一氧化碳器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、河海大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 一氧化碳報(bào)警器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電

2、子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位

3、論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可

4、行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位

5、： （蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）評(píng)閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（

6、或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良

7、 中 及格 不及格評(píng)定成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見：系主任： （簽名）年 月 日摘要隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴(yán)重的污染，同時(shí)在家庭生活中，煤氣的不完全燃燒也將產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w，而一氧化碳?xì)怏w的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在室內(nèi)通風(fēng)條件不大好的情況下，可能引起人體中毒，產(chǎn)生致命后果。因此需要對(duì)大氣中的一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 本文主要對(duì)一氧化碳報(bào)警器的原理進(jìn)行了分析，其中重點(diǎn)分析了一氧化碳傳感器探測(cè)信號(hào)的模式分類及識(shí)別，其原理是采用溫度調(diào)制模式，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，采用貝葉斯公式對(duì)各模式進(jìn)行識(shí)別

8、。對(duì)于一氧化碳傳感器的信號(hào)處理方法，主要介紹了快速傅立葉變換方法(FFT)和離散小波變換方法(DWT)。同時(shí)還對(duì)目前一氧化碳監(jiān)測(cè)中存在的主要問題進(jìn)行了初步的分析。 最后，根據(jù)一氧化碳傳感器的原理，針對(duì)家庭中一氧化碳?xì)怏w的監(jiān)測(cè)，初步確定一氧化碳傳報(bào)警器的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)當(dāng)前一氧化碳傳感器的發(fā)展?fàn)顩r，選用MOTOROLA公司的MGS1100芯片進(jìn)行一氧化碳報(bào)警器的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)MGS1100傳感器的結(jié)構(gòu)及工作模式進(jìn)行了介紹。根據(jù)MGS1100芯片的結(jié)構(gòu)及工作模式，設(shè)計(jì)了報(bào)警器電路，并對(duì)報(bào)警器的控制軟件進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，最后完成了對(duì)一氧化碳報(bào)警器的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該報(bào)警器是可以在實(shí)際中使用。 關(guān)鍵詞

9、一氧化碳報(bào)警器；溫度調(diào)制模式；傳感器Co sannuncitor Abstract With the developing of industry and exhaust gas expelling of cars, the atmosphere is polluting. At the same time, the incomplete inflammation of gas will produce much CO in family, and CO is a kind of gas which is stabilization in chemic character, will brin

10、g poisoning to person when the house is stuffiness. So it is need to monitor the CO in house. This paper analyzes the principle of CO sannunciator, focus on the analysis of the model classification and recognition of CO sensor, the operational principle of CO sensor is based on statistics and temper

11、ature moderate model. The signal process method of CO sensor include FFT (Fast Fourier Transform) and DWT (Discreet Wave Transform). At the end, introduce the main problem of CO monitor. At the end, based on the operational principle of CO sensor, according to the requirement of CO monitor in house,

12、 decide the parameters of CO sannunciator. According to the development of CO sensor, select MGS1100 of MOTOLORA to design the CO sannunciator. At the same time, introduce the structure and operational principle of MGS1100, and design the alarm circuit and control soft. At the end, finish the debugg

13、ing of CO sannunciator, the result show the CO sannunciator can be used in realism. Keywords CO sannunciator;temperature moderate model; senso目錄 摘要Abstract第1章 緒論1 1.2 研究的目的和意義1 1.3 一氧化碳報(bào)警器的發(fā)展?fàn)顩r第2章 一氧化碳傳感器信號(hào)處理技術(shù)2.1 氣體傳感器陣列信號(hào)處理技術(shù)2.2 信號(hào)預(yù)處理2.3 模式分類，識(shí)別和量化2.4 氣體傳感器溫度調(diào)制及信號(hào)處理技術(shù)2.5 溫度調(diào)制模式2.6 信號(hào)處理方法2.7 存在的問題2

14、.8 本章小結(jié)第3章 一氧化碳報(bào)警器的設(shè)計(jì)3.1 器件的結(jié)構(gòu)原理3.2 器件的工作模式3.3 一氧化碳報(bào)警器的設(shè)計(jì)3.4 電路原理3.5 控制過程 對(duì)于溫度變化的特性處理(假設(shè)CO的濃度為60ppm) CO線性濃度分析3.6 調(diào)試和結(jié)果3.7 本章小結(jié)結(jié)論致謝參考文獻(xiàn)附錄 第1章 緒論 1.1 課題背景 隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴(yán)重的污染，因此對(duì)大氣中有毒氣體的監(jiān)測(cè)也成為人們關(guān)心的一個(gè)主要問題，而大氣中一氧化碳?xì)怏w對(duì)人體的毒害是致命的，因此，迫切需要開發(fā)一種儀器來檢測(cè)家庭和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一氧化碳?xì)怏w。 1.2 研究的目的和意義 空氣中的一氧化碳為無色、無味氣體，相對(duì)分

15、子量為28.0，對(duì)空氣相對(duì)密度為0.967。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1L氣體質(zhì)量為1.25g，100ml水中可溶解0.0249mg(20C)，燃燒時(shí)為淡藍(lán)色火焰。 一氧化碳是有害氣體，對(duì)人體有強(qiáng)烈的毒害作用。一氧化碳中毒時(shí)，使紅血球的血紅蛋白不能與氧結(jié)合，妨礙了機(jī)體各組織的輸氧功能，造成缺氧癥。當(dāng)一氧化碳濃度為12.5mg/m3時(shí)，無自覺癥狀，50.0mg/m3時(shí)會(huì)出現(xiàn)頭痛、疲倦、惡性、頭暈等感覺， 700mg/m3時(shí)發(fā)生心悸亢進(jìn)，并伴隨有虛脫危險(xiǎn)，1250 mg/m3時(shí)出現(xiàn)昏睡，痙攣而死亡。有時(shí)根據(jù)碳氧血紅蛋白（COHb）來評(píng)價(jià)室內(nèi)一氧化碳低暴露水平對(duì)人體的影響，3-11歲兒童COHb平均飽和度為1.

16、01%；12-74歲不吸煙人群為1.25%。但成年不吸煙人群中4%的人COHb超過2-5%。室內(nèi)污染所致COHb飽和度只有超過2%，才會(huì)影響心肺病人的活動(dòng)能力，加重心血管的缺血癥狀。 CO是燃料不完全燃燒產(chǎn)生的污染物，若沒有室內(nèi)燃燒污染源，室內(nèi)CO濃度與室外是相同的。室內(nèi)使用燃?xì)庠罨蛐⌒兔河图訜崞?，其釋放CO量是NO2的10倍。廚房使用燃?xì)庠?0-30min，CO水平在12.5-50.0mg/m3之間。由于一氧化碳在空氣中很穩(wěn)定，如果室內(nèi)通風(fēng)較差，CO就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間滯留在室內(nèi)。因此，很容易致人中毒。 同時(shí)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尤其在煤炭生產(chǎn)基地，如果一氧化碳濃度過高，很容易引起火災(zāi)和爆炸，引起嚴(yán)重的事

17、故和后果，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因而作好煤炭自燃火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防滅火工作顯得尤為重要。因此，人們發(fā)現(xiàn)了測(cè)溫法來進(jìn)行溫度可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)。測(cè)溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋高溫點(diǎn)及火源的最直接、最可靠的方法，但煤體內(nèi)部溫度的測(cè)溫技術(shù)尚未完全解決，目前僅作為掌握自燃動(dòng)態(tài)、確定自燃區(qū)位置的一種有效的補(bǔ)充手段1。測(cè)定礦內(nèi)空氣成分變化，是早期預(yù)報(bào)自燃火災(zāi)應(yīng)用最廣而且比較可靠的方法。煤類火災(zāi)的主要指標(biāo)是CO和H2和碳?xì)浠衔?，如乙烯C2H4、丙烯C3H6、乙炔C2H2等。它們是按一氧化碳->氫->乙烯->丙烯->乙炔的順序生成、釋放并隨溫度而增加的。當(dāng)溫度異常時(shí)，首先出現(xiàn)CO，隨溫度

18、增高，出現(xiàn)HZ，然后是CZH4緊接著是C3H6，最后出現(xiàn)C2H2和其他氣體2。由于一氧化碳生成溫度低，生成量大，其生成量隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增加。所以，煤礦井下廣泛以一氧化碳?xì)怏w作為預(yù)報(bào)煤炭自燃的指標(biāo)氣體。它的變化一直在煤礦安全生產(chǎn)活動(dòng)中受到高度重視，特別是煤層有自然發(fā)火傾向的礦井更是如此。在煤礦井下，CO的來源一般是由于煤自熱或自燃產(chǎn)生的。所以當(dāng)井下出現(xiàn)CO氣體或CO氣體濃度穩(wěn)定地增長(zhǎng)時(shí)，就認(rèn)為煤炭在自然發(fā)火或有自然發(fā)火的危險(xiǎn)。然而，有些礦井，煤層中本身就含有CO，在煤層開采過程中，就逸出到采掘空間的風(fēng)流中來，如果對(duì)其逸出量及規(guī)律不能掌握，就會(huì)造成煤炭自燃火災(zāi)的誤報(bào)，對(duì)預(yù)報(bào)和防治煤炭自然發(fā)火

19、造成不利影響3。大水頭煤礦是煤層具有自然發(fā)火傾向性的礦井，經(jīng)過對(duì)大水頭煤礦幾十次煤炭自然發(fā)火災(zāi)害有關(guān)參數(shù)的反復(fù)觀察分析認(rèn)為，同樣是煤炭自燃造成的火災(zāi)，但每次其自然發(fā)火期的長(zhǎng)短、氧化速度、各種災(zāi)害氣體的濃度等都隨時(shí)間、地點(diǎn)的不同有所差異，這其中的原因除一些外在的因素和煤層所處的自然環(huán)境因素外，還有一個(gè)不被人們所掌握的內(nèi)在因素-煤層原生的CO成份在起著潛移默化、推波助瀾的作用。雖然確定的煤層自然發(fā)火期是3-6個(gè)月，但實(shí)際生產(chǎn)中常常出現(xiàn)一些預(yù)料之外的事例：掘進(jìn)工作面后巷幾十米處高頂就有CO氣體出現(xiàn)；炮采工作面剛開采，短期內(nèi)上隅角就檢測(cè)出CO氣體:綜放面每月推進(jìn)60m左右，其支架頂部煤體中仍能查出高濃

20、度(最高達(dá)0.064%)的CO氣體成份。通過分析表明煤電鉆打的孔內(nèi)實(shí)測(cè)CO濃度高達(dá)0.5%，而且一氧化碳檢測(cè)管變色環(huán)呈血紅色，比火區(qū)測(cè)定的還要高。因此要必要開發(fā)CO報(bào)警器來對(duì)CO進(jìn)行監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。1.3 一氧化碳報(bào)警器的發(fā)展?fàn)顩r 1964 年，由Wickens 和Hatman 利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了第一個(gè)氣敏傳感器，1982年英國(guó)Warwick 大學(xué)的Persaud 等提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場(chǎng)合，比如氣體泄漏檢測(cè)，環(huán)境檢測(cè)等?，F(xiàn)在各國(guó)研究主要針對(duì)的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度

21、和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時(shí)間以及降低成本和智能化等。 下面簡(jiǎn)單介紹各種常用的一氧化碳報(bào)警器的工作原理最新的研究進(jìn)展。一氧化碳報(bào)警器主要包括兩部分，一部分是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由各種傳感器組成，另一部分是報(bào)警系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)作出報(bào)警判斷。首先簡(jiǎn)單介紹下一氧化碳傳感器的發(fā)展?fàn)顩r。氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等5。 電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)其阻值的改變來檢測(cè)氣體的濃度；非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)

22、使其某些特性發(fā)生變化對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接的檢測(cè)。 接觸燃燒式氣體傳感器是基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理而設(shè)計(jì)的。另外與半導(dǎo)體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導(dǎo)致電容變化的原理而設(shè)計(jì)。 電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個(gè)電極之間的化學(xué)電位差，一個(gè)在氣體中測(cè)量氣體濃度，另一個(gè)是固定的參比電極。電化學(xué)式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢(shì)和氣體濃度之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量；

23、電流型采用極限電流原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細(xì)孔擴(kuò)散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴(kuò)散電流。 紅外吸收型傳感器，當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí)， 這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收， 其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律，通過光強(qiáng)的變化測(cè)出氣體的濃度。 聲表面波傳感器的關(guān)鍵是SAW(surface acoustic wave)振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩器。SAW傳感器自身固有一個(gè)振蕩頻率，當(dāng)外界待測(cè)量變化時(shí)，會(huì)引起振蕩頻率的變化，從而測(cè)出氣體濃度。 對(duì)CO氣體檢測(cè)的適用方法

24、有比色法、半導(dǎo)體法、紅外吸收探測(cè)法、電化學(xué)氣體傳感器檢測(cè)法等。 比色法是根據(jù)CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應(yīng)，因而使化合物顏色改變，通過顏色變化來測(cè)定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是沒有電功耗。 半導(dǎo)體CO傳感器，通過溶膠凝膠法獲得SnO2基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來測(cè)定氣體6。現(xiàn)國(guó)外有研究對(duì)SnO2基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器工作在220°C時(shí)，在SnO2中摻雜2%的Pt時(shí)，傳感器對(duì)CO具有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應(yīng)，使得CO傳感器對(duì)很多氣體如H2、CO2、H2O等都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對(duì)其他氣體的敏感度下降很多7。 CO電化

25、學(xué)氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學(xué)電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過渡金屬元素，這類元素具有空余的d、f電子軌道和多余的d、f電子，可在氧化還原的過程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物，具有較強(qiáng)的催化能力8。又研制了一種新型的CO電化學(xué)式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極， Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對(duì)比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對(duì)CO具有顯著的電化學(xué)催化效應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好9。 利用CO氣體近紅外吸收機(jī)理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣體傳感器，該儀器檢測(cè)靈敏度可達(dá)到0.2×

26、;10-610。另一種光學(xué)型傳感器是用溶膠凝膠鹽酸催化法和超聲制得SiO2 薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與CO反應(yīng)，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化11。 采用超頻率音響增強(qiáng)電鍍鐵酸鹽方法獲得磁敏感膜，磁飽和度和矯頑磁力決定對(duì)氣體的響應(yīng)敏感度。當(dāng)溫度加熱到85C時(shí)，得到最大響應(yīng)，檢測(cè)范圍333ppm5000ppm12。 第2章 一氧化碳傳感器 信號(hào)處理技術(shù) 一氧化碳報(bào)警器主要由氣體傳感器和報(bào)警電路組成，而其性能的好壞又取決于氣體傳感器，因此，氣體傳感器所采用技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，下面我們重點(diǎn)分析在一氧化碳傳感器中所采用的信號(hào)處理技術(shù)。 2.1 氣體傳感

27、器陣列信號(hào)處理技術(shù) 與哺乳動(dòng)物的嗅覺系統(tǒng)類似，氣體傳感器陣列是一氧化碳傳感系統(tǒng)的“氣味感受細(xì)胞”，感受到氣味時(shí)就將信號(hào)通過接口電路及一些預(yù)處理電路(生物嗅覺中對(duì)應(yīng)的部位為“嗅球”)然后傳到信息處理中心(大腦)，通過“大腦”內(nèi)的嗅覺信號(hào)處理，完成對(duì)氣味的識(shí)別和簡(jiǎn)單量化，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。該系統(tǒng)稱為電子鼻系統(tǒng)。其信息處理中心通常由電腦或微處理器實(shí)現(xiàn)，其中的“嗅覺”信號(hào)處理技術(shù)對(duì)于電子鼻的性能起著關(guān)鍵作用。 對(duì)這一技術(shù)的研究，從氣體傳感器陣列和電子鼻的概念提出后，就一直都沒有間斷過。一個(gè)成功的氣體(氣味)識(shí)別和量化系統(tǒng)通常要涉及到多種多維信號(hào)的處理方法，包括信號(hào)預(yù)處理、特征提取、特征選擇、分類、

28、回歸、聚類以及驗(yàn)證等13，基于統(tǒng)計(jì)的模式識(shí)別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種信號(hào)處理方法己在電子鼻領(lǐng)域里得到了應(yīng)用并取得了一些成果。 2.2 信號(hào)預(yù)處理 信號(hào)預(yù)處理的主要目的有濾波、基線處理、漂移補(bǔ)償、信息壓縮以及歸一化等。圖2-1為金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的一般測(cè)量電路，其中RL為串聯(lián)負(fù)載電阻，Rs為氣體傳感器的電阻，Vcc為測(cè)量電壓，V為實(shí)際傳感器測(cè)量電壓。 圖2-1 微熱板式氣體傳感器的單臂電橋測(cè)量電路 傳感器的描述信號(hào)可用電壓信號(hào)(V)、電阻信號(hào)(R)和電導(dǎo)信號(hào)(G)等物理量表示，三個(gè)物理量互相關(guān)聯(lián)，電阻和電導(dǎo)互為倒數(shù)，其中電壓信號(hào)受串聯(lián)電阻的影響，在量程大且需更改串聯(lián)電阻的情況下不宜使用?；€

29、的概念為傳感器在空氣中的信號(hào)，處理方法主要有三種:差值法，比例法和分?jǐn)?shù)比值法。以電導(dǎo)物理量為例，定義其在空氣中的基線值為Gair，在被測(cè)氣體中的值為Ggas ,那么對(duì)應(yīng)的三種處理方法見表2-1。常用的處理方法為分?jǐn)?shù)比值法，因此Sg又被稱為電導(dǎo)靈敏度，成為衡量傳感器氣敏性能的一個(gè)重要參數(shù)。上述基線的處理方法僅是對(duì)氣體傳感器信號(hào)的簡(jiǎn)單處理，基線漂移的抑制是氣體傳感器領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究問題。作為一種化學(xué)傳感器，受空氣中多種因素的影響，基線漂移緩慢、隨機(jī)，迄今還沒有形成一種統(tǒng)一的理論來描述。小波變換技術(shù)在基線漂移抑制方面取得了較好的效果14。表2-1 基線處理方法 處理方法 說明 差值法 DG=Gg

30、as-Gair 去除疊加性噪聲和漂移 比例法 rg= Ggas/Gair 去除乘積性噪聲和漂移 分?jǐn)?shù)比值法 是sg= (Ggas-Gair )/Gair 疊加性和乘積性噪聲和飄移 都有作用 作為一個(gè)隨時(shí)間變化的量，氣體傳感器的特征信號(hào)有多種，如穩(wěn)態(tài)信號(hào)、瞬態(tài)信號(hào)等。特征是直接從傳感器的原始信號(hào)提取出來的參數(shù)，各特征之間相互關(guān)聯(lián)，由于交叉敏感的影響，各傳感器之間也相互關(guān)聯(lián)，因此這樣一個(gè)原始的特征參數(shù)集是一個(gè)富含冗余信息的高維向量。維數(shù)增多引起后續(xù)信號(hào)處理的復(fù)雜程度呈指數(shù)上升，也就是所謂的“維數(shù)咒語(yǔ)”問題，使得降維處理成為必要。同時(shí)，信息冗余容易導(dǎo)致信號(hào)參數(shù)的協(xié)方差矩陣奇異，因此特征選擇和特征提取

31、成為氣體傳感器陣列信號(hào)處理的兩個(gè)必要步驟。特征選擇的目的是從M個(gè)特征中選擇N個(gè)參數(shù)(N<M)組成一 個(gè)信息量最大或者估計(jì)準(zhǔn)確度最高的最優(yōu)集合，可能組“方法”有NMC。常用的選擇方法為順序搜索法，從集合內(nèi)參數(shù)為0，逐漸增加參數(shù)數(shù)目的 方法為前向搜索法；從全部特征組成參數(shù)集合開始逐漸減少參數(shù)數(shù)目的方法為后向搜索法。順序搜索法計(jì)算量比較大，促進(jìn)了隨機(jī)選擇算法的發(fā)展，如模擬退火算法，遺傳算法15等。參數(shù)選擇的評(píng)價(jià)方法主要有兩種:過濾法(filters)和打包法(wrappers)。過濾法通過比較特征子集的信息含量(如類間距)，試圖尋找具有一般性的特征參數(shù)集；打包法是在特定模式識(shí)別算法的基礎(chǔ)上根據(jù)

32、預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度來估計(jì)特征子集的性能，以大量計(jì)算為代價(jià)但能夠獲得較好的識(shí)別精度。Gutierrez-Osuna16對(duì)8種搜索技術(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)論是各種搜索算法的性能相似。Corcoran17使用遺傳算法和Fisher判別式對(duì)一個(gè)溫度調(diào)制陣列的參數(shù)進(jìn)行選擇，在保證分辨率的情況下能夠?qū)⑻卣鲄?shù)的數(shù)目減少1/10。優(yōu)化后的特征參數(shù)集代表了被測(cè)氣體的所有信息，但是各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性大，依然存在冗余信息。特征提取實(shí)際上是要尋找一種變換f: xÎÂM® yÎÂN(N<M)，使得y能夠代表x的絕大多數(shù)信息。在電子鼻領(lǐng)域內(nèi)使用較多的特征提取方法主要有主成分

33、分析法(PCA)和Fisher線性判別式分析法(Linear Discriminant Analysis，LDA)。PCA是沿著數(shù)據(jù)的方差最大方向作變換，該方差也是輸入變量x的協(xié)方差陣的特征值。LDA是一種分類方法，沿各類之間距離最大的方向上作變換，就是類內(nèi)協(xié)方差陣SW的逆陣和類間協(xié)方差陣SB乘積SW-1SB的特征向量18。2.3 模式分類，識(shí)別和量化 電子鼻實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要功能是對(duì)不同的氣味(體)進(jìn)行分類和識(shí)別。模式分類的目的是對(duì)一組新的氣味特征向量yÎÂN表征的對(duì)象識(shí)別，考察其為己知類型毛(w1, w2, ¼ wc)中的哪一種氣味wi，減小誤分類率也就是要使得樣

34、本y屬于類wi的概率代P(wi|y)最大，即最大后驗(yàn)概率法則19，通常使用貝葉斯公式求解。(2-1) 式中P(y| wi)為類條件概率，P(wi)為先驗(yàn)概率，P(y)為樣本概率，對(duì)分類問題來說可以忽略。先驗(yàn)概率可以通過樣本出現(xiàn)的頻率計(jì)算得到。通過一組高維數(shù)據(jù)直接估計(jì)P(y | wi)的難度較大，通常都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化和近似，如假設(shè)數(shù)據(jù)是高斯分布等。分類器的設(shè)計(jì)也主要是為了得到P(y|wi)的估計(jì)值。在氣味分類領(lǐng)域中常用的分類器有二次分類器(Quadratic Classifiers)20,K最近鄰分類器(K Nearest Neighbor Classifiers, KNN)、多層感知分類

35、器(Multilayer Perceptron Classifiers, MLP)21和徑向基函數(shù)分類器(Radial Basis Function Classifiers, RBF)22。二次分類器假設(shè)所有類的概率分布函數(shù)相同且都為高斯分布，即(2-2) 式中ui和Si為樣本均值和協(xié)方差。指數(shù)部分為馬氏距離(Mahalanobis distance)，當(dāng)協(xié)方差矩陣y為單位陣時(shí)即為歐式距離，當(dāng)各類的分布也為高斯分布時(shí)，二次分類器就是大家熟知的貝葉斯分類器。KNN是一種非線性分類器，對(duì)y進(jìn)行分類時(shí)，通過尋找數(shù)據(jù)集中最相近的k個(gè)樣本并選出這k個(gè)樣本的主導(dǎo)類作為y的類別。KNN的分類效果好，但是需要

36、占用大量的內(nèi)存(存儲(chǔ)樣本數(shù)據(jù))，計(jì)算量大(需要將未知樣本與所有數(shù)據(jù)樣本的近似程度進(jìn)行計(jì)算并排序)。多層感知器(MLP)是一種常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過將感知器的輸出單元進(jìn)行編碼，賦予類的標(biāo)號(hào)，采用后向傳播算法(Back-Propagation)使用已有的數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，生成分類器。徑向基函數(shù)(RBF)也是一種帶有反饋連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)與MIA，相似，但是其輸入輸出映射和訓(xùn)練機(jī)制不同。RBF是一種典型的局部逼近網(wǎng)絡(luò)，其神經(jīng)元的輸入為輸入矢量與權(quán)值矢量的距離乘以閩值，神經(jīng)元變換函數(shù)為高斯函數(shù)。MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在氣味分類和識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用較多。 相對(duì)于氣味的分類問題，電子鼻的回歸分析

37、問題更具有挑戰(zhàn)性?；貧w分析的目的是基于觀測(cè)數(shù)據(jù)建立變量間適當(dāng)?shù)囊蕾囮P(guān)系，以分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，并用于估計(jì)輸出變量。電子鼻領(lǐng)域中的回歸問題主要包括三種：混合氣體分析(被估計(jì)變量為混合氣體中各成分的濃度)、工藝監(jiān)控(被估計(jì)變量為工藝參數(shù))和嗅感分析(被估計(jì)變量為香、臭等感覺程度)。估計(jì)的源變量即觀測(cè)數(shù)據(jù)變量，為氣體傳感器陣列的輸出向量。倘若被估計(jì)的一組變量為類標(biāo)識(shí)，那么模式分類也可以看作是一個(gè)回歸問題，因此大部分的回歸技術(shù)都可以用于模式分類。在圖2-2所示的電子鼻原理框圖中，如果輸出向量y1(t)，y2(t)，¼ yk(t)為混合氣體濃度向量c1(t)，c2(t)，¼ ck(t

38、)的估計(jì)，就構(gòu)成了一個(gè)混合氣體分析問題。混合氣體分析問題較為根本，難度也最大。目前應(yīng)用于混合氣體分析問題的回歸技術(shù)主要有最小二乘法、主成分回歸法(Principal Component Regression, PCR )、偏最小二乘法(Partial Least Squares, PLS)、MLP和RBF等人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。最小二乘法是以線性回歸模型為基礎(chǔ)的23，仍以圖2-2為例，使用一由n個(gè)傳感器組成的陣列檢測(cè)m種氣體組成的混合氣體，采用氣敏電阻的分?jǐn)?shù)電導(dǎo)作為傳感器的輸出向量，記為s=s1，s2¼，snT，設(shè)被測(cè)氣體濃度與傳感器的輸出信號(hào)之間的回歸方程為線性。c=sA+，式中，c=

39、c1(t)，c2(t)，¼ cm(t)T，A=(aij)n×m為未知參數(shù)矩陣。為均值0,方差為s2>0的不可觀測(cè)的隨機(jī)變量，稱為誤差項(xiàng)。由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到P組輸入輸出向量，那么。C= (cij)m×p，S= (sij)m×p，輸入輸出關(guān)系為C=SA+。忽略誤差項(xiàng)，當(dāng)S為非奇異陣時(shí)參數(shù)矩陣可由A=S-1C計(jì)算得到，但是作為觀測(cè)向量，S可能為奇異陣。因此在矩陣分析中引入偽逆來解決這一問題.(2-3) S+為S的偽逆，S+S=I，上式為正規(guī)的二乘估計(jì)算法。 最小二乘法的回歸方程中使用了所有傳感器的輸出項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)，由于交叉敏感和傳感器輸出信號(hào)的相似性，信號(hào)之間相

40、關(guān)性大，通過PCA去除數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，提取主成分用于回歸方程，該種方法就是主成分回歸法(PCR)。主成分的提取法則是沿著觀測(cè)數(shù)據(jù)向量方差最大的方向提取，因此它們與被測(cè)氣體濃度之間的線性依賴關(guān)系也并非最好24。偏最小二乘法(PLS)能夠處理共線性數(shù)據(jù)，在化學(xué)計(jì)量的數(shù)據(jù)分析中使用較多。與PCR不同，PLS依次尋找各傳感器與混合氣體濃度之間的最大相關(guān)性。最小二乘法、主成分回歸法和偏最小二乘法的基礎(chǔ)模型都是線性回歸模型，隨著測(cè)試氣體濃度范圍的擴(kuò)展，傳感器響應(yīng)與氣體濃度之間的非線性關(guān)系逐漸增強(qiáng)，具有非線性擴(kuò)展能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(MLP,RBF等函數(shù)逼近網(wǎng)絡(luò))和遺傳算法在混合氣體分析中得到了廣泛的應(yīng)

41、用25。 聚類分析在電子鼻數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用也較為廣泛，它是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)過程，用于尋找數(shù)據(jù)樣本之間的空間關(guān)系或相似性，主要包括三個(gè)基本步驟:(a) 定義樣本之間的不相似性法則，通常采用歐式距離；(b)定義一種優(yōu)化聚類的法則，通?；陬悆?nèi)和類間結(jié)構(gòu)(如擴(kuò)展類間距離，壓縮類內(nèi)距離等)；(c)定義一種搜索算法，用于將某一測(cè)試樣本賦給某一類。目前應(yīng)用較多的聚類方法主要有樹狀圖法(Dendrogram )、C均值法以及自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Self=Organiz Map)。樹狀圖法可以通過自底向上的凝聚算法或者自頂向下的分裂算法形成。Gardner26等使用樹狀圖法分析了12個(gè)金屬氧化物氣體傳感器對(duì)幾種酒

42、精的識(shí)別。將訓(xùn)練樣本隨機(jī)設(shè)定為C個(gè)不相連的類，計(jì)算每個(gè)類的均值，然后重新分配各樣本到C個(gè)類中再計(jì)算各類的平均值，直到相鄰兩次重新分配的各類均值不變就結(jié)束迭代計(jì)算，這種方法就是C均值法。隨著模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展，模糊集理論在氣體分析領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用，并在C均值算法的基礎(chǔ)上發(fā)展為模糊C均值算法。SOM是一種能夠產(chǎn)生拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)的互連接技術(shù)，通常是一個(gè)二維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，首先通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制選擇網(wǎng)格中與數(shù)據(jù)樣本最近的神經(jīng)元及其附近的神經(jīng)元并激活，調(diào)整其在二維網(wǎng)格中的坐標(biāo)使得它們更接近于數(shù)據(jù)樣本27。 聚類、分類和回歸都是氣體分析和氣味識(shí)別中的重要問題，聚類是無監(jiān)督的，從廣義上來講，聚類屬于分類。倘若將“類”作為

43、一個(gè)變量尋求輸入和這個(gè)變量之間的關(guān)系，那么分類實(shí)際上又是回歸的一種。因此多種算法都可以同時(shí)用于聚類、分類和回歸，比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PCR等。無論是何種問題，都需要一些先驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本完成模型的構(gòu)建，最終模型的好壞需要通過一些新的數(shù)據(jù)樣本來說明驗(yàn)證。驗(yàn)證的過程就是使用構(gòu)建的模型對(duì)新的樣本進(jìn)行估計(jì)，考察估計(jì)的結(jié)果是否令人滿意，這些新的樣本就是測(cè)試樣本的選取。測(cè)試樣本的選取方法也有多種，如使用新的樣本集或多次交叉驗(yàn)證法等，在氣體分析中多采用新樣本集進(jìn)行驗(yàn)證。2.4 氣體傳感器溫度調(diào)制及信號(hào)處理技術(shù) 作為一種化學(xué)傳感器，在不同的工作溫度下，氣敏材料對(duì)不同氣體的吸附選擇性和靈敏度不同

44、。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的氣敏特性受器件溫度的影響和控制，在不同工作溫度范圍內(nèi)對(duì)不同氣體的響應(yīng)有所不同。因此，可將半導(dǎo)體氣體傳感器調(diào)制在不同的溫度模式下，測(cè)試傳感器在給定溫度模式下對(duì)不辰氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)，提取傳感器對(duì)不同氣體成分的響應(yīng)特征，用于氣體的識(shí)別、量化和分類。 2.5 溫度調(diào)制模式 度下的傳感器組成陣列，也可以使用一個(gè)依次工作在不同溫度下的傳感器來實(shí)現(xiàn)。這構(gòu)成了現(xiàn)在氣體檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的兩個(gè)主要研究方向。 溫度調(diào)制的一個(gè)最簡(jiǎn)單方式就是控制傳感器的加熱電壓時(shí)通時(shí)斷，1992年，Y.Hiranaka32將Figaro氣體傳感器控制在脈沖加熱電壓下，傳感器首先在SV加熱電壓

45、下預(yù)熱，當(dāng)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)，斷開加熱電壓，監(jiān)測(cè)傳感器的響應(yīng)信號(hào)，再開啟SV加熱電壓，依次周期性控制，脈沖電壓的周期為60s。Amatomo等33每秒鐘給傳感器施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為8ms，電壓為7.5V的加熱脈沖，得到的暫態(tài)響應(yīng)用于定性識(shí)別CO，乙醇和氫氣。這些都是兩個(gè)溫度點(diǎn)之間的階躍,但是Sears35等認(rèn)為全量程周期性(cyclictemperature)加熱電壓在傳感器的溫度調(diào)制方面更具有優(yōu)越性和發(fā)展前景。所謂全量程周期性加熱電壓，是指控制傳感器遍歷從室溫到傳感器容許最高工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度點(diǎn)。原因有三:1)由于不同氣體對(duì)溫度的依賴特性不同，周期性溫度調(diào)制總能控制傳感器針對(duì)不同氣體給出典型曲線

46、；2)低溫時(shí)傳感器對(duì)氣體的不完全響應(yīng)有累積效應(yīng)，高溫則具有清洗作用；3)在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)某種氣體總有一個(gè)最高靈敏度工作溫度點(diǎn)，因而可以提高傳感器的靈敏度。但是，當(dāng)傳感器遍歷所有溫度點(diǎn)時(shí)，傳感器電阻本身受溫度的影響極為顯著，很多情況下需要調(diào)整匹配電阻才能準(zhǔn)確測(cè)量到傳感器電阻的變化，給測(cè)試帶來困難。因此比較合適的方法還是在一定偏壓和幅值下的溫度調(diào)制技術(shù)，而“遍歷”一定范圍內(nèi)的溫度點(diǎn)的思想仍然得到了延續(xù)。迄今為止，應(yīng)用和研究最多的溫度調(diào)制模式是正弦波，因?yàn)樵谡壹訜犭妷嚎刂葡?，傳感器的溫度變化能夠更好的跟蹤加熱電壓的變化，并且能夠遍歷各個(gè)溫度點(diǎn)。 由于燒結(jié)型傳感器以及厚膜傳感器的加工工藝比較成

47、熟，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入或即將進(jìn)入市場(chǎng)，產(chǎn)品的可靠性和靈敏度有一定保證，因而它們也成為溫度調(diào)制技術(shù)的主要研究對(duì)象，如Figaro公司的TGS813, TGS2611等型號(hào)傳感器。S.Nakata等自1996年開始針對(duì)Figaro氣體傳感器進(jìn)行了一系列溫度調(diào)制方面的研究36，考察了CO在不同功耗加熱下的Sn02氣體傳感器表面有節(jié)律性的化學(xué)反應(yīng)過程37，使用每秒鐘高溫16ms的加熱脈沖調(diào)制傳感器并觀察到傳感器輸出信號(hào)在加熱和降溫過程中的遲滯現(xiàn)象，最終確定了正弦溫度調(diào)制模式，頻率f為20-40mHz之間，電壓為V=3.5+1.5cos(2pft)，考察了該模式下傳感器對(duì)高濃度(1000-10000ppm)一

48、氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯等氣體的響應(yīng)厚膜氣體傳感器較燒結(jié)型陶瓷傳感器尺寸小，響應(yīng)時(shí)間也較快，對(duì)氣體的響應(yīng)特征又與燒結(jié)型類似，因此在該領(lǐng)域內(nèi)的溫度調(diào)制技術(shù)研究也較多。N.Barsan, A.Fort, E.Llobet等分別考察了厚膜氣體傳感器在正弦溫度調(diào)制模式下的響應(yīng)特征，頻率都為50mHz,溫度調(diào)制范圍一般低溫2000°C至高溫4000°C左右。XingJiuHuang等考察了凝膠溶膠法研制的厚膜傳感器在20, 25, 30, 50mHz幾個(gè)頻率以及20-1000°C,100-1500°C,150-2000°C,200-2500°C

49、和250-3000°C幾個(gè)溫度范圍調(diào)制下的矩形波的響應(yīng)信號(hào)，以及20mHz頻率下的幾個(gè)波形(三角波、正弦波、鋸齒波等)的調(diào)制效應(yīng)，定性分析了各個(gè)波形的響應(yīng)，并指出對(duì)所使用的傳感器檢測(cè)O.Sppm丙酮較好的溫度調(diào)制模式為20mHz，250-3000°C的矩形波。于鵬等采用高低溫加熱控制下的4個(gè)傳感器組成陣列用于白酒的識(shí)別;張正勇等考察了矩形波加熱下的幾種氣體響應(yīng)情況。 微熱板式薄膜氣體傳感器由于具有尺寸小、溫度響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速跟蹤加熱電壓的變化，在溫度調(diào)制方面應(yīng)更具有優(yōu)越性。NLST在研制成功微熱板式氣體傳感器之后，1995年發(fā)表了溫度調(diào)制模式控制下的傳感器響應(yīng)，考

50、察了以鋸齒波為包絡(luò)的脈沖電壓調(diào)制模式，高溫加熱100ms后降低至室溫，隔5-200ms的時(shí)間然后采樣傳感器的電阻值，測(cè)試了傳感器在丙酮、甲醛、乙醇和甲醇的飽和蒸汽中的響應(yīng)。2.6 信號(hào)處理方法 溫度調(diào)制擴(kuò)展了氣體傳感器在時(shí)間上的響應(yīng)信號(hào)，因此其信號(hào)處理方法主要包括了與時(shí)間頻率信號(hào)處理有關(guān)的快速傅立葉變換(FFT)以及離散小波變換(DWT)方法，通過FFT或DWT，提取與氣體有關(guān)的特征信號(hào)，再結(jié)合陣列信號(hào)處理方法對(duì)氣體模式進(jìn)行識(shí)別和量化。S.Nakata考察了FFT變換后得到的2階諧振信號(hào)的實(shí)部和虛部隨1000ppm-10000ppm一氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯氣體濃度的變化，并且將4個(gè)傳感器控制

51、在正弦加熱模式下，提取每個(gè)傳感器的2階諧振信號(hào)實(shí)部和虛部組成陣列來識(shí)別4種氣體teal。由于該二階信號(hào)比較微弱，他們又提出了使用2倍頻的電壓信號(hào)對(duì)正弦加熱電壓調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行疊加增強(qiáng)二階諧振信號(hào)，提高信號(hào)的幅度38，及將考慮的諧頻信號(hào)增加到3階諧振，提高氣體識(shí)別的準(zhǔn)確率。 N.B1TS1ri在1995年報(bào)導(dǎo)了氣敏材料受器件溫度的影響，并在1997年報(bào)導(dǎo)了在正弦溫度調(diào)制(2000°C-4200°C)，頻率為50mHz模式下，傳感器的電阻值經(jīng)過傅立葉變換，然后提取特征值結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO和NO2的識(shí)別和量化。E.Llobet等使用FFT以及DWT提取頻率信號(hào)，結(jié)合PC

52、A以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)CO和NO2氣體響應(yīng)進(jìn)行了識(shí)別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為對(duì)氣體模式的01編碼。之后提出了小波變換與Fuzzy ARTMAP相結(jié)合的信號(hào)處理方法，使用正弦信號(hào)或者多個(gè)正弦信號(hào)疊加后的信號(hào)加熱，通過小波變換提取典型頻率特征，然后使用Fuzzy ARTMAP分類器對(duì)氣體進(jìn)行分類，確定出幾種頻率的正弦信號(hào)疊加調(diào)制傳感器的識(shí)別率中，哪幾種頻率的疊加最好。 Clifford引入了半導(dǎo)體勢(shì)壘模型來分析傳感器受溫度的影響39，S.Nakata在該模型的基礎(chǔ)上添加了傳感器表面的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，并討論了CO，O2等在材料表面的化學(xué)吸附和反應(yīng)機(jī)理，對(duì)傳感器的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了定性的解釋。R.Ionescu在該

53、模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，采用優(yōu)化的方法，模擬了正弦溫度調(diào)制模式下的傳感器響應(yīng)，與實(shí)際結(jié)果吻合較好。T.Kunt在NIST微熱板式薄膜氣體傳感器的溫度調(diào)制基礎(chǔ)上，純粹從信號(hào)處理的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了溫度調(diào)制下的傳感器響應(yīng)函數(shù)，并在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過比較模型在一定調(diào)制模式下對(duì)甲醇和乙醇的響應(yīng)曲線的差值，以兩曲線之間差值的最小均方根最大為目標(biāo)，求解用于區(qū)別該兩種氣體的最佳溫度調(diào)制模式，但是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該方法效果不是很好。 2.7 存在的問題 從基于統(tǒng)計(jì)的模式識(shí)別方法到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各種多維信號(hào)處理方法在氣體傳感器陣列的信號(hào)處理中都有嘗試和應(yīng)用，其中一個(gè)主要的應(yīng)用是氣味的識(shí)別。對(duì)于多成分氣體的識(shí)別和量化技術(shù)，目前較成功的方法是將各個(gè)濃度的氣體設(shè)定為一種模式，根據(jù)氣體傳感器陣列的響應(yīng)特征對(duì)各種模式進(jìn)行識(shí)別，要識(shí)別的模式數(shù)目依賴于量化的精確程度。精確程度越高，濃度劃分越細(xì)致，模式的數(shù)目就越多，導(dǎo)致訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間增長(zhǎng)，計(jì)算量增多，所需測(cè)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)增多，給實(shí)際測(cè)量帶來不便。有效解決該問題的方法就是建立混合氣體響應(yīng)的回歸模型。作為一種化學(xué)傳感器，氣體傳感器的響應(yīng)受到環(huán)境中溫度、濕度以及各種氣體的影響，諸多干擾因素給氣體傳感器回歸模型的建立增加了很多困難。 溫度調(diào)制模式對(duì)傳感器選擇性的改善程度起著決定