微通道智能電合成系統(tǒng)作為化工與材料合成領(lǐng)域的新興技術(shù)，憑借其高效、精準(zhǔn)、安全等優(yōu)勢，正逐步改變傳統(tǒng)合成工藝的格局。在該系統(tǒng)中，多模態(tài)傳感與數(shù)據(jù)融合策略的運(yùn)用至關(guān)重要，它們?nèi)缤到y(tǒng)的 “神經(jīng)" 與 “大腦"，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程的精細(xì)監(jiān)測與智能調(diào)控，確保反應(yīng)高效、穩(wěn)定且安全地進(jìn)行。

一、微通道智能電合成系統(tǒng)概述

      微通道智能電合成系統(tǒng)是利用微尺度通道內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)合成的裝置。其核心優(yōu)勢在于微通道的高比表面積，能極大提升傳質(zhì)、傳熱效率，精準(zhǔn)控制反應(yīng)條件，有效減少副反應(yīng)，提高產(chǎn)物純度與反應(yīng)選擇性。例如，在有機(jī)電合成中，可通過精確調(diào)節(jié)電流密度、反應(yīng)溫度與流速，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)路徑的精準(zhǔn)引導(dǎo)，這是傳統(tǒng)大尺度反應(yīng)器難以企及的。

二、多模態(tài)傳感技術(shù)在微通道智能電合成系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）電流 / 電位傳感器

      電流和電位是電合成反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。通過高精度的電流傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)過程中的電流變化，反映反應(yīng)速率與進(jìn)程。電位傳感器則用于測量電極電位，輔助判斷反應(yīng)的發(fā)生與進(jìn)行程度。在電催化合成過程中，電流的波動能直觀展現(xiàn)催化劑活性的變化，電位的穩(wěn)定與否也與反應(yīng)的穩(wěn)定性緊密相關(guān)。

（2）溫度傳感器

      反應(yīng)溫度對電合成反應(yīng)的速率與選擇性影響顯著。高精度、響應(yīng)迅速的溫度傳感器，如熱電偶或熱敏電阻，被部署于微通道關(guān)鍵位置，實(shí)時(shí)感知反應(yīng)溫度。在強(qiáng)放熱或吸熱的電合成反應(yīng)中，及時(shí)準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測是維持反應(yīng)在適宜溫度區(qū)間的基礎(chǔ)，防止因溫度失控導(dǎo)致反應(yīng)失敗甚至安全事故。

（3）流量傳感器

      反應(yīng)物與產(chǎn)物的流量控制關(guān)乎反應(yīng)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。流量傳感器，如電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等，精確測量流體流速與流量，確保反應(yīng)物按設(shè)定比例持續(xù)流入微通道，產(chǎn)物及時(shí)排出，維持反應(yīng)體系的動態(tài)平衡。在連續(xù)流電合成工藝中，穩(wěn)定且精準(zhǔn)的流量控制是實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的必要條件。

（4）濃度傳感器

      反應(yīng)物與產(chǎn)物的濃度變化是反應(yīng)進(jìn)程的直接體現(xiàn)。光譜類濃度傳感器，如紫外 - 可見分光光度計(jì)，可在線監(jiān)測溶液中物質(zhì)的濃度；電化學(xué)類濃度傳感器則通過檢測離子濃度變化來反映反應(yīng)進(jìn)行程度。在藥物中間體的電合成中，實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)物濃度，能及時(shí)調(diào)整反應(yīng)參數(shù)，保障產(chǎn)物收率與質(zhì)量。

（5）壓力傳感器

      反應(yīng)體系內(nèi)的壓力波動可能影響反應(yīng)速率、物質(zhì)傳輸及設(shè)備安全。壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測微通道內(nèi)壓力，在涉及氣體參與的電合成反應(yīng)中，尤為重要。及時(shí)察覺壓力異常，可防止管道堵塞、設(shè)備損壞等問題，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

三、多模態(tài)傳感數(shù)據(jù)融合策略

（1）數(shù)據(jù)級融合

      在數(shù)據(jù)采集初期，直接將來自不同傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。將電流、電位、溫度等傳感器的原始數(shù)據(jù)按時(shí)間序列整合，形成一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)集。這種融合方式保留了原始、全面的信息，但對數(shù)據(jù)處理能力要求較高，數(shù)據(jù)傳輸與存儲負(fù)擔(dān)較大。

（2）特征級融合

      先對各傳感器數(shù)據(jù)分別進(jìn)行特征提取，再將提取的特征進(jìn)行融合。從電流數(shù)據(jù)中提取反應(yīng)速率特征，從溫度數(shù)據(jù)中提取熱變化特征，然后將這些特征組合成一個(gè)新的特征向量。此方法降低了數(shù)據(jù)維度，減少計(jì)算量，同時(shí)保留了對反應(yīng)分析至關(guān)重要的特征信息，在實(shí)際應(yīng)用中較為常用。

（3）決策級融合

      各傳感器獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與決策，然后將這些決策結(jié)果進(jìn)行融合。電流傳感器判斷反應(yīng)是否正常進(jìn)行，溫度傳感器判斷溫度是否在安全范圍，最后綜合這些判斷結(jié)果做出整體決策。該方式對各傳感器的獨(dú)立性要求較高，通信負(fù)擔(dān)小，容錯(cuò)性強(qiáng)，適用于對實(shí)時(shí)性要求高且傳感器可靠性有保障的場景。

四、多模態(tài)傳感與數(shù)據(jù)融合策略的優(yōu)勢

（1）提升反應(yīng)監(jiān)測精度

      通過多種傳感器從不同維度監(jiān)測反應(yīng)，如同時(shí)獲取電流、溫度、濃度等信息，避免單一傳感器的局限性，全面且精準(zhǔn)地掌握反應(yīng)狀態(tài)。在復(fù)雜的電合成反應(yīng)中，單一傳感器可能因干擾或測量范圍限制而出現(xiàn)偏差，多模態(tài)傳感則能相互補(bǔ)充，提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

（2）增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性

      實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)融合能及時(shí)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)中的異常情況，如溫度突變、壓力異常等，并迅速做出調(diào)整。當(dāng)某一傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，其他傳感器的數(shù)據(jù)仍可支撐系統(tǒng)運(yùn)行，通過數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行故障診斷與補(bǔ)償，保障系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作。

（3）實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化與控制

      基于多模態(tài)傳感數(shù)據(jù)融合，結(jié)合先進(jìn)的算法與模型，可對反應(yīng)過程進(jìn)行智能優(yōu)化。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測反應(yīng)趨勢，自動調(diào)整電流、流量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)條件的控制，提高產(chǎn)物質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

五、挑戰(zhàn)與展望

（1）面臨挑戰(zhàn)

      不同傳感器數(shù)據(jù)的采樣頻率、數(shù)據(jù)格式與量綱存在差異，給數(shù)據(jù)同步與融合帶來困難；多模態(tài)數(shù)據(jù)量龐大，對數(shù)據(jù)存儲、傳輸與處理能力提出了很高要求；傳感器的精度、穩(wěn)定性與可靠性受環(huán)境因素影響，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差與錯(cuò)誤。

（2）未來展望

      研發(fā)更高效的數(shù)據(jù)融合算法，能自適應(yīng)處理不同類型、不同頻率的傳感器數(shù)據(jù)；借助邊緣計(jì)算與云計(jì)算技術(shù)，提升數(shù)據(jù)處理效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析與決策；發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)的新型傳感器，拓展多模態(tài)傳感的應(yīng)用范圍；將多模態(tài)傳感與數(shù)據(jù)融合技術(shù)與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)深度融合，推動微通道智能電合成系統(tǒng)向智能化、自動化、無人化方向發(fā)展，為化工、材料等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供有力支撐。

產(chǎn)品展示

      SSC-ECRS2000微通道連續(xù)流智能電合成系統(tǒng)主要用于電催化反應(yīng)和光電催化劑的性能評價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，配置反應(yīng)液體控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應(yīng)全自動在線檢測系統(tǒng)分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。 

      SSC-ECRS2000微通道連續(xù)流智能電合成系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應(yīng)池、在線檢測設(shè)備等進(jìn)行智能化、微型化、模塊化設(shè)計(jì)并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實(shí)現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測體系對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析。可以適配市面上多數(shù)相關(guān)的電解池，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制修改各種電催化池。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

● 將光源、電化學(xué)工作站、電催化反應(yīng)池、管路切換和氣相色譜模塊化集成化系統(tǒng)化；

● PLC控制系統(tǒng)集成氣路、液路控制、溫度控制、壓力控制、閥體切換、流路顯示等；

● 主要用于半導(dǎo)體材料的光電催化流動相CO2還原反應(yīng)活性評價(jià)等；

● 用于半導(dǎo)體材料的光電催化流動相H2O分解產(chǎn)氫、產(chǎn)氧活性評價(jià)、N2還原、電催化等；

● 微量反應(yīng)系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

● 導(dǎo)電電極根據(jù)需要可表面鍍金、鈀或鉑，導(dǎo)電性能佳，耐化學(xué)腐蝕；

● 標(biāo)配光電反應(yīng)池，可實(shí)現(xiàn)兩室三電極體系或三室三電極體系，采用純鈦材質(zhì)，耐壓抗腐蝕

● 可適用于氣-固-液三相界面的催化反應(yīng)體系，也可適用于陰陽極液流循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)；

● 測試范圍廣，CO2、CO、CH4、甲醇、氫氣、氧氣、烴類等微量氣體。