Минобрнауки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина» Колледж экономики, права и информатики КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Технология разработки программного обеспечения» Тема: «Электронный нос» практические сферы применения. Руководитель: Кузнецов О.А. _______________________ «__» ____________20___ г. Исполнитель: студент 1415-ИСо группы Данилова К.А. ______________________ «__» ___________20___ г. Сыктывкар 2021 2 Содержание Введение……………………………………………………………………….. 1. Электронный нос……………………………………….………………….. 1.1. Основные компоненты электронного носа…………………………… 1.2. Принцип работы электронного носа. …………………………………. 1.3. Проведение анализов………………………………………………….. 2. Применение «Электронного носа» …………………..………………….... 2.1. В научно-исследовательских лабораториях и для контроля качества 2.2. На производстве ……………………………………….……………… 2.3. При защите окружающей среды………………………………………. Заключение……………………………………….…………………………… Библиографический список………………………………………………….. 3 5 5 8 9 11 11 16 17 19 21 3 Введение Вопросы распознавания запахов и создания "Электронного носа" являются актуальными и, очевидно, сохранят надолго свою актуальность. Попытки понять природу запаха предпринимались человечеством на протяжении всего развития общества. В связи с резко ухудшайся экологической обстановкой, а также частыми утечками взрывоопасных газов существует практическая необходимость в создании производительных, точных и дешевых сенсоров для обнаружения и измерения предельно допустимой концентрации канцерогенов. «Одним из перспективных направлений использования достижений нано технологий в системах безопасности является создание технических средств типа «Электронный нос», предназначенных для обнаружения сверх низких концентраций запрещенных к распространению веществ.»1 Этим объясняется актуальность данного исследования. Объектом исследования являются сенсорные системы. Предметом исследования «Электронный нос» Степень разработанности темы. В ходе подготовки работы было изучено 12 источников. Среди них: учебные пособия, методические работы, монографии и терминологические словари, посвященные Электронному носу. Наиболее важными источниками для настоящего исследования являются следующие. Методы исследования: общенаучные (сбор, анализ, систематизация). 1 "Электронный нос" - новое направление индустрии безопасности. Н. Долгополов, М. Яблоков. // Мир и безопасность №4, 2007, http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=875&lvl=02.01.01 4 Целью работы является исследование практической сферы применения «Электронного носа». Для реализации обозначенной цели решаются следующие задачи: Сбор и анализ научной литературы Изучение методического материала по данной теме Исследование основных компонентов электронного носа Рассмотрение принципов работы электронного носа Исследование проведения анализов Исследование применения «Электронного носа» в научноисследовательских лабораториях и для контроля качества Исследование применения «Электронного носа» на производстве Исследование применения «Электронного носа» при защите окружающей среды Исследование основных компонентов электронного носа В структуру настоящей работы входит: введение, содержание, 2 главы, разделенные на параграфы, заключение, список использованной литературы и приложения в количестве … листов. Достоверность и обоснованность результатов и выводов достигается использованием трудов авторитетных ученых и включением в исследование музейных архивных материалов. 5 1. Электронный нос 1.1. Основные компоненты электронного носа Электронный нос — это электронный прибор, предназначенный для определения запахов или привкусов. «Электронным носом» принято называть мультисенсорную систему распознавания компонентов газовых смесей. К ним относятся приборы, работающие на различных физических принципах, в частности, портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. За последнее десятилетие «электронные сенсорные» или «e-сенсорные» технологии претерпели серьезное развитие с технической и коммерческой точек зрения. воспроизводить Термин «электронный человеческие чувства сенсор» при означает использовании способность сенсорных массивов и соответствующих систем распознавания. Начиная с 1982 года проводились исследования по развитию технологии электронного носа, которая могла бы обнаруживать и распознавать запахи и привкусы. Этапы процесса распознавания аналогичны человеческому обонянию: выполняется идентификация, сравнение, количественное определение и другие процессы, включая хранение и поиск данных. Однако гедонистические оценки специфичны только для человеческого носа, поскольку связаны с субъективным мнением. Электронный нос разрабатывался как устройство, имитирующее работу органов обоняния людей — то есть, он не разделяет отдельные компоненты, создающие запах, а реагирует на их совокупность в целом. Устройство состоит из приспособления для отбора проб воздуха, датчиков, и устройства обработки их сигналов. Обработка сигналов датчиков предназначена для получения «общей картины» воздействия, так чтобы результат обработки на выходе давал сигнал, характерный именно для данного запаха. 6 Основными частями устройства является пробоотборная система, блок детекторов и блок обработки сигналов. Пробоотборная система обеспечивает получение воздуха с летучими химическими соединениями, и его транспортирование в блок детекторов. Она должна обеспечить стабильные условия работы блока детекторов. Для выявления состава компонент, образующих запах, используется группа датчиков, по-разному реагирующих (меняющих свои электрические свойства) как на одно и то же вещество при разных концентрациях, так и на разные вещества при одинаковых концентрациях. В большинстве подобных устройств каждый из разнородных датчиков реагирует на любое летучее вещество — но по-своему. Разнородные сигналы датчиков, получающиеся при адсорбции молекул газов, отправляются в вычислительный блок, где они обрабатываются в соответствии со статистической моделью. А в биоэлектронных носах используется другой подход: применяют белки (proteins), реагирующие на конкретные молекулы, создающие запах. В биоэлектронном носе используются обонятельные рецепторы — белки, клонированные из биологических организмов (например — из людей), которые связывают определённые молекулы с запахом. Одна группа разработала биоэлектронный нос, который имитирует орган обоняния человека, и добилась очень высокой чувствительности — устройство реагировало на фемто-молярные концентрации. Для электронных носов чаще всего используют: метало-оксидные полупроводники (MOSFET) — транзисторы, которые усиливают или подают/не подают электронные сигналы. Они работают за счёт того, что молекулы, попадающие в датчик, могут иметь или положительный, или отрицательный заряды, и это прямо влияет на электрическое поле внутри датчика. Попадание в детектор извне каждой 7 дополнительной электрически заряженной частицы уникально влияет на транзистор, и меняет его сигнал так, что последний может быть обработан компьютером для распознавания воздействия. Фактически, каждая молекула выявляемого подобным устройством вещества даст свой неповторимый сигнал, который может быть обработан и распознан компьютером. Электропроводящие полимеры — органические полимеры, которые могут пропускать электрический ток. Полимерные композиционные материалы — они похожи на электропроводные полимеры, но изготавливаются из не электропроводных полимеров с добавлением электропроводных материалов (например — сажи). кварцевые микровесы — измерение поверхностной массы (массы на единицу площади) за счёт кристаллического измерения резонатора. частоты Результаты (колебаний) измерений кварцевого (для эталонных образцов) могут записываться, и затем использоваться для сравнения с новыми результатами. Поверхностные акустические электромеханических систем волны (SAW) — (MEMS), класс использующих микро модуляцию поверхностных акустических волн для реагирования на внешнее физическое воздействие. В некоторых устройствах используются разные типы датчиков, объединённые в полимером кварцевые одно устройство, микровесы QCMs. например — Использование покрытые сигналов от разнородных датчиков позволяет повысить точность и чувствительность устройства. В последние годы были разработаны электронные носы, использующие масс-спектрометрию или сверхбыструю газовую хроматографию для обнаружения молекул летучих соединений. 8 При обработке сигналов используется компьютер. Он проводит общий анализ совокупности сигналов, и выдаёт результат в таком виде, который можно легко интерпретировать. Кроме того, результаты измерений, сделанных с помощью электронного носа, можно связать с результатами измерений, сделанными другими способами (sensorypanel, газовой хроматографией, хромато-масс-спектрометрией). Для анализа результатов используются различные системы их интерпретации, в том числе: искусственные нейронные сети (ANN), нечёткая логика и др. 1.2. Принцип работы электронного носа Принцип работы прибора заключается в измерении электропроводности сенсоров при их взаимодействии с парами летучих веществ. В результате адсорбции молекул исследуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров увеличивается. Каждый сенсор не является строго селективным по отношению к какомулибо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора на разные газы должна быть индивидуальна. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет сформировать уникальный химический образ анализируемого вещества. Сенсорный массив обычно включает от 8 до 30 элементов. Уникальный образ запаха вещества образуется за счет использования отличающихся друг от друга чувствительных элементов сенсоров, изготовленных с применением нанотехнологий. Распознавание веществ производится после «обучения» прибора. Обучение прибора осуществляется в результате записи отклика сенсорного массива при прокачке через него газа, содержащего пары индивидуального вещества. При последовательной прокачке через прибор паров различных веществ формируется библиотека откликов, хранящаяся в памяти 9 вычислительного устройства, входящего в состав прибора. Распознавание осуществляется путем сравнения отклика от анализируемого газа с откликами от индивидуальных веществ, имеющихся в библиотеке откликов. В случае нахождения похожего отклика или комбинации откликов, прибор выдает сигнал о наличии в анализируемом газе паров данного вещества или набора веществ. Основная особенность данной разработки состоит в использовании нового поколения химических сенсоров, основанных на нано гетерогенных тонкопленочных композитах. Эти материалы сочетают в себе свойства, характерные для наночастиц со свойствами оксидных сенсоров, выполненных по планарной технологии. Такой подход соответствует современным тенденциям в конструировании SMART-материалов, т.е. материалов, проявляющих сильное, быстрое и обратимое изменение своих характеристик при малом внешнем воздействии. Разработка оригинальных сенсоров выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ N 06-03-32287. По совокупности основных потребительских качеств (чувствительность 10-14 г/см-3, время анализа 1-2 с, масса 0,5-2 кг и цена 15300 тыс. руб.) рассматриваемая система «Электронный нос» - значительно лучше отечественных и зарубежных аналогов, благодаря использованию оригинальной нанотехнологий получения чувствительного элемента, защищенной патентом, и программному обеспечению, являющемуся ноу-хау. 1.3. Проведение анализов Сначала электронный нос должен быть «натренирован» — он должен распознать эталонные образцы так, чтобы у него имелась база данных для последующего сравнения. Затем устройство может распознавать новые запахи, сравнивая совокупность сигналов датчиков от них с теми сигналами, 10 которые были записаны в базу данных при «обнюхивании» эталонных образцов. Это сравнение позволяет провести количественный или качественный анализ. При этом может возникнуть проблема, так как многие запахи образуются разными молекулами, и при обработке сигналов может произойти ошибка за счёт регистрации сигналов разных молекул как разных смесей — а это не соответствует главной функции носа, и приводит к некорректному и неточному результату. 11 2. Применение «Электронного носа» 2.1. Применение «Электронного носа» в научно-исследовательских лабораториях и для контроля качества Нано сенсорная нейроподобная система «Электронный нос» предназначена для обнаружения в реальном масштабе времени сверхнизких концентраций широкого класса веществ, например, для анализа запахов различных веществ, обнаружения паров токсичных летучих органических соединений, взрывчатых веществ, наркотиков и т.п. Рассматриваемая система в ближайшие 3-10 лет может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. Сферы применения системы «Электронный нос»: медицина (диагностика заболеваний по запаху дыхания и выделений, обнаружение возбудителей инфекций по дыханию, определение уровня алкоголя и наркотиков в крови и т.п.); экология (контроль состояния атмосферы, вредных выбросов на промышленных предприятиях, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.п.); безопасность (обнаружение взрывчатых веществ, ядов, наркотиков, системы ранней пожарной сигнализации, датчики охранной сигнализации, системы обнаружения оружия массового поражения и т.п.); 12 сельское хозяйство (определение качества сельхозпродукции, производство кормов для животных, ускоренная селекция и т.п.); контроль продуктов в пищевой, ликероводочной, табачной промышленности; наука (быстрый анализ белковых смесей в генной инженерии, идентификация растений и животных в биологии и т.п.); машиностроение (системы самодиагностики приборов по внутренним запахам, сенсоры промышленной и потребительской робототехники т.п.); добывающая промышленность (анализ паров нефти и газа для поиска и мониторинга месторождений, быстрая идентификация минералов и т.п.); бытовая техника (потребительский контроль, определение степени готовности продукта в микроволновых печах и духовках, роботыпылесосы и дезинфекторы и т.п.). на рисунке 1 более подробно рассмотрим сферы применения «Электронного носа» в задачах обеспечения безопасности объектов и населения. Медицина Экология Безопасность Сельское хозяйство Контроль продуктов Наука Машиностроение Добывающая промышленность Бытовая техника Развлечение 5% 3% 6% 18% 7% 8% 16% 10% 12% 15% 13 Рисунок 1 – «Сферы применения «Электронного носа» Замена собак-ищеек. Обучение одной собаки-ищейки в США, в среднем стоит $14 тыс., она находится на службе в среднем 8 лет. Издержки на содержание одной собаки и ее инструктора оцениваются в $100 тыс. в год. Ни одна собака-ищейка, в отличие от прибора, не способна уловить запах человека в помещении, где сильно пахнет бензином, ацетоном, краской, или, когда следы присыпаны пахучим веществом, например, табаком. Оснащение саперных роботов. Это позволит службам определять наличие, количество и тип взрывчатого вещества без риска для людей. Датчики охранной сигнализации. В отличие от индикаторов, работа которых основана на улавливании инфракрасного излучения живых существ, «Электронный нос» способен отличить человека от других млекопитающих скажем, крыс, обычно во множестве населяющих складские помещения. Контроль на рабочем месте. Прибор может быть задействован в обеспечении эффективного контроля служащих учреждений в отношении злоупотреблений алкоголем, наркотиками, а также блокировать доступ к рабочим местам повышенной опасности в состоянии опьянения. Системы функционирует сверхранней по принципу пожарной сигнализации. аспирационного обнаружения Система летучих продуктов возгорания размерами 3-300нм, образующихся на стадии нагрева изоляции электрооборудования. Технология обнаружения нано размерных частиц продуктов нагрева позволит существенно (в десятки раз) уменьшить время обнаружения пожароопасной ситуации. Криминалистика. Борьба с контрабандой, наркотиками и терроризмом. Аэропорт Хитроу (Англия) использует прибор Sentinel II, способный распознавать наркотики, взрывчатку, лекарства и другие запрещенные к 14 провозу предметы, когда человек с вещами проходит сквозь рамку. Такие приборы могут найти широкое применение в электронных проходных на предприятиях, в правительственных и общественных учреждениях, на таможне, на всех видах транспорта, в метрополитене. Использование запахов в расследовании преступлений (для судебно-химической экспертизы), в частности определение половой и индивидуальной характеристик человека по различным объектам - запах носителям (пот, кровь, волосы, экскременты, орудия преступления и другие опосредованные источники запаха). Определение физического и эмоционального состояния человека по его запахам (дополнение к детектору лжи). В Лестерском университете (Великобритания) разработали устройство, способное распознавать людей и местность по запаху. «Электронный нос» может узнать марку духов, владельца дыхания или запаха тела менее чем за минуту, анализируя летучие органические соединения и сравнивая их с имеющимися в базе данных. «Электронный нос» позволит полиции определить, что в помещении недавно применялось огнестрельное оружие или, употреблялись алкогольные напитки. Идентификация денег и ценных бумаг по запаху. Установление факта их соприкосновения с различными предметами и конкретными людьми, определение места их хранения и способа транспортировки. Быстрое тестирование безопасности новых материалов, продуктов их сгорания и составов для пожаротушения. Сенсоры утечки различных веществ в промышленности. Сенсоры горючих газов в горнодобывающей промышленности. Системы газоснабжения. В соответствии с Соглашением о сотрудничестве и организации взаимодействия ФГУП СНПО «Элерон» и ООО «Мострансгаз» проведены разработка и испытания опытного образца 15 интегрированной системы безопасности «Габарит», предназначенной для установки на газораспределительных станциях. Испытания подтвердили соответствие техническим и эксплуатационным характеристикам системы, в функциональные возможности которой были заложены как охрана, так и контроль технологических параметров (загазованность, давление, температура, пожар). В 2004 г. система «Габарит» включена в «Перечень технических средств охраны, разрешенных к применению на объектах ОАО «Газпром» (приказ ОАО «Газпром» № 42 от 9.07.2004г). В настоящее время осуществляются работы по серийному внедрению ее целым рядом проектных институтов ОАО «Газпром» с участием ФГУП СНПО «Элерон» (рис. 8). Последующая модернизация системы «Габарит» путем включения в ее состав сверхвысокочувствительной газовой нано сенсорной системы «Электронный нос» позволит существенно повысить ее эффективность. Обнаружение запахов во вредных условиях (радиация, отравляющие вещества, высокие температуры и т.п.). Электронный нос может использоваться в научно-исследовательских лабораториях, лабораториях контроля качества и на производстве: В научно-исследовательских лабораториях и для контроля качества: Соответствия свойств сырья, промежуточных продуктов Стабильность характеристик в разных партиях Обнаружение загрязнения, порчи и фальсификации Выбора изготовителя или поставщика Мониторинг условий хранения. и конечных 16 2.2. Применение «Электронного носа» на производстве Учёт нестабильности свойств сырья Сравнение с эталонным продуктом Измерение и сравнение влияния производственного процесса на продукцию Следующее-до чистки на месте эффективность процесса Расширения степени контролирования/мониторинга Контролирование чистоты Возможные и перспективные области применения электронного носа в здравоохранении и охране труда: Обнаружение вредных и опасных бактерий, таких как MRSA (Methicillin-resistantStaphylococcusAureus), по создаваемомоу ими запаху. Это также позволяет распознать methicillinsusceptible S. aureus (MSSA) среди многих материалов/веществ. При размещении устройства в вентиляционной системе медучреждения это может выявить и соответственно предотвратить воздействие микроорганизмов на других людей или загрязнение оборудования многими опасными и заразными патогенными микроорганизмами. Обнаружение рака лёгких или другое диагностирование путём измерения концентрации летучих органических соединений, зависящей от состояния человека. Контроль качества продуктов питания, так как электронный нос можно просто положить внутрь тары, и он однозначно покажет, когда продукты начнут портиться или использовать его для определения загрязнения бактериями или насекомыми. 17 Носовые имплантаты позволяют предупреждать о присутствии природного газа, у тех людей, который страдают потерей обоняния, или тех, у кого слабая обонятельная чувствительность. BrainMappingFoundation использует электронный нос для обнаружения клеток рака в мозге. Возможные и перспективные области применения правоохранительными органами: То, что электронный нос способен обнаруживать вещества, не имеющие запах, делает его идеальным для полиции, так как собаки не всегда способны обнаружить запах наркотиков в присутствии других запахов. Но вряд ли это произойдёт до того, как стоимость электронного носа не снизится — это слишком дорогое устройство. Электронный нос также может использоваться для обнаружения взрывных устройств в аэропортах. При грамотном размещении нескольких устройств и компьютерной обработке их сигналов можно приблизительно определить местоположение взрывного устройства с погрешностью в несколько метров за считанные секунды. 2.3. Применение «Электронного носа» при защите окружающей среды Для выявления летучих органических соединений в образцах воздуха, воды и почвы. Для защиты окружающей среды. В публикациях описано возможное применение в таких областях, как определение вкуса и запаха пищевых продуктов и напитков; в фармацевтике, парфюмерии и косметике; и в химической промышленности. Позднее стало 18 возможно использовать такие устройства для контроля за состоянием атмосферы населённых пунктов в отношении раздражающих запахов. Поскольку у многих источников загрязнений выбросы могут быть очень непостоянны, электронный нос может использоваться для отслеживания изменений и общих тенденций (трендов), и для измерений в реальном масштабе времени. Это позволяет лучше определить, какие источники загрязнений наиболее важные, и улучшить регулирование загрязнением воздуха. Моделирование ситуации в реальном масштабе времени позволяет оператору лучше понять, в какие периоды времени и при каких условиях риск наибольший. Кроме того, имеющиеся в продаже коммерческие системы можно запрограммировать так, чтобы они активно предупреждали (людей о превышении концентрации, интенсивности запаха) для проведения соответствующих корректирующих мероприятий. 19 Заключение В курсовой работе была исследована нано сенсорная нейроподобная система «Электронный нос», опираясь на научную литературу, основанную на результатах исследований и научныхопытов. Далее были рассмотрены основные компоненты «Электронного носа». Самостоятельно был произведен анализ и описание принципов работы «Электронного носа». Проанализировано применение «Электронного носа» в научноисследовательских лабораториях и для контроля качества, на производстве и при защите окружающей среды. Основными частями устройства является пробоотборная система, блок детекторов и блок обработки сигналов. Для электронных носов чаще всего используют метало-оксидные полупроводники (MOSFET), электропроводящие полимеры, полимерные композиционные материалы, кварцевые микровесы, поверхностные акустические волны (SAW). Принцип работы прибора заключается в измерении электропроводности сенсоров при их взаимодействии с парами летучих веществ. Распознавание веществ производится после «обучения» прибора. Сферы применения системы «Электронный нос» многогранны. Это медицина, экология, безопасность, сельское хозяйство, контроль продуктов в пищевой, ликероводочной, табачной промышленности, наука, машиностроение, добывающая промышленность, бытовая техника. «Электронный нестабильности нос» свойств на производстве сырья, сравнения применяется с эталонным для учёта продуктом, измерения и сравнение влияния производственного процесса на продукцию, 20 следующее-до чистки на месте эффективность процесса, расширения степени контролирования/мониторинга, контролирования чистоты. «Электронный нос» при защите окружающей среды применяется для выявления летучих органических соединений в образцах воздуха, воды и почвы, для защиты окружающей среды. Таким образом, имея широкий спектр применения, нано сенсорная нейроподобная система «Электронный нос» в ближайшие время может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности, открывающим новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. Все это позволит обеспечить национальную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста. 21 Библиографический список "Электронный нос" - новое направление индустрии безопасности. Н. Долгополов, М. Яблоков. // Мир и безопасность http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=875&lvl=02.01.01 №4, 2007,
