電子鼻{附程序+中英文翻譯}

1、摘要 電子鼻是一種由具有部分選擇性的化學傳感器陣列和適當?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)組成、能夠識別簡單或復(fù)雜氣味的儀器。電子鼻在食品工業(yè)、航空航天、環(huán)境監(jiān)測等方面具有誘人的應(yīng)用前景，因此，這一研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和普遍重視，近年來發(fā)展迅速。 電子鼻硬件系統(tǒng)是一個典型的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，使用了單片機的全部內(nèi)資源和多種外部接口技術(shù)。 電子鼻的軟件系統(tǒng)由單片機軟件和pc機軟件兩部分組成。單片機軟件用c語言編寫，在系統(tǒng)脫機工作時全面實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制、處理、分析和顯示功能;在連機工作時，負責采樣、數(shù)據(jù)傳送。pc機軟件用visual c+語言編寫。 關(guān)鍵字:電子鼻氣 敏傳感器陣列 模式識別 單片機特征提取abstract

2、the electronic nose is that one kind is has some alternative chemical sensor arrays and proper mode recognition systems to make up , can discern the instrument of the simple or complicated smell . the electronic nose has a captivating application prospect in such aspects as food industry , aero-spac

3、e , environmental monitoring, so, this research field is paid close attention to extensively and generally pay attention to, develop rapidly in recent years.the hardware system of electronic nose is that a typical one-chip computer uses the system, uses all inside resources of the one-chip computer

4、and many kinds of outside interface technology. the software system of the electronic nose is made up of one-chip computer software and pc software. the one-chip computer software is written in c language, realizes to the control , treatment , analysis of the system and shows the function in an all-

5、round way when the system taking off machine works; responsible for sampling , data transmission when the connecting with machine works. the pc software is written with visual c + language.key word: the electronic nose is angry array of the quick sensor pattern-recognition the characteristic of the

6、one-chip computer is drawn、目錄摘要iabstractii目錄iii第1章 緒論11.1電子鼻研究的背景11.1.1氣敏傳感器的應(yīng)用及其局限性11.1.2電子鼻的提出21.2電子鼻的研究現(xiàn)狀21.3論文的主要工作5第2章 電子鼻的原理和結(jié)構(gòu)62.1電子鼻的生物學基礎(chǔ)62.1.1嗅覺產(chǎn)生的機理和特點72.1.2嗅覺信號的傳遞和處理82.1.3嗅覺中樞的反饋82.2電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)92.3傳感器陣列的組成92.4傳感器陣列的簡單模型102.5信號預(yù)處理電路102.6模式識別技術(shù)112.7電子鼻中常用的模式識別方法122.8輸出方式14第3章 傳感器陣列的數(shù)學模型153.1

7、傳感器陣列的響應(yīng)矩陣153.1.1氣敏傳感器的響應(yīng)曲線153.1.2信號預(yù)處理163.1.3陣列對混合氣體的響應(yīng)173.2系統(tǒng)的識別性能183.2.1單個傳感器能識別的氣體數(shù)183.2.2陣列可識別的氣體數(shù)203.2.3響應(yīng)的不確定性對性能的影響253.2.4傳感器的相關(guān)性對性能的影響26第4章 電子鼻的硬件284.1電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計方案284.1.1電子鼻系統(tǒng)的研制目標284.1.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能294. 2進樣系統(tǒng)304.3單片機及其外圍電路324.3.1 mcs-51單片機及片外總線結(jié)構(gòu)334.3.2 mcs-51單片機的時鐘電路和復(fù)位電路364.3.3 mcs-51單片機的系統(tǒng)擴展3

8、64.4傳感器加熱電路384.5采樣電路404.6 鍵盤接口424.7字符型液晶顯示模塊lcm接口434. 8串行通信接口44第5章 電子鼻系統(tǒng)軟件465.1串行通信協(xié)議465. 2單片機軟件495.2.1連機子程序515.2.2脫機子程序525.2.3數(shù)據(jù)采集過程52第6章 結(jié)論54致謝55參考文獻56附錄1:中文資料58附錄2:英文資料63附錄3:程序68第1章 緒論 人類已經(jīng)進入信息時代，信息的獲取、傳輸和處理成為人類一切社會活動的中心，與此對應(yīng)的傳感技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)則構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。作為對信息的準確獲取和精密檢測的手段，傳感技術(shù)成為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，受到各國的重視

9、并因此成為發(fā)展最迅速的技術(shù)之一. 電子鼻是近年來迅速發(fā)展起來的一個研究領(lǐng)域，它是一門涉及傳感技術(shù)、模式識別、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、神經(jīng)生理學和數(shù)學等的交叉學科，傳感器技術(shù)和模式識別是其兩大基礎(chǔ)，電子技術(shù)和計算機技術(shù)為其提供了實現(xiàn)手段，神經(jīng)生理學和數(shù)學為其提供了理論基礎(chǔ)并指明了發(fā)展方向。1.1電子鼻研究的背景1.1.1氣敏傳感器的應(yīng)用及其局限性 傳感器是指能感受規(guī)定的被檢測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感技術(shù)是以傳感器為核心，結(jié)合相關(guān)的學科(微電子學、材料科學等)形成的關(guān)于傳感器材料、設(shè)計、制造、性能和應(yīng)用的綜合技術(shù) 根據(jù)工作原理的不同，傳感器

10、大體上可以分為物理型、化學型和生物型三大類。氣體傳感器是化學傳感器的一個重要分支，它是一種能感受被測氣體，并能根據(jù)氣體濃度，按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號的裝置，在工業(yè)生產(chǎn)、軍事工程、環(huán)境保護、防災(zāi)報警、食品檢測、醫(yī)療衛(wèi)生等方面有廣泛的應(yīng)用前景。 氣敏傳感器的種類很多，常用的如固態(tài)電解質(zhì)氣敏傳感器、半導體氣敏傳感器、聲表面波氣敏傳感器等。各類氣敏傳感器性能差異較大，各自的主要檢測對象也不一樣，但是它們都不同程度地存在著諸如選擇性、穩(wěn)定性、一致性等問題。 因此，單個的氣敏傳感器雖然能有效地用于特定的場合，但是在檢測成分復(fù)雜的混合氣體或揮發(fā)性化學物質(zhì)時，在靈敏性、對復(fù)雜混合物的分辨能力和對不斷變化的

11、環(huán)境的適應(yīng)性上遠遜于人的嗅覺系統(tǒng)，更無法和豬、狗等以嗅覺靈敏著稱的動物相比。1.1.2電子鼻的提出 目前，在很多領(lǐng)域仍然應(yīng)用人或動物的嗅覺對氣味進行分辨、識別或評價，如利用人的嗅覺評價食品(如咖啡、白酒等的質(zhì)量)、利用狗的嗅覺檢測毒品和爆炸物等。動物的嗅覺具有靈敏度高、容錯性強等優(yōu)點，而且具有訓練、學習功能。但是，動物，特別是人的嗅覺系統(tǒng)有一定的主觀性，并且在一個環(huán)境中待久了，嗅覺系統(tǒng)容易疲勞，也就是所謂的“久入芝蘭之室而不聞其香，久入鮑魚之肆而不聞其臭”，更重要的是，在自動化程度高的領(lǐng)域，如食品工業(yè)，由于生產(chǎn)過程的其他環(huán)節(jié)己經(jīng)實現(xiàn)自動化，用人工去評價原料、成品或半成品的質(zhì)量已經(jīng)成為制約生產(chǎn)效

12、率進一步提高的瓶頸。 一個模擬嗅覺分辨機理的設(shè)備，如果能克服單個傳感器的缺點，既能檢測特定的氣體，又能評價混合氣體或揮發(fā)性化學物質(zhì)，再加上它不會疲勞，可以給出客觀的數(shù)據(jù)或結(jié)論，將會在某些領(lǐng)域中部分或完全替代動物的嗅覺，在特殊環(huán)境條件下更將大有用武之地。 雖然生物學家至今尚未完全理解嗅覺感受和氣味辨別所涉及的生物化學機理，但是相關(guān)技術(shù)的發(fā)展使得通過電子方法模擬動物的鼻子成為可能。在此過程中，人們主要是模仿生物嗅覺系統(tǒng)的兩個基本特征：(1)對多種氣體和氣味敏感；(2)通過必要的處理，能夠識別所聞到的氣體或氣味。1.2電子鼻的研究現(xiàn)狀 在過去的三十多年中，一些研究人員一直活躍在這一領(lǐng)域，包括wilk

13、ens ,dravnieks, tanyolac, herberhold, persaud, dodd以及abe等人，他們都曾經(jīng)嘗試設(shè)計和制造包含生物嗅覺系統(tǒng)概念的設(shè)備。1964年，wilkens和hatman提出對嗅覺過程的電子模擬，這是有關(guān)電子鼻的最早報道。1982年，英國warwick大學的persaud和dodd提出了電子鼻的概念，他們的電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)兩部分，而前者由三個半導體氣敏傳感器組成。這一簡單的系統(tǒng)可以分辨按樹腦、玫瑰油、丁香芽油等21種復(fù)雜的揮發(fā)性化學物質(zhì)的氣味。1994年，英國warwick大學的gardner和southampton大學的bar

14、tlett使用了“電子鼻”這一術(shù)語并給出了定義“電子鼻是一種由具有部分選擇性的化學傳感器陣列和適當?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)組成，能識別簡單或復(fù)雜氣味的儀器”。 隨著材料科學和制造工藝的發(fā)展，經(jīng)過warwick(英國)、southampton(英國)、toulouse(法國)和tuebingen(德國)等大學的研究人員十幾年的努力，電子鼻的研究達到了一個相當高的水平。 目前，電子鼻的研究主要集中在以下幾個方面:1.器件方面的研究:包括新型敏感材料，特別是有機材料、復(fù)合材料和生物敏感材料，以及新型傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝研究。目前已經(jīng)開發(fā)出多種敏感材料和陣列結(jié)構(gòu)。 2.模式識別方法的研究:包括適合傳感器陣列響應(yīng)信

15、號的特征提取方法和模式識別方法兩方面，常用的模式識別方法有統(tǒng)計模式識別的方法(包括主成分分析、判別函數(shù)分析、聚類分析等)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(包括bp網(wǎng)絡(luò)、kohonen網(wǎng)絡(luò)等)的方法，表1. 1給出了電子鼻中常用的模式識別方法。與統(tǒng)計模式識別相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)模式識別有以下幾個優(yōu)點:它本身模擬了神經(jīng)信號的傳輸和整合機理，和嗅覺系統(tǒng)最為接近；良好的容錯性和很強的適應(yīng)能力；具有很強的自學習能力和對環(huán)境的自適應(yīng)能力;網(wǎng)絡(luò)被訓練好后具有快速操作性能。因而ann在電子鼻研究中最具有應(yīng)用前景。表1.1 電子鼻中常用的識別方法模式識別方法監(jiān)督參數(shù)線性傳感器主成分分析有無是mos,cp,qmb判別函數(shù)分

16、析(dfa)有有是/否mos,cpbp網(wǎng)絡(luò)有無 無mos,cp,saw歐幾里德聚類分析無無是mos,cp,saw非歐幾里德聚類分析無無否mos,cp,sawkohonen網(wǎng)絡(luò)無無無mos,cp,saw模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fnn)無無無mos 3.應(yīng)用研究，特別是在食品工業(yè)、環(huán)境保護和航天工業(yè)方面的研究，電子鼻被用來分析肉類、水果等的新鮮度、環(huán)境中有害氣體的含量、航天器中氣體的成分和濃度等。 4.前瞻性研究，如分布式電子鼻網(wǎng)絡(luò)、“nose on a chip”等。國外由于電子鼻研究開展較早，1995就出現(xiàn)了商品化的電子鼻設(shè)備。目前，alpha mos(法國)、airsense(德國)，能夠提供電子鼻設(shè)

17、備。(部分有代表性的產(chǎn)品如表1. 2所示)表1.2 部分商品化的電子鼻產(chǎn)品名稱公司構(gòu)成或應(yīng)用說明 a32/8s英國neotronics使用32個cp傳感器，與計算機聯(lián)用nose英國osmetech plc使用10個cp傳感器，檢測啤酒 fox5000法國alpha mos4個帶有各自溫度和濕度傳感器（mos，cp，或qcm）陣列，與計算機聯(lián)用bh114英國第一臺基于電子鼻的質(zhì)譜儀，與計算機聯(lián)用smart nose-300瑞士 smart nose使用14個cp傳感器，與計算機聯(lián)用 pen德國wma airsense analsentechnik使用10個mos氣敏傳感器的臺式電子鼻mode14

18、100美國 estcal便攜式模塊化電子鼻，包含qmb，mos，溫度，電化學等多種傳感器 比較而言，國內(nèi)的電子鼻的研究工作起步較晚，研究水平還處在實驗室階段，表1. 3列出了部分研究單位及其成果。表1.3 國內(nèi)部分電子鼻研究單位研究單位陣列構(gòu)成應(yīng)用中科院半導體所石英晶振酒類，醬油，清涼油等浙江大學生物系laps器件呼吸氣體丙酮含量廈門大學化學系聲表面波器件有機試劑，酒類，香料等解放軍防化研究院金屬氧化物氣敏傳感器有毒氣體，酒類，香水類 1.3論文的主要工作 本論文的主要工作是跟蹤國際先進水平，進行電子鼻及其應(yīng)用研究，從電子鼻的生物學原理、數(shù)學基礎(chǔ)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計與實現(xiàn)以及具體應(yīng)用等方面對電子

19、鼻進行系統(tǒng)研究。論文的主要內(nèi)容包括以下三個部分： 1)電子鼻原理與結(jié)構(gòu)研究。從生物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和嗅覺機理出發(fā)，全面總結(jié)了電子鼻的原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計思想。在傳感器陣列的組成、信號預(yù)處理電路的設(shè)計、模式識別方法的選擇等方面進行了總結(jié)和探討。 2)提出了一種傳感器陣列的數(shù)學模型，推導出傳感器陣列的規(guī)模、信號量化的位數(shù)與電子鼻識別能力之間的數(shù)學關(guān)系，量化了信號的不確定性對電子鼻性能的影響。 3)用單片機設(shè)計了一個電子鼻系統(tǒng)電路，包括進樣系統(tǒng)、單片機應(yīng)用系統(tǒng)和pc機。 進樣系統(tǒng)為一種新型流氣式進樣系統(tǒng)，可以保證進樣過程的重復(fù)性，為傳感器陣列動態(tài)響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及后續(xù)處理提供了堅實的基礎(chǔ)。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)使

20、用了單片機的全部內(nèi)部資源和多種外部接口技術(shù)。其中，提出了一種新的信號調(diào)節(jié)電路，很好地解決了采樣電路的靈敏度問題。本文的內(nèi)容安排如下：第二章，電子鼻的原理和結(jié)構(gòu)。第三章，傳感器陣列的數(shù)學模型，第四章電子鼻系統(tǒng)的硬件。第五章，電子鼻系統(tǒng)的軟件。第六章，結(jié)論與展望。全面總結(jié)論文工作。第2章 電子鼻的原理和結(jié)構(gòu) 電子鼻是模擬生物嗅覺系統(tǒng)，由傳感器陣列結(jié)合模式識別系統(tǒng)構(gòu)成的。對生物嗅覺系統(tǒng)的神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)和嗅覺的生物化學機理的理解決定了電子鼻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、傳感器陣列的組成和模式識別方法的使用。 本章從生物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，論述了電子鼻的原理和結(jié)構(gòu)，并提出了自己的理解?？偨Y(jié)出電子鼻設(shè)計的一些指導思想，如

21、傳感器的選擇、特征提取和模式識別方法。2.1電子鼻的生物學基礎(chǔ) 嗅覺是生物的嗅覺系統(tǒng)對某種氣體或揮發(fā)性物質(zhì)的分子產(chǎn)生的一種生理反應(yīng)。人的嗅覺傳導通路如圖2. 1所示。嗅覺的感受器細胞是位于嗅上皮上的嗅細胞，嗅細胞向嗅球發(fā)出軸突，在那里與僧帽細胞發(fā)出的樹突相連接。大約有25, 000根軸突進入一個嗅球，與25個左右的僧帽細胞相連，再由僧帽細胞通過嗅束把信號傳送到中樞。 圖2.1 人的嗅覺傳導通路 圖2.2 嗅上皮的結(jié)構(gòu)2.1.1嗅覺產(chǎn)生的機理和特點 刺激感受器的氣味分子首先被黏液吸收，然后擴散到纖毛(可能還有小球)處，與膜受體結(jié)合。刺激物與感受器反應(yīng)，增加了嗅纖毛的通透性，改變膜電導，引起膜電位

22、的變化。這樣嗅細胞就產(chǎn)生感受器電位并導致嗅神經(jīng)纖維產(chǎn)生神經(jīng)沖動。嗅覺感受器能在幾毫秒內(nèi)對揮發(fā)物質(zhì)起反應(yīng)，響應(yīng)時間較一些氣敏元件短得多。 嗅電圖(electro-olfactogram, eog,嗅覺膜上記錄到的生物電反應(yīng))的振幅及嗅神經(jīng)脈沖的發(fā)送頻率在很大范圍內(nèi)均與刺激強度的對數(shù)成正比，跨度為2-3個對數(shù)范圍。不同的氣體分子的嗅覺閉值相差很大，有些特別低，如每毫升空氣中只要存在1 /25, 000, 000, 000, 000mg的甲基硫醇就能被嗅出。 有時候，盡管域值低的揮發(fā)性物質(zhì)在混合氣體或氣味中的含量很少，但這類微量雜質(zhì)在特定的環(huán)境中可以對嗅覺系統(tǒng)感受到的氣味產(chǎn)生顯著的影響，甚至的混合氣

23、決定了復(fù)雜體或氣味的氣味輪廓(odor profile)。很多食物敗味就是因為出現(xiàn)了這類功能強大的揮發(fā)性物質(zhì)，這樣使得對氣味的感受無法與氣味的主要成分統(tǒng)一。 這一現(xiàn)實帶來了兩方面的問題:1.考慮到氣味是一種主觀感受，所以氣味識別必須要解決這一問題，即不能簡單地根據(jù)各個氣體成分的濃度來決定混合物的味道。這也是氣味識別不同與氣體識別的地方之一。2.在食品檢測，如魚的新鮮度檢測時可能需要靈敏度較高的傳感器。 雖然有的感受器細胞很可能只對狹小范圍內(nèi)的哺乳類動物信息素起反應(yīng)，但是總的說來，一個特定的感受器細胞對于一組氣味刺激的反應(yīng)，顯示一種寬廣的響應(yīng)譜，還沒有找到昆蟲那種第一類的氣味“專家”。嗅細胞可能

24、不同程度地對11或12種不同的氣味敏感嗅覺系統(tǒng)的專一性是通過將這些帶有部分重合的敏感特性的感受器細胞組合起來得到的. 參考嗅細胞的這一特性，我們在設(shè)計傳感器陣列時，可以充分利用氣敏元件的“交叉敏”。這樣，一方面變降低了對傳感器的選擇性的要求，另一方面也有利于提高陣列的效率。2.1.2嗅覺信號的傳遞和處理 嗅感受器以每秒1-3個的低頻率發(fā)送脈沖。大多數(shù)氣體使脈沖數(shù)量增加，也有少數(shù)氣體能抑制脈沖發(fā)放。強烈的氣味可以顯著增加脈沖的頻率，最大可增加20倍。電生理學的研究表明，在沒有氣味刺激時，僧帽細胞就有一種持續(xù)的“自發(fā)電位”。當受氣味刺激時，就在這種背景脈沖上引起頻率的增減. 根據(jù)這一現(xiàn)實，我們可以

25、把嗅覺信號看作調(diào)頻信號，準確地講是調(diào)頻準數(shù)字信號。從這種意義上來說，使用聲表面波器件(sawd)氣體傳感器來構(gòu)造傳感器陣列更接近生物學系統(tǒng)。 嗅覺信號沿著感受器神經(jīng)元的軸突傳播至嗅球中的幾千個神經(jīng)纖維球中，經(jīng)過某種處理后由嗅球的傳出神經(jīng)元一僧帽細胞向神經(jīng)中樞傳送。前面說過，每個嗅球大約有25, 000個傳入神經(jīng)元和25個傳出神經(jīng)元，這種神經(jīng)結(jié)構(gòu)通過對基本信號的高度整合提供了巨大的計算能力，從而也有很強的容錯能力。 嗅球呈球狀結(jié)構(gòu)，其中包含了發(fā)生較高層次處理的神經(jīng)纖維球。在嗅球的表面可以觀察到二維活動模式。那里表現(xiàn)為氣味和區(qū)域沒有空間關(guān)系，或者說，沒有某個區(qū)域用于薄菏味而另一個區(qū)域用于刺鼻的氣味

26、，該處理更多地表現(xiàn)為空間付立葉變換。因而，破壞嗅球的一部分只是限制了氣味感覺的精度而不是其范圍。這種生物學設(shè)計有較好的容錯性，在信號處理中有好處。 嗅覺信號由僧帽細胞直接或間接傳到腦的有關(guān)區(qū)域。在那里進行進一步的整合，產(chǎn)生嗅覺的基本反應(yīng)和更復(fù)雜的條件反射。2.1.3嗅覺中樞的反饋 中樞神經(jīng)系統(tǒng)對嗅球活動還存在著傳出控制。嗅覺中樞發(fā)出的神經(jīng)纖維通過嗅束進入嗅球，這是從中樞到外周的傳出。這些神經(jīng)纖維與位于嗅球中央的大量小的顆粒細胞相聯(lián)系，并通過后者對僧帽細胞產(chǎn)生抑制神經(jīng)樹突?？梢哉J為，這種對于嗅球的抑制，是嗅覺中樞的反饋作用，它可能對產(chǎn)生適應(yīng)和提高區(qū)分各種氣味的能力有關(guān)。2.2電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 典

27、型的電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，它一般由傳感器陣列、信號預(yù)處理系統(tǒng)、模式識別系統(tǒng)組成，由單片機或計算機實現(xiàn)控制、計算和i/0接口?？疾靾D2.1和圖2.3，我們可以簡單地從結(jié)構(gòu)上將傳感器陣列、信號預(yù)處理、模式識別分別與嗅覺膜、嗅小球、神經(jīng)中樞相類比，更重要的是在功能上電子鼻系統(tǒng)在下面兩個方面也具有生物嗅覺系統(tǒng)的特點:(1)對多種氣體或氣味敏感:(2)通過必要的處理，能夠識別所感受到的氣體或氣味。結(jié)果輸出模式識別信號預(yù)處理傳感器陣列 圖2.3 電子鼻系統(tǒng)2.3傳感器陣列的組成 氣敏傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，合適的陣列對提高整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。陣列可以是由多個分立元件構(gòu)成，也可以是單片集

28、成的。對器件的主要要求為： 1.在任何系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器陣列的尺寸都是最重要的。如果需要很多敏感元件，最好使用集成的氣敏傳感器陣列而不是由分立元件構(gòu)造陣列。目前已經(jīng)開發(fā)出多種敏感材料和陣列結(jié)構(gòu)的微型氣敏傳感器陣列。幾個研究小組己經(jīng)開發(fā)出集成的金屬氧化物傳感器。在保證相同數(shù)量級的敏感性這一條件下，和tgs器件相比，它們有低得多的功耗和較好的穩(wěn)定性。無機傳感器制造工藝和硅工藝過程兼容，只要改進這些器件的敏感性就可能取得重大進展 2.檢測過程是可逆的，器件應(yīng)該性能穩(wěn)定，工作可靠，重復(fù)性好，但考慮到有時需要更換傳感器，所以更加要求傳感器的一致性。 3.具有廣譜響應(yīng)的特性，但對于不同種類的氣體，響應(yīng)程度

29、不同?？紤]到在生物嗅覺系統(tǒng)中，一個感受器細胞可能不同程度地對十多種不同的氣味敏感，顯示出一種很寬的響應(yīng)譜，而系統(tǒng)的選擇性是通過整合來自多個交叉敏感的感受器細胞的信號得到的。我們在構(gòu)造傳感器陣列時，盡量使各氣敏器件或單元有一定的交叉敏。這樣，不僅降低了對傳感器的選擇性的要求，而且也有利于提高陣列的效率。電子鼻系統(tǒng)就是利用傳感器陣列的交叉敏感特性，通過模式識別技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性并提高測量精度的。2.4傳感器陣列的簡單模型 關(guān)于傳感器陣列的數(shù)學模型，目前還沒有詳細完備的描述，常用的說法是:選用m個器件構(gòu)成一個陣列，每個傳感器有n種測試模式，這樣陣列共有p=mxn個模式。圖2. 4給出了傳感器陣列

30、的測試模型，傳感器陣列對于被測氣體的響應(yīng)，在不同的測試模式中是不同的。 hc1 cono . . . . 傳感器11傳感器2傳感器m測試1測試2測試n圖2.4 傳感器陣列測試模型2.5信號預(yù)處理電路 一般而言，信號預(yù)處理包括信號調(diào)節(jié)和ad采樣，前者將傳感器對氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀诇y量的電信號(電壓或電流)，后者則將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ阶R別系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號。二者是相互影響、相互制約的關(guān)系，只有良好配合才能充分發(fā)揮信號預(yù)處理的作用，獲取關(guān)于被測樣本的足夠多的信息量，為后面的模式識別打下堅實的基礎(chǔ)。 a 分壓電路 b電橋 c 反向放大器 信號調(diào)節(jié)電路本質(zhì)上是一種接口電路，設(shè)計時在考慮輸出電信號本身的

31、精度和動態(tài)范圍的同時，也應(yīng)該考慮adc的輸入范圍和量化精度以及后續(xù)處理的進一步要求。具體到電子鼻，在定性分析中，如果只關(guān)心穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可以將電路設(shè)計為在傳感器達到穩(wěn)定響應(yīng)時，測量的靈敏度最大，其余過程就不太關(guān)心。如果想利用整條響應(yīng)曲線，則要將電路設(shè)計為輸出信號與傳感器電阻的變化成正比。保證整個過程的測量精度。如果想進一步定量分析樣本，則希望輸出信號與樣本的濃度成正比。同時，輸出信號要滿足adc的動態(tài)范圍。 2.6模式識別技術(shù) 模式識別是伴隨著計算機的研究、應(yīng)用發(fā)展起來的一門新興學科，在計算機理論、信號與信息處理、自動控制理論等方面得到了廣泛的應(yīng)用。近年來被用于智能嗅敏中，已引起普遍的重視。 按照

32、廣義的定義，模式是一些供模仿用的、完美無缺的標本;模式識別就是識別出特定客體所模仿的標本。具體地說，模式被理解成取自客觀世界有限部分的單一樣本的被測量值的綜合;模式識別就是試圖確定一個樣本的類別屬性，即把某一樣本歸屬于多個類型中的某一類型.圖2.6為模式識別的過程框圖，其中每一步都關(guān)系到最終的分類結(jié)果模式采集預(yù)處理模式分類特征提取被識別對象圖2.6 模式識別框圖 被識別的對象是我們感興趣的電信號或非電量。在電子鼻系統(tǒng)中為單一或混合氣體或各種氣味。 模式采集是由能測量各種特征的敏感元件來實現(xiàn)的，目的是將樣本映射到模式空間(所有樣本觀測數(shù)據(jù)的全體構(gòu)成的n維空間)。 在模式空間中，根據(jù)不同的研究對象

33、和要求，需要對信號進行不同形式的預(yù)處理。預(yù)處理的可以實現(xiàn)以下功能:1,濾除模式采集過程中引入的噪聲和干擾，提高信噪比;2、消除信號的模糊和失真，人為地增強有用信號:3、為后級處理方便，對信號進行適當?shù)淖儞Q為了降低模式空間中數(shù)據(jù)的維數(shù)以減少運算量，結(jié)合模式分類時的判決準則壓縮數(shù)據(jù)的維數(shù)稱為特征提取。降維后的數(shù)據(jù)構(gòu)成特征空間。通過特征提取不僅可以減少運算量，而且往往有利于提高分類的準確率，盡管降維時損失了信息量。 模式分類是將特征空間劃分為類型空間。分類的方法有很多，如統(tǒng)計決策方法、句法結(jié)構(gòu)方法、模糊判決方法和人工智能方法。前兩種發(fā)展的比較成熟，效果也不錯。模糊判決法是將模糊數(shù)學的有關(guān)研究成果引入

34、前兩種方法中發(fā)展起來的。人工智能的方法，特別是其中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法更具有誘人的前景。2.7電子鼻中常用的模式識別方法 哺乳動物的鼻子包含了一些很復(fù)雜的模式識別的內(nèi)容，它把極端敏感性和寬的選擇性結(jié)合起來。據(jù)信這是通過在集中的神經(jīng)元通路上廣泛地組織調(diào)諧接受器細胞來獲取的。其中每個通路發(fā)送與混合氣味中某單個特征有關(guān)的信息。因而，模擬意味著電子氣體敏感單元必須包含一些類型的特征提取。電子鼻系統(tǒng)中常用的模式識別方法有以下幾種: 1.統(tǒng)計模式識別 統(tǒng)計模式識別是一類傳統(tǒng)的模式識別方法，包括幾何分類(線性分類，非線性分類)、統(tǒng)計分類(bayes決策)和無教師的分類(聚類分析)。 2.模糊模式識別 模糊數(shù)

35、學是誕生于1965年的一門新興學科，它是用來研究模糊現(xiàn)象的定量處理方法。模糊性是指存在于現(xiàn)實中的不確定性，這種不確定性是由排中律的破缺造成的。如“健康”就是一個不確定的概念，它與“不健康”之間沒有明確的界限。由于許多客觀事物的特征具有模糊性，所以人們可以采用模糊數(shù)學得方法對模糊的客觀事物進行識別和分類，如預(yù)報天氣、衛(wèi)星偵察軍事設(shè)施等，都屬于f ( fuzzy)模式識別。 模糊模式識別大致有兩種方法:一種是直接方法，按“最大隸屬度原則”歸類，主要用于個體的識別;另一種是間接方法，按“擇近原則”歸類，一般用于群體模型的識別。對于具體的應(yīng)用問題，f模式識別最重要的是建立f集的隸屬函數(shù)。常用的方法有f

36、統(tǒng)計方法、三分法、f分布等。 3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)也被廣泛用于電子鼻系統(tǒng)a, zz, zal。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代神經(jīng)科學研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)人腦的基本功能特征，試圖模仿生物學系統(tǒng)的功能或結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來的一種新型信息處理系統(tǒng)或計算體系。它不是生物體真實神經(jīng)系統(tǒng)的拷貝，而僅是其數(shù)學抽象及粗略的逼近和模仿。 從本質(zhì)上講，這是一類由大量基本信息處理單元通過廣泛聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的動態(tài)信息處理系統(tǒng)。其信息處理是并行的，由計算處理單元間的相互作用來實現(xiàn);其信息和知識的表達是分布的，以網(wǎng)絡(luò)各單元相互之間的物理聯(lián)系作為知識與信息的存儲形式。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，信息由各單元間的聯(lián)結(jié)強度所編碼表達

37、。由于用聯(lián)結(jié)強度來表達知識，故網(wǎng)絡(luò)學習的目的就是尋找一組合適的聯(lián)結(jié)強度，網(wǎng)絡(luò)的記憶存儲行為表現(xiàn)為各單元間聯(lián)結(jié)權(quán)重的動態(tài)演化過程. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別提供了氣味識別的并行分布式處理解決方法。和傳統(tǒng)的模式識別技術(shù)相比，它們有以下幾個優(yōu)點:良好的容錯性和很強的適應(yīng)能力:具有很強的自學習能力和對環(huán)境的自適應(yīng)能力:網(wǎng)絡(luò)一旦被訓練好后具有快速操作性能。然而網(wǎng)絡(luò)的訓練需要大量的數(shù)據(jù)和時間，同時，和多變量統(tǒng)計技術(shù)相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個缺點是分類器的不透明。統(tǒng)計技術(shù)可以提供分類時的信任度和附加信息以幫助解釋哪些傳感器在辨別時最有用(不一定是最敏感的元件)。對于一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，知識保留在各神經(jīng)元的聯(lián)結(jié)矩陣的元素上。

38、因為哪怕是一很小的網(wǎng)絡(luò)也需要大量的聯(lián)結(jié)，所以提取刻劃每個傳感器對最終分類的貢獻的信息和信任度是困難的。輸入m輸入1輸出1輸出n 圖2.7 一個典型的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三層，使用反傳算法(b-p算法)訓練，也有人使用多層網(wǎng)或其它類型的網(wǎng)絡(luò)。圖2. 8給出了一個使用b-p算法的三層網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。這里，輸入層被從傳感器輸出來的信息激勵，該激勵將經(jīng)過加權(quán)后傳遞，通過第二層(隱藏層)到達輸出層。因此，輸入神經(jīng)元的數(shù)量是陣列中所用傳感器數(shù)量的函數(shù)，典型的輸出神經(jīng)元的數(shù)量等于被分成的類別數(shù)。對某一未知樣本，根據(jù)輸出層神經(jīng)元發(fā)出的信號的電平可以有效地分類該樣本。在訓練時，從傳感器陣列來的樣本被送到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端，生

39、成一個可以和己知的目標輸出矢量比較的網(wǎng)絡(luò)輸出矢量。可以計算二者的誤差并據(jù)此修正權(quán)重矩陣的元素，并在隨后的迭代過程中進一步地減少誤差。迭代是從輸出層到輸入層反向通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。如果目標矢量和輸出矢量沒有差別，就不調(diào)整權(quán)重因而也沒發(fā)生學習. 模式識別在氣味辨別上的應(yīng)用仍處于早期階段。一個復(fù)雜的系統(tǒng)可以使用幾種補充技術(shù)和智能處理來辨認傳感器提供的最有用的相關(guān)信息。2.8輸出方式根據(jù)實際應(yīng)用，電子鼻有兩種輸出方式:1、直接輸出識別或分類結(jié)果，適用于完全用電子鼻來做決策的情況 , 2、輸出被測物的數(shù)字指紋(特征值)，供人或分布式電子鼻系統(tǒng)中的主機系統(tǒng)作為參考依據(jù)。第3章 傳感器陣列的數(shù)學模型 在電子鼻系

40、統(tǒng)中，傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)是兩個基本組成部分，信號預(yù)處理是二者之間數(shù)據(jù)聯(lián)系的橋梁。傳感器陣列可以是單片集成的，也可以由多個分立元件組成。傳感器陣列的每個單元對一種或多種氣體敏感，整個陣列對不同氣體的響應(yīng)構(gòu)成一個響應(yīng)矩陣。時間序列的特性和精度直接影響著模式識別方法的選擇，并最終決定了整個系統(tǒng)的性能，如分辨率、靈敏度、一致性等。 本文在介紹氣敏傳感器響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上，從概率論和隨機過程的理論出發(fā)，討論了傳感器陣列的數(shù)學模型，包括信號預(yù)處理和特征提取方法，并探討了傳感器陣列的維數(shù)和adc的位數(shù)等參數(shù)對電子鼻性能的影響。3.1傳感器陣列的響應(yīng)矩陣圖3.2 氣敏傳感器的響應(yīng)曲線3.1.1氣敏傳感器的

41、響應(yīng)曲線 在電子鼻中應(yīng)用的傳感器種類比較多，常用的如半導體氣敏傳感器、導電聚合物、聲表面波器件等。我們以半導體氣敏傳感器為例來描述氣敏傳感器的響應(yīng)曲線。圖3. 2給出了典型的半導體氣敏傳感器響應(yīng)曲線，測量參數(shù)為傳感器的電阻值。整條曲線分為四段:1.穩(wěn)定狀態(tài)，傳感器加熱后在測試環(huán)境中達到穩(wěn)定狀態(tài)。2.吸附過程，傳感器吸附待測樣品，電阻值發(fā)生變化。半導體傳感器的響應(yīng)時間一般在1分鐘以內(nèi)。3.最大響應(yīng)，經(jīng)過一定的時間，傳感器的響應(yīng)趨于一個穩(wěn)定值。4.脫附過程，傳感器和樣品脫離接觸，一段時間后，傳感器的電阻值重新恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。氣敏傳感器響應(yīng)過程的后三個階段都包含有與樣品有的信息，在實際應(yīng)用中，人們通

42、常只使用傳感器的最大響應(yīng)，而沒有利用其余兩個過程的信息。這時，人們不太關(guān)心脫附過程，只記錄傳感器由穩(wěn)定狀態(tài)達到最大響應(yīng)，即穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的過程，也就是圖2中由0到t:這一段，一般t2會取的很大。這樣做，損失了大量的信息，其結(jié)果是降低了識別效果。在電子鼻設(shè)計中，可以充分利用整條曲線的信息量，大大提高了識別效果。 3.1.2信號預(yù)處理圖3.2 氣敏傳感器的響應(yīng)曲線 一般而言，信號預(yù)處理包括信號調(diào)節(jié)和ad采樣，前者將傳感器對氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足adc量程、容易測量的電信號(電壓或電流)，后者則將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ阶R別系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號。信號預(yù)處理電路的設(shè)計主要取決于傳感器的響應(yīng)特性和后續(xù)處理要求，信號調(diào)

43、節(jié)電路的傳輸函數(shù)h(t)和adc的位數(shù)k直接決定了量化后的數(shù)字信號所包含的信息量，從根本上決定了模式識別系統(tǒng)的識別精度。 在圖3. 5中。從圖中可以看出，經(jīng)過信號預(yù)處理，傳感器的響應(yīng)由隨機過程轉(zhuǎn)變成時間序列。以后，就把這一時間序列稱作傳感器的輸出信號。在信號預(yù)處理過程中，信號調(diào)節(jié)電路中的噪聲成分進行了變換，并引入了新的噪聲，adc也產(chǎn)生了量化噪聲。這里，我們無意分析具體噪聲，只是將輸出信號x(n)看作一個確定信號r (n)和一個噪聲序列v (n)信號之和，為簡單起見，仍然將v(n)看作高斯噪聲。3.1.3陣列對混合氣體的響應(yīng) 從數(shù)學上講，構(gòu)造傳感器陣列最簡單的方式是針對每種待測氣體選擇一種只對

44、該氣體敏感的傳感器。這時，m=n，響應(yīng)矩陣退化為對角陣。在這種情況下，數(shù)據(jù)的處理相對簡單，用不著采用復(fù)雜的模式識別方法，只需要分別處理單個傳感器的數(shù)據(jù)就可以得到對應(yīng)氣體的全部信息?？上饷魝鞲衅鳠o法作到只對某種氣體敏感，它們都程度不同地對其它氣體具有交叉敏感特性:同時，如果每種氣體都配一種傳感器，在分析復(fù)雜氣體時，陣列的規(guī)模也是無法忍受的。所以，上述情況在物理上基本無法實現(xiàn)。 事實上，在電子鼻系統(tǒng)中，恰恰是利用了傳感器的交叉敏，這不僅降低了對器件的選擇性的要求，還達到使用較小規(guī)模的陣列來分類、識別較多種類的氣體或氣味的目的。也就是說，傳感器陣列中每個傳感器都程度不同地對多種氣體敏感(這一點和動

45、物的嗅細胞的特性也是類似的)。 假設(shè)混合氣體中包含m種氣體成分，則傳感器陣列對該混合氣體的響應(yīng)為陣列中每個傳感器對每種氣體成分響應(yīng)的非線性組合: 這是一個很復(fù)雜的數(shù)學問題，簡單的計算無法求解，只能使用模式識別技術(shù)，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別。 這里，值得一提的是，如果只是要識別幾種氣味(或混合氣體)，而不關(guān)心其具體成分的話，也可以將每種氣味等效為一種氣體，處理起來會簡單一些。3.2系統(tǒng)的識別性能假設(shè)電子鼻系統(tǒng)中的傳感器陣列由n個傳感器構(gòu)成，每個傳感器有v種測試模式，這樣陣列就有p=nxn個測試模式，給出了系統(tǒng)可識別的氣體種類和測試模式之間的關(guān)系其中，p為模式數(shù)，j為可識別的氣體數(shù)，a為在混合氣體中

46、同時出現(xiàn)的氣體數(shù)目。這一公式在假設(shè)傳感器響應(yīng)信號是確定信號的情況下給出了可識別的氣體數(shù)的上限。 3.2.1單個傳感器能識別的氣體數(shù) 對單個傳感器而言，adc有n個量化電平，只有傳感器對m種氣體的響應(yīng)落在不同的量化電平上，才可能識別這些氣體。這是一個古典概率問題，該傳感器可以識別m種氣體的概率為: 圖3. 6給出了在不同量化位數(shù)的情況下，單個傳感器可以識別不同數(shù)量的氣體的概率。從圖中可以看出，隨著量化位數(shù)的增加，傳感器可以識別同樣數(shù)量的氣體的概率增加，或者說在同樣的概率下識別的氣體種類增加。 為了更直觀地說明問題，表3. 1中給出了在置信度分別為0.85, 0.90, 0. 95和0. 99的情

47、況下，量化位數(shù)為1, 4, 8, 10, 12, 16時，單個傳感器能識別的氣體的種類。從中可以看出，隨著adc位數(shù)的增加，單個傳感器可以識別的氣體數(shù)迅速增加，基本上是adc的位數(shù)每增加兩位，同樣置信度下可以識別的氣體數(shù)量增加一倍。表3.1adc位數(shù)（k） 能識別的氣體數(shù)（m）置信度0.85置信度0.90置信度0.95置信度0.99 111114221189752101815105123629209表3.1 不同置信度時，單個傳感器采用不同位數(shù)的ad能識別的氣體數(shù)。表3. 2給出了單個傳感器采用不同位數(shù)的adc時，識別不同種類的氣體的概率。從中可以看出，adc位數(shù)的越多，傳感器識別同樣數(shù)量氣體

48、的概率越大。例如，采用12位adc，傳感器能識別出任意20種氣體的概率是0. 9546，而當采用8位adc時，概率則迅速下降為0. 4668。表3.2氣體種類（m）能識別的概率adc位數(shù)k=1adc位數(shù)k=4adc位數(shù)k=8adc位數(shù)k=10adc位數(shù)k=1220.50000.93570.99610.99900.9998500.49990.96150.99030.99761000.02640.83690.95690.98911500.00000.65830.90210.974720000.46680.82970.954650000.00590.29640.7406100000.00000.00

49、670.29573.2.2陣列可識別的氣體數(shù) 下面討論含有n個傳感器的陣列能識別氣體的概率。假設(shè)這n個傳感器對每種氣體的響應(yīng)不相關(guān)。adc的位數(shù)仍為k。 設(shè)陣列能識別的氣體數(shù)為x;傳感器1識別的氣體數(shù)為yi，傳感器i在前i-1個傳感器的基礎(chǔ)上新識別的氣體數(shù)為y，則陣列能識別m種氣體的概率p( n為傳感器個數(shù))可以用遞推如下:其中p(m,)表示第一個傳感器能從m種氣體中識別j1種的概率：表示其余n-1個傳感器能識別m-j種氣體的概率。p(m,)的計算公式為：四個傳感器識別不同種類氣體的概率圖3.7 n=4時，傳感器陣列識別不同氣體的概率 k=8時，多個傳感器識別不同種類的氣體的概率圖3.8 k=

50、8時，傳感器陣列識別不同氣體的概率 為了和單個傳感器進行比較，圖3. 7給出了包含4個傳感器的陣列(n=4)識別不同氣體的概率。從中可以看出，和單個傳感器一樣，隨著adc的位數(shù)的增加，陣列可以識別的氣體種類隨之增加，只是增加的速度比后者快得多。 圖3. 8給出了在k=8時，傳感器陣列識別不同氣體的概率(因運算量的關(guān)系，n只取1到4)。從中可以看出，隨著陣列的維數(shù)增加，陣列識別同等數(shù)量的氣體的概率增加，在同樣概率下，可以識別的氣體種類增加;同時量化電平數(shù)一定的情況下，在氣體種類很多的時候，傳感器的維數(shù)達到一定程度后，再單純地增加傳感器的個數(shù)效果并不明顯，此時增加量化電平數(shù)的效果更好。例如在圖3.

51、 8中，當氣體種類為60時，使用3個傳感器的概率為0. 0123，而使用4個傳感器概率僅僅增加為0. 0181，使用5個傳感器也不過增加為0. 0239;而在圖3. 7中，當k=10時，3個傳感器識別60種氣體的概率為0. 7$65，當k=12時，概率增加到0. 99840表3.3給出了置信度為0.99時，包含不同數(shù)量傳感器的陣列在采用不同位數(shù)的adc時所能識別的氣體數(shù)。例如當n=4, k=12時，即陣列包含4個傳感器，adc為12位，陣列能識別90種氣體的概率是99，而在n=1時，相同置信度的情況下，單個傳感器只能識別9種氣體，從中可以看出，采用傳感器陣列時，隨著陣列中傳感器個數(shù)的增加，能識

52、別的氣體數(shù)增加，但n越大，增加的幅度越小。表3.3傳感器個數(shù)（n）能識別的氣體數(shù)k=1k=4k=8k=10k=12n=111259n=212122551n=315193774n=416234590n=5172651101n=6172855109 表3. 4給出了四個傳感器構(gòu)成的陣列采用不同位數(shù)的adc時，識別不同種類的氣體的概率。和表3. 2相比，采用12位adc時，陣列能識別100種氣體的概率是0.9735，遠遠大于一個傳感器時的0.2957;采用8位adc時，識別出任意20種氣體的概率達到0. 9982，也超過一個傳感器采用8位adc時的0. 4668,甚至比一個傳感器采用12位adc時的

53、0.9546還要大。氣體種類（n） 能識別的概率adc位數(shù)k=1adc位數(shù)k=4adc位數(shù)k=8adc位數(shù)k=10adc位數(shù)k=1220.93751.00001.00001.00001.000050.05860.99961.00001.00001.00001000.59911.00001.00001.00001500.01081.00001.00001.00002000.00000.99821.00001.00005000.00000.13100.97581.0000100000.00000.13260.9735 表3.4 3.2.3響應(yīng)的不確定性對性能的影響 前面的討論都將傳感器的響應(yīng)看作確

54、定性信號，實際上它是一個隨機信號，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為一個隨機變量。為討論方便，我們將穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化量和adc的量程聯(lián)系起來，將其變化等效為adc位數(shù)的降低，精確點說是adc量化電平數(shù)的減少。 表3.5給出了不同位數(shù)的adc的有效電平數(shù)隨傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化而變化的情況。從中可以看出:1.隨著傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)變化量的增加，adc的有效電平數(shù)減少;2.在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)變化量一定的情況下，不能依靠無限制的增加adc的位數(shù)來提高傳感器陣列的性能。例如，如果穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的相對變化量為1%，則選用8位和8位以上的adc沒有性能上的差別，這一點在實際應(yīng)用時需要認真加以考慮。具體計算傳感器陣列識別不同種類的氣體的概率時，只需將有關(guān)公式中的n用n，代替即可。表3.5 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化量和adc有效電平數(shù)的關(guān)系穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化量(%)adc有效量化電平數(shù)k=1k=4k=8k=10k=120.01216256102440960