基于傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號分析的氣體識別關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于氣體傳感器陣列的電子鼻是模擬生物嗅覺功能進(jìn)行氣體檢測的一種儀器，在公共安全監(jiān)測、食品質(zhì)量控制、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天及軍事等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。
　　氣體傳感器的敏感機(jī)理比較復(fù)雜，基于單個(gè)傳感器機(jī)理模型的氣體識別方法在實(shí)際應(yīng)用中難以達(dá)到理想的效果。利用多個(gè)氣體傳感器對多種氣體都有響應(yīng)卻又互不相同這一特點(diǎn)得到多條瞬態(tài)響應(yīng)曲線并進(jìn)行有效特征提取，是電子鼻識別氣體的關(guān)鍵。目前基于傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號分析的氣體識別方法

2、取得了一些成效，但在有效利用信息以實(shí)現(xiàn)定性/定量分析和混合氣體識別等方面還需要進(jìn)一步開展深入研究。本文從氣體傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號的獲取、預(yù)處理、特征提取、模式識別等方面入手，深入研究了基于傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號分析的傳感器陣列優(yōu)化、氣體定性/定量分析和混合氣體識別方法。論文完成的主要工作包括：
　　1．基于氧離子化模型建立了金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器與還原性氣體反應(yīng)的動力學(xué)模型。
　　傳感器的響應(yīng)動力學(xué)模型表明，金屬氧化物

3、半導(dǎo)體氣體傳感器的響應(yīng)與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、目標(biāo)氣體性質(zhì)以及半導(dǎo)體顆粒的尺寸和形狀有關(guān)。反映傳感器響應(yīng)快慢的速率常數(shù)和傳感器響應(yīng)的相對電導(dǎo)穩(wěn)態(tài)值均與氣體濃度近似成冪函數(shù)關(guān)系。
　　2．基于電子鼻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲取了氣體傳感器陣列與三種油液揮發(fā)氣體反應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)信號并進(jìn)行了分析和預(yù)處理。
　　整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)過程分為以下四個(gè)階段：穩(wěn)定狀態(tài)、上升過程、最大響應(yīng)、下降過程。這四個(gè)階段反映了傳感器的響應(yīng)動力學(xué)特性。若對陣列的響應(yīng)信號分析處理僅應(yīng)用

4、最大響應(yīng)值，必然會損失信息，所以基于瞬態(tài)響應(yīng)信號進(jìn)行氣體識別是非常必要的。信號預(yù)處理后可以減小外界環(huán)境噪聲，大大降低同類油液揮發(fā)氣體不同濃度樣本響應(yīng)值的差異。
　　3．深入研究了基于平行因子分析的氣體定性識別方法。
　　研究了應(yīng)用平行因子分析提取氣體傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號——三維數(shù)據(jù)陣特征參數(shù)的方法。應(yīng)用平行因子分析法對三維矩陣進(jìn)行處理同時(shí)獲得了樣本信息、響應(yīng)過程信息和傳感器信息，利用這些信息有效實(shí)現(xiàn)了樣本分類、測試時(shí)間優(yōu)化

5、和傳感器陣列優(yōu)化。由于該方法利用了時(shí)間維的所有信息，氣體樣本的定性識別結(jié)果更準(zhǔn)確，并在適當(dāng)縮短測量時(shí)間的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)有效識別；同時(shí)根據(jù)傳感器信息，可對傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少數(shù)據(jù)冗余。提出了應(yīng)用五層仿生鼠類嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行氣體定性識別的方法。該網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用平行因子分析法獲得的特征向量作為輸入，實(shí)現(xiàn)了氣體樣本的正確分類。該網(wǎng)絡(luò)模型能夠進(jìn)行快速訓(xùn)練，并能達(dá)到預(yù)期的誤差范圍。結(jié)果表明，利用仿生鼠類嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對平行因子分析提取的響

6、應(yīng)信號特征值進(jìn)行訓(xùn)練和測試，實(shí)現(xiàn)了三種油液揮發(fā)氣體的正確識別，也驗(yàn)證了平行因子分析方法的有效性。
　　4．深入研究了基于模糊聚類的傳感器陣列優(yōu)化方法。
　　將模糊聚類方法應(yīng)用于傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號處理實(shí)現(xiàn)傳感器陣列的優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果與應(yīng)用平行因子分析法進(jìn)行傳感器陣列優(yōu)化的結(jié)果是一致的。選用相關(guān)系數(shù)法構(gòu)建模糊等價(jià)關(guān)系矩陣對10個(gè)氣體傳感器進(jìn)行聚類，當(dāng)閾值設(shè)定適當(dāng)大時(shí)，可將10個(gè)傳感器聚為6類；閾值設(shè)定適當(dāng)小時(shí)，可將10個(gè)傳感

7、器聚為3類，與PEN3電子鼻所使用的氣體傳感器類型劃分一致。
　　5．深入研究了基于復(fù)頻域分析的氣體定量分析方法。
　　基于復(fù)頻域分析理論建立了不同氣體取樣體積下傳感器的傳遞函數(shù)模型并對傳感器的階躍響應(yīng)進(jìn)行了重構(gòu)。建立了傳遞函數(shù)模型參數(shù)與氣體取樣體積的非線性關(guān)聯(lián)模型。該模型揭示了階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)幅值、主時(shí)間常數(shù)均與氣體取樣體積成冪函數(shù)關(guān)系，這與傳感器響應(yīng)動力學(xué)模型分析的結(jié)果是一致的。提取傳遞函數(shù)模型參數(shù)作為描述傳感器響應(yīng)的特征值

8、，利用偏最小二乘法，實(shí)現(xiàn)了氣體的定量分析。
　　6．研究并提出了基于擴(kuò)展型類Legendre正交基分解的氣體識別方法。
　　提出了基于擴(kuò)展型類 Legendre正交基的信號分解方法，提取分解系數(shù)作為描述傳感器響應(yīng)的特征值，即把傳感器響應(yīng)的時(shí)域信息轉(zhuǎn)換到由分解系數(shù)所表征的擴(kuò)展型類Legendre正交基所張成的空間中。研究表明應(yīng)用基于擴(kuò)展型類Legendre正交基分解方法和偏最小二乘法，可以有效實(shí)現(xiàn)氣體定性識別和定量分析。將基于

9、擴(kuò)展型類Legendre正交基分解方法應(yīng)用到混合氣體識別。針對混合氣體識別問題，建立了非線性混合響應(yīng)特性模型。分別對柴油揮發(fā)氣體、齒輪油揮發(fā)氣體以及柴油/齒輪油揮發(fā)氣體的混合氣體的瞬態(tài)響應(yīng)信號進(jìn)行正交分解，采用冪函數(shù)形式對各分解系數(shù)與氣體取樣體積關(guān)系進(jìn)行擬合，以柴油揮發(fā)氣體為參考?xì)怏w，按非線性混合響應(yīng)特性模型可聯(lián)立得到一組非線性方程，求解即可獲得混合氣體的成分和取樣體積值。
　　上述研究工作為電子鼻在氣體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更為堅(jiān)