е. О. Многокомпонентный газоанализатор на основе блочных нейронных сетей с обучением методом имитации: специальность 05.11.13 "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Брежнева Екатерина Олеговна. - Курск, 2013. - 159 с.

99. Бондарь О.Г. Синтез и параметризация моделей газочувствительных датчиков / О. Г. Бондарь, Е. О. Брежнева, О. Г. Добросердов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2021. - Т. 25, № 1. - С. 138-1б1. - DOI 10.21 S69/2223-1 5б0-2021 -25-1 -13S-161.

100. Rumelhart, D.E. Learning internal representations by error propagation [Text] / D.E. Rumelhart, G.E. Hinton, R.J. Williams [et.al.] // MIT Press, Cambridge, MA. 19S6. - Vol.1(S). - P. 31S-362

101 . Измаилов, А. Ф. Метод Левенберга-Марквардта для задач безусловной оптимизации [Текст] / А. Ф. Измаилов, А. С. Куренной, П. И. Стецюк // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2019. - Т. 24, № 125. - С. 60-74.

102. Тимошенко, Д.А. Распознавание газовоздушных смесей с помощью одиночного сенсора газа на основе нитевидных нанокристаллов диоксида олова [Текст] / Д. А. Тимошенко, И. В. Синев, В. В. Симаков, Н. А. Клычков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - № 13. - С. 796-S01.

103. Клычков, Н. А. Мультипараметрическое распознавание паров органических веществ с помощью сенсора газа на основе наноструктурированной пленки диоксида олова [Текст] / Н. А. Клычков, В. В. Симаков, И. В. Синев, Д. А. Тимошенко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - № 13. - С. 852-S59.

104. Resistive low-temperature sensor based on the SiO2ZrO2 film for detection of high concentrations of NO2 gas [Text] / T.N. Myasoedova, T.S. Mikhailova, G.E. Yalovega, N.K. Plugotarenko // Chemosensors - 201S. - Vol. б, No 4. - Art. No б7.

105. Guo, X. Silicon carbide converters and MEMS devices for high-temperature power electronics: a critical review [Text] / X. Guo, Q. Xun, Z. Li [et al.] // Micromachines. - 2019. - Vol. 10. - P. 406.

106. Platonov, Vadim B. High-temperature resistive gas sensors based on ZnO/SiC nanocomposites [Text] / Vadim B. Platonov, Marina N. Rumyantseva, Alexander S. Frolov [et al.] // Beilstein J. Nanotechnol. - 2019. - Vol. 10. - P. 15371547.

107. Sasago, Y. SiC-FET gas sensor for detecting sub-ppm gas concentrations [Text] / Y. Sasago, H. Nakamura, T. Odaka [et al.] // Adv. in Sci., Techn. and Engineering Syst. J. - 2020. - Vol. 5(1). - P. 151-158.

108. Semenov, A.V. The chemresistive properties of SiC nanocrystalline films with different conductivity type [Text] / A.V. Semenov, D.V. Lubov, A.A. Kozlovskyi // J. of Sensors. - 2020. - https://doi.org/10.1155/2020/7587314; режим доступа, свободный.

109. Михайлова, Т. С. Разработка газочувствительных сенсоров на основе кремний-углеродных пленок и исследование их функциональных характеристик: специальность 2.2.2 "Электронная компонентная база микро-и наноэлектроники, квантовых устройств": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Михайлова Татьяна Сергеевна. -Таганрог, 2023. - 165 с.

110. Hassan, N. Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies of adsorption of cationic dyes from aqueous solution using ZIF-8 [Text] / N. Hassan, A. Shahat, A. El-Didamony, M. El-Desouky, A. El-Bindary // Moroccan J. of Chem. - 2020. - Vol. 8(3). - P. 627-637.

111. Tawfik, A. Saleh. Chapter 2 - Adsorption technology and surface science [Text] // Interface Science and Technology, Elsevier. 2022. - Vol. 34. -2022, P. 3964. DOI: 10.1016/B978-0-12-849876-7.00006-3

112. Xie T. Two novel methods for evaluating the performance of OTFT gas sensors [Text] / Т. Xie, G. Xie, H. Du, Y. Su [et.al.] //Sensors and Actuators: B. Chem. - 2016. - Vol. 230. - P. 176-183.

113. Новиков, С. П. Метод измерения газочувствительных характеристик полупроводниковых сенсоров по динамическим параметрам отклика [Текст] / С. П. Новиков // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2022. - №5 (229). - C. 75-85.

114. Comparative analysis of derivative parameters of chemoresistive sensor signals for gas concentration estimation [Text] / N. K. Plugotarenko, T. N. Myasoedova, S. P. Novikov, T. S. Mikhailova // Chemosensors. - 2022. - Vol. 10, No 4. - Art. No 126. - DOI: 10.3390/chemosensors10040126.

115. Григорьев, М. Н. Резистивные структуры на основе кремний-углеродных пленок для сенсоров газов [Текст] / М. Н. Григорьев, Т. С. Михайлова, Т. Н. Мясоедова // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2019. -№ 6(208). - С. 85-93. - DOI: 10.23683/2311-3103-2019-6-85-94.

116. Fabrication of gas-sensor chips based on silicon-carbon films obtained by electrochemical deposition [Text] / T. N. Myasoedova, M. N. Grigoryev, N. K. Plugotarenko, T. S. Mikhailova // Chemosensors. - 2019. - Vol. 7, No 4. - Art. No 52. - DOI: 10.3390/chemosensors7040052.

117. Яловега Г. Э. Исследование фазового состава нанокомпозитных материалов SiO2CuOx методами рентгеновской спектроскопии поглощения и фотоэлектронной спектроскопии [Текст] / Г. Э. Яловега, В. А. Шматко, Т. Н. Назарова [и др.] // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2010. - № 4. - С. 31-35.

118. Copper-containing films obtained by the simple citrate sol-gel route for NO2 detection: Adsorption and kinetic study [Text] / T. N. Myasoedova, N. K. Plugotarenko, Т.А. Moiseeva // Chemosensors - 2020., Vol. 8, No 3. - Art. No 79. https://doi.org/10.3390/chemosensors8030079

119. Electrochemical deposition of silicon-carbon films: a study on the nucleation and growth mechanism [Text] / N. K. Plugotarenko, T. N. Myasoedova, M. N. Grigoryev, T. S. Mikhailova // Nanomaterials. - 2019. - Vol. 9, No 12. - Art. No 1754. - DOI: 10.3390/nano9121754.

120. Михайлова, Т. С. Разработка низкотемпературного сенсора газа, селективного по отношению к диоксиду азота [Текст] / Т. С. Михайлова, Т. Н.

Мясоедова // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - N° 8(169). - С. 193202.

121. Кравченко Е. И. Исследование физико-химических, электрофизических свойств и газочувствительных характеристик нанокомпозитных пленок состава SiO2ZrOx [Текст] / Е.И. Кравченко, Назарова Т.Н., Петров В.В. [и др.] // Нано- и микросистемная техника. - 2012. - № 2. - С. 38-42.

122. Zhang, Jun Nanostructured materials for room-temperature gas sensors [Text] / Jun Zhang, Xianghong Liu, Giovanni Neri // Advanced Materials - 2016. -Vol. 28(5) - P. 795-831. D0I:10.1002/adma.201503825

123. Коноваленко С. П. Разработка технологии получения неподогревных сенсоров газа на основе полиакрилонитрила для гибридных сенсорных систем [Текст] / С. П. Коноваленко, Т. А. Бедная, Т. В. Семенистая [и др.] // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 4-2(23). - С. 13.

124. Надда, М. З. Исследование свойств нанокомпозитного материала для высокочувствительных сенсоров диоксида азота [Текст] / М. З. Надда, В. В. Петров, А. М. Шихабудинов // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 4-2(23). - С. 8.

125. Новиков С. П. Применение многопараметрических линейных зависимостей для распознавания газов полупроводниковыми резистивными сенсорами / Н.К. Плуготаренко // Химия и инженерная экология - XXII: Сборник трудов международной научной конференции (школа молодых ученых), Казань, 23-24 сентября 2022 года. - C.114-116.

126. Investigation of adsorption kinetics on the surface of a copper-containing silicon-carbon gas sensor: gas identification [Text] / N.K. Plugotarenko, S.P. Novikov, T.N. Myasoedova, T.S. Mikhailova // C — Journal of Carbon Research. - 2023. - Vol. 9, No 104. - DOI: 10.3390/c9040104.

«Документы по внедрению и использованию результатов диссертационной

работы» Приложение А

внедрения результатов в учебный процесс кафедры техносферной безопасности и химии Института нанотехиологий, электроники и приборостроения ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет»

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Новикова Сергея Петровича на тему «Разработка и исследование метода измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газов» внедрены и используются в учебном процессе кафедры техносферной безопасности и химии ИНЭГ1 ЮФУ:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований метода измерения функциональных характеристик хеморезистивных сенсоров газа, разработанного в диссертационной работе, используются в курсах лекций следующих дисциплин: «Методы обработки данных. Экологический мониторинг» для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» и «Информационные технологии в сфере безопасности» для студентов направления подготовки 20.04.01 «Техносферная безопасность».

УТВЕРЖДАЮ

АКТ

Доцент каф. ТБХ к.х.н., доцент

Зам. директора ИНЭГ1 по учебной работе к.т.н., доцент

Зав. каф. ТБХ к.т.н., доцент

Н.К. Плуготаренко

Г.В. Семенистая

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "НЕЙРОСЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

ООО "НЕЙРОСЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

ул. Социалистическая, 150-г, г. Таганрог, Ростовская область, Россия, 347905 Тел. + 7(8634) 36-58-83, Факс + 7(8634) 61-54-59, e-mail: korovin [e-mail] ИНН-6154114344 КПП-615401001 ОГРН 1086154001636 ОКПО 83384682 р/с-40702810028050008636 Банк: Филиал №2351 ВТБ 24 (ПАО) к/с-30101810900000000585 в РКЦ г.Таганрога, БИК 040349585

г. Таганрог 26.04.2023 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы «Разработка и исследование метода измерения функциональных характеристик

хеморезистивных сенсоров газов» Новикова Сергея Петровича

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Новикова С.П., в частности, алгоритмы модулей сглаживания исходных данных, определения начала рабочего режима, обработки и анализа данных в скользящем окне, построения калибровочных зависимостей по выбранным информативным признакам были использованы при разработке программных продуктов для анализа данных исследовательских испытаний.

Методика использования ПО

После запуска откроется вкладка «Файл», с возможностью загрузки исходных данных из текстового файла. Для этого необходимо нажать на кнопку «Открыть файл». После чего откроется вкладка «Главная», будет сделана отрисовка графика в соответствии с загруженными значениями. Загруженные данные появятся в виде значений осей абсцисс и ординат. После загрузки данных появляется возможность показать/скрыть легенду, сдвинув ползунок влево/вправо.

Для сохранения графика в графическом файле, во вкладке «Файл» необходимо нажать на кнопку «Сохранить изображения графика», в диалоговом окне выбрать путь сохранения, задать имя и выбрать расширение файла.

После проведения процедуры сглаживания данных текущего графика, его значения также можно сохранить в файле формата Ш. Для этого нужно нажать кнопку «Сохранить значения графика», в диалоговом окне выбрать путь сохранения, задать имя.

Интерфейс вкладки представлен на рисунке 1.

Далее на вкладке «Главная» (рисунок 2.) после открытия файла формируется список графиков, состоящий из названий графиков. При загрузки нескольких файлов, данный список будет пополняться. Названия составляются по умолчанию: «График» + «Порядковый номер». У данного списка графиков есть контекстное меню, при нажатии на него правой кнопки мыши.

В ЫО 5ПУИ 4ика/Т494ШСЧ/ОГРг/ГС/Н 02/1 Л0.3117.42.2020) 1Я.№ — О X

Рисунок 1 - Интерфейс вкладки «Файл» при открытии программы

Рисунок 2 - Вкладка «Главная»

Из контекстного меню выделенного графика можно:

- переименовать график;

- изменить наименование осей;

- очистить графы;

- удалить/сохранить график;

- удалить точки экстремумов;

- определить дельту сигнала.

Поле «Фазы начала рабочего режима» будет пустым. Оно заполнится после определения начала рабочего режима на вкладке «Начала рабочего режима».

При загрузке данных определится минимальное и максимальное значение оси абсцисс текущего графика.

Масштабирование графика проводится через управление колесиком

мышки или мультитачем (движение двумя пальцами) на панели тачпада.

При нажатии на имя графика будут отображены параметры для этого графика (экстремумы, точки начала рабочего режима, скорость, линия тренда и т.д.). Если дважды кликнуть левой кнопкой мыши по названию графика из списка графиков, то поля значений осей абсцисс и ординат начнут заполняться в отдельном потоке, т.е. можно не ждать и выполнять другие действия.

Для определения начала рабочего режима, необходимо перейти на вкладку «Начало рабочего режима» и выбрать «Способ 1». После этого на графике появятся точки минимума, а также поле «продолжительность опыта» рассчитается автоматически. Добавятся точные значения точек минимума в поле «Фазы начала рабочего режима» для точного отображения этих значений.

Для определения начала рабочего режима, используя второй метод, необходимо перейти на вкладку «Начало рабочего режима» и выбрать «Способ 2». Необходимо выделить интервал между восстановлением и реакцией. Если рабочий режим будет неточен, его можно редактировать вручную, путем изменения значения поля «Продолжительность фазы».

Также, можно скрыть/показать выделенный диапазон значений на графике. Интерфейс вкладки представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Вкладка «Начало рабочего режима».

Следующий этап - поиск экстремумов, их можно найти тремя способами:

- автопоиск (способ 1);

- поиск максимумов (способ 2), после определения начала рабочего режима;

- ручная настройка.

После определения точек экстремумов, значения можно сохранить в текстовый файл, перейдя на вкладку «Экстремумы» и нажав на кнопку «Сохранить». В выходном файле на будут находиться заголовки с названием колонок, значения которых они отображают.

Если экстремумы для текущего графика были найдены ранее и сохранены, их можно заново загрузить, перейдя на вкладку «Экстремумы» и нажав на кнопку «Открыть».

Функция «Автопоиск (способ 1)» находит одновременно точки минимума и максимума простым перебором значений. Для наиболее точного определения экстремумов необходимо изменять параметр «Фильтрация экстремумов». Точки экстремумов можно показать/скрыть их точные координаты на графике.

После определения начала рабочего режима можно найти точки максимума между точками минимума, для этого необходимо перейти на вкладку «Экстремумы» и нажать на кнопку «Поиск макс. (способ 2)». Если точки минимума не определены, то появится соответствующее сообщение.

Для исключения ошибочного определения минимумов и максимумов функции имеется возможность установить вручную экстремумы функции. На вкладке «Экстремумы» нужно активировать кнопку «Ручная настройка» и установить переключатель на тип устанавливаемых точек.

При ручном определении, чтобы установить точки минимумов, рекомендуется приблизить график и кликнуть левой кнопкой мыши так, чтобы курсор был справа от нужной точки. Таким образом, определится наиболее близкая точка к курсору из существующих на графике.

Если точка была установлена неправильно, ее можно удалить, выделив правой кнопкой мыши диапазон на графике, в котором находится точка. В зависимости от выбора типа устанавливаемых точек в выделенном диапазоне будут удаляться соответствующие точки. Если выбран переключатель «Все», то удалятся все точки минимума и максимума.

Для выхода из режима ручной настройки необходимо деактивировать

кнопку «Ручная настройка» на вкладке «Экстремумы», нажав на нее повторно, или переключиться на другую вкладку. Точки экстремумов должны чередоваться между собой, иначе при определении дельты сигнала или вычислении скорости будет выведено соответствующее сообщение.

Для удаления ранее установленных точек экстремумов текущего графика необходимо перейти на вкладку «Экстремумы» и выбрать необходимый переключатель. В зависимости от типа выбранного переключателя, по нажатию на кнопку «Удалить» будут удалены «Минимумы», «Максимумы» или «Все».

Интерфейс вкладки представлен на рисунке 4.

■ С:/и5еге/РиЫ1с/ОЬ'С'ЛНиЬ/тайег/с^а200.М - □ X

Файл Главная Начало рабочего режима Экстремумы Скорость Фильтрация Технический анализ Линия тренда Справка

В Открыть О Сохранить ^^ Удалить

Рисунок 4 - Вкладка «Экстремумы»

Для ручного нахождения значений производных сигналов поле «Производная» на определенном интервале графика, необходимо перейти на вкладку «Скорость», и выделить диапазон значений на графике.

После нахождения экстремумов можно вычислить производные на участках для текущего сигнала. Для этого необходимо нажать на кнопку «Вычислить». Найденные значения можно сохранить в текстовый файл для последующей загрузки из него. Для этого необходимо нажать на кнопку «Сохранить». В выходном файле на первой строке будут находиться заголовки с названием колонок, значения которых они отображают.

Чтобы вновь не рассчитывать параметры производных, можно загрузить значения из файла, если до этого они сохранялись. Для это необходимо нажать на кнопку «Открыть».

Интерфейс вкладки представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Вкладка «Скорость» Для наглядного отображения изменения производной сигнала в графическом виде нужно на перейти на вкладку «Скорость», выделить диапазон значений на графике и нажать на кнопку «График скорости изменения параметра». После чего откроется соответствующее окно. Данный график можно сохранить в отдельном графическом файле, нажав на кнопку «Сохранить как...».

На рисунке 6 показано определение первой производной на участке, при этом существует возможность построения графика и определения экстремумов.

Рисунок 6 - Определение первой производной и экстремумов на участке.

Для фильтрации сигнала можно выбрать один из описанных в первой главе способов. Для выбора экспоненциального сглаживания необходимо перейти на вкладку «Фильтрация», отметить галочкой «Экспоненциальное

сглаживание» и установить параметру «Коэффициент, р» нужное значение. Чтобы применить сглаживание Савицкого-Голея, необходимо перейти на вкладку «Фильтрация», отметить галочкой «Сглаживание Савицкого-Голея» и выбрать тип шаблона (прямоугольный или треугольный). Далее установить параметр «Радиус, г».

После чего, можно правой кнопкой мыши выделять диапазон на графике, который при отпускании клавиши изменит график. Левая кнопка мыши нужна для передвижения графика на полотне отрисовки.

Если сглаженное значение не устраивает, его можно отменить, нажав сочетание клавиш «СМ+7». Данное действие можно сделать один раз. Для возврата отмененного действия нажмите сочетание клавиш «Ctгl+Y».

В результате работы фильтрации можно сохранить новые значения в текстовый файл, перейдя на вкладку «Файл» и нажав кнопку «Сохранить значения графика».

Для выбора дискретного преобразования Фурье необходимо перейти на вкладку «Фильтрация», правой кнопкой мыши выделить диапазон на графике и нажать кнопку «DFT». Если диапазон не выделен, то появится соответствующее сообщение и данный метод не запустится.

Интерфейс вкладки представлен на рисунке 8.

• О/игеге/РиЬВсдаСЖиЬ/тайег^аЗОО.ЬД - □ X

Файл Главная Начало рабочего режима Экстремумы Скорость Фильтрация Технический анализ Линия тренда Справка

г-] Экспоненциальное сглаживание

Коэф-т, р 0,50 :

Рисунок 8 - Вкладка «Фильтрация» Пример работы после фильтрации сигнала изображен на рисунке 9.

Рисунок 9 - Сигнал различной амплитудной разности до и после

сглаживания

В результате работы алгоритма фильтрации, значения графика можно сохранить в файл с данными, нажав на кнопку «Сохранить значения».

После фильтрации можно проводить технический анализ. Для расчета дельты сигнала (дельта сигнала по реакции, дельта сигнала восстановления, дельта разброса сигнала и др.)

После определения экстремумов сигнала, возможно определить линию тренда функции при нахождении более 2-х точек экстремумов автоматически или вручную (описано ранее).

Данное программное обеспечение так же позволяет определять другие параметры сигнала.