（精密仪器及机械专业论文）用于饮料识别的电子鼻系统研究与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘 要 摘要 随着科学技术的进步和工业生产的发展，利用气味对饮料等产品的质量进 行智能检测日益受到人们的重视，对气体的检测和识别的要求也不断提高。传 统气体检测技术复杂，设备体积大，价位高，难以实现现场检测。电子鼻系统 结合了气体传感器阵列与模式识别技术， 具有低成本、 便携和现场分析等优点， 为气味检测与分析开辟了一条新路子。 本文对人工嗅觉系统的基本原理和组成，电子鼻系统的软、硬件构造进行 了比较全面的介绍和探讨。利用金属氧化物 s n 0 : 气体传感器阵列，结合数据 采集系统完成了气味检测系统的设计。采用5 种葡萄酒样本进行了实验，并分 别使用 b p神经网络、马氏距离判别、不变特征矩三种方法对实验数据进行了 处理和识别，对后两种方法给出了详细的处理结果。 论文主要研究结论包括: 1 利用气体传感器阵列配合模式识别算法能够实现对同一种类的不同浓 度级别的气体的检测与识别。 2 直接使用单一b p 算法模型难以实现属于同一种类、 样本差别很小的气 体的识别，而且由于训练时间较长，难以用于工业上的实时检测:马氏距离法 能够得出识别结果，在单一样本情况下识别率偏低;如果以复合样本为处理对 象， 配合合适的预处理算法， 选择适当的采样区域， 能够得出令人满意的结果; 不变矩识别法运算速度快，不依赖预处理算法，识别精度也较高，用于工业产 品质量的自 动识别比较理想，具有较大的研究价值。 3 针对不同的识别算法， 预处理算法对识别结果的影响不同。 另外， 采样 区域的优化选择也能够有效提高识别精度。 关键词人工嗅觉，电子鼻，气敏传感器阵列，模式识别，不变矩 西北工业大学硕士学位论文abs t ract abs tract i n i n d u s t ry a p p l i c a t i o n a n d d a i l y l i f e , w i t h t h e r e q u i r e m e n t o f g a s d e t e c t i o n a n d i d e n t i f ic a t i o n , u t i l i z i n g s m e l l t o t r e a t t h e i n t e l l i g e n t e x a m i n a t i o n f o r b e v e r a g e q u a n t i t y i s b e c o m i n g i m p o r ta n t . t h e t r a d i t i o n a l e x a m i n a t i o n t e c h n i q u e i s c o m p l i c a t e d a n d it s e q u i p m e n t i s b i g a n d e x p e n s i v e . t h e r e f o r e , i t i s d i ff i c u l t t o b e u s e d f o r i n - s i t u m e as u r e m e n t . e l e c t r o n i c n o s e t e c h n i q u e c o m b i n e g a s s e n s o r a r r a y w i t h p a tt e rn r e c o g n it i o n t e c h n i q u e a n d g i v e a n e w w a y f o r g a s d e t e c t i o n a n d a n a l y s i s s i n c e i t h as m a n y m e r i t s s u c h a s l o w c o s t , p o r ta b l e a n d i n - s i t u e x a m i n a t i o n i n t h i s t h e s i s , t h e b a s i c t h e o r i e s a n d s t r u c t u r e o f t h e a rt i fi c i a l o l f a c t i o n s y s t e m a n d t h e s y s t e m c o n s t i t u e n t o f e l e c t r o n i c s n o s e s y s t e m a r e i n t r o d u c e d a n d a n a l y z e d i n d e t a i l . a g as- d e t e c t i n g s y s t e m , t h a t c a n b e u s e d t o d e t e c t g as s a m p l e i n d i ff e r e n t c l as s b u t s a m e c a t e g o ry , h a s b e e n d e s i g n e d u s in g s n 0 2 g a s s e n s o r a r r a y a n d a s i g n a l a c q u i s i t i o n h a r d w a r e . f i v e k i n d s o f w i n e s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y i d e n t i f i e d b y t h i s s y s t e m . i n d a t a p r o c e s s i n g , b p n e u r a l n e t w o r k , t h e m e t h o d o f ma h a l a n o b i s d i s t a n c e a n d mo m e n t i n v a r i a n t h a v e b e e n u s e d a n d t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s h a v e b e e n a n a l y z e d . t h e c o n c l u s i o n s a r e : a g a s s m e l l i n d i ff e r e n t c l as s b u t s a m e c a t e g o ry c a n b e i d e n t i f i e d u s i n g g a s s e n s o r a r r a y a n d p a tt e rn r e c o gni t i o n a l g o r i t h m. i t i s d i ff i c u l t t o d e t e c t o d o r i n d i ff e r e n t c l a s s b u t s a m e c a t e g o ry u s i n g b p n e u r a l n e t w o r k . i t s h o w s b p a l g o r i t h m i s n o t s u i t a b l e f o r i n - s i t u e x a m i n a t i o n b e c a u s e o f i t s l o n g t r a i n i n g ti m e . ma h a l a n o b i s d i s t a n c e i s a g o o d m e t h o d f o r g a s i d e n t i fi c a t i o n a l t h o u g h t h e i d e n t i f ic a t i o n r a t e i s l o w f o r a s i n g l e s a m p l e , a s a ti s f i e d i d e n t i f i c a ti o n r e s u l t i s a c h i e v e d w h e n u s i n g a c o m p l e x s a m p l e , c o r r e c t p r e t r e a t m e n t a r i t h m e t i c a n d a s u i t a b l e s a m p l i n g a r e a . t h e m e t h o d o f m o m e n t i n v a r i a n t c a n b e u s e d f o r p r o d u c t q u a l i t y d e t e c ti n g i n i n d u s t ry s i n c e i t s s i m p l e a l g o r i t h m a n d g o o d s a m p l e id e n t i f ic a t i o n r a t e w i t h o u t a n y p r e t r e a t m e n t a r i t h m e t i c . f o r d i ff e re n t p a t t e rn r e c o gniti o n m e t h o d , t h e i n fl u e n c e o f p r e t r e a t m e n t a r it h m e t i c o n t h e r e s u lt s o f i d e n t i fi c a t i o n i s n o t s a m e . mo r e o v e r , t h e r e c o g n i t i o n a c c u r a c y i s m u c h b e tt e r i f w e s e l e c t a c o r re c t s a m p l i n g a r e a . k e y w o r d s : a r t i f i c i a l o l f a c t i o n , p a tt e rn r e c o gni t i o n , el e c t r o n i cn o s e , g a s s e n s o r a r r a y i n v a r i a n t 西北工业大学硕上学位论文第一章引台 第一章 引言 随着科技的进步和社会生活水平的提高，在食品工业、环境监测、医疗诊 断、海关检查等方面，人们越来越多地开始对特定气味的物体进行检测。在工 业领域对有毒气体进行检测，人们常常利用气象色谱法进行组成和浓度分析， 但是这些分析用到的仪器成本高，同时常常需要复杂的数学换算。在对香料、 食品、酒类、咖啡等物品进行检验时，大多数时候是依靠人类的嗅觉进行评价 的，但是，这种方法主观性强，时间和费用消耗较大，鉴别结果往往受到人的 经验、身体状况、情绪等外界因素影响，准确性难以保证。质检部门有时也用 到化学分析法及物理化学分析法对当天生产的成品进行抽样检测来控制质量， 化学分析步骤繁琐，实时性差，而物理化学分析需要比较贵重的仪器 ( 如液相 色谱仪)，并且对样品的提取、制备和仪器操作技术要求都较高，不适应快速 分析的需要。另外，用化学成分分析的方法来鉴别酒类质量也是比较困难的， 因为影响酒类质量的化学成分较多 ( 如酒的香气质量就是多种致香成分的综合 反映)，完全测出这些成分不仅非常复杂，还要花费很多时间和费用，而且， 有些成分含量极微，测试非常困难。 因此，探求一种客观准确的嗅觉鉴别方法来替代人工气味鉴别和分析化学 仪器是人们多年的期望。 1 . 1气体传感器技术的发展 大部分情况下，对气味的检测不仅要迅速和准确，而且还要求把获得的信 息以电信号的形式输送出来，以便运用电 子计算机或微机进行监测和控制。 此 外还要求检测系统体积小、重量轻，尤其还希望它们能适应在线检测，一些传 统的检测方法根本无法满足这些需要。于是，气体传感器就应运而生，并得到 了 很大的发展，已成为化学传感器的一大门类。 目 前， 已开发出了氧化物半导体气体传感器、 固体电解质气体传感器、 有机 半导体气体传感器、石英振子气体传感器、场效应气体传感器、热催化气体传 感器、表面声波气体传感器、光学气体传感器等多种形式，其中氧化物半导体 和固体电 解质气体传感器是主流产品， 它们的产量最大、 应用最广。 其它各种气 体传感器占有的市场份额较小。 1 西北工业大学硕上学位论文第一章引台 第一章 引言 随着科技的进步和社会生活水平的提高，在食品工业、环境监测、医疗诊 断、海关检查等方面，人们越来越多地开始对特定气味的物体进行检测。在工 业领域对有毒气体进行检测，人们常常利用气象色谱法进行组成和浓度分析， 但是这些分析用到的仪器成本高，同时常常需要复杂的数学换算。在对香料、 食品、酒类、咖啡等物品进行检验时，大多数时候是依靠人类的嗅觉进行评价 的，但是，这种方法主观性强，时间和费用消耗较大，鉴别结果往往受到人的 经验、身体状况、情绪等外界因素影响，准确性难以保证。质检部门有时也用 到化学分析法及物理化学分析法对当天生产的成品进行抽样检测来控制质量， 化学分析步骤繁琐，实时性差，而物理化学分析需要比较贵重的仪器 ( 如液相 色谱仪)，并且对样品的提取、制备和仪器操作技术要求都较高，不适应快速 分析的需要。另外，用化学成分分析的方法来鉴别酒类质量也是比较困难的， 因为影响酒类质量的化学成分较多 ( 如酒的香气质量就是多种致香成分的综合 反映)，完全测出这些成分不仅非常复杂，还要花费很多时间和费用，而且， 有些成分含量极微，测试非常困难。 因此，探求一种客观准确的嗅觉鉴别方法来替代人工气味鉴别和分析化学 仪器是人们多年的期望。 1 . 1气体传感器技术的发展 大部分情况下，对气味的检测不仅要迅速和准确，而且还要求把获得的信 息以电信号的形式输送出来，以便运用电 子计算机或微机进行监测和控制。 此 外还要求检测系统体积小、重量轻，尤其还希望它们能适应在线检测，一些传 统的检测方法根本无法满足这些需要。于是，气体传感器就应运而生，并得到 了 很大的发展，已成为化学传感器的一大门类。 目 前， 已开发出了氧化物半导体气体传感器、 固体电解质气体传感器、 有机 半导体气体传感器、石英振子气体传感器、场效应气体传感器、热催化气体传 感器、表面声波气体传感器、光学气体传感器等多种形式，其中氧化物半导体 和固体电 解质气体传感器是主流产品， 它们的产量最大、 应用最广。 其它各种气 体传感器占有的市场份额较小。 1 西北工业大学硕 1 : 学位论文第一章引言 经过持续不断的努力， 目 前， 单个气体器件的灵敏度已达到较高的水平。例 如， 借助于精密测试电路， t g s 型气体传感器对一些有机气体的体积分数检测下 限已达到1 . o x 1 0 - 1 。 选择性则与人们的期望存在很大的距离， 除p d - mo s f e t 型气 体器件对氢的选择性比较理想外， 一般金属氧化物半导体、 有机聚合物、 石英晶 振、 声表面波等敏感膜材料的选择性都不好。 通过与生物嗅细胞的性能相比较， 人们认识到: 只对一种气味有敏感响应的 气体器件几乎是不存在的川 。 对气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多学科交叉的研究领域。要 切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。气 体材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的 关注。目前气体传感器的发展主要围绕下面几方面展开工作。 ( 1 )气体材料的进一步开发:一方面寻找新的添加剂对己开发的气体材料 的敏感特性进一步提高，尤其是通过选择不同的添加剂来改善同一基质材料对 不同气体的选择性:另一方面充分利用纳米、 薄膜等新材料制备技术使气体材 料各方面的性能均得到大大改善，譬如:纳米器件比表面积大，有利于提高其 灵敏度，大大降低使用温度，易于器件集成化，降低成本，便于使用。 ( 2 )新型气体传感器的开发和设计:根据气体与气体材料可能产生的不同 效应设计出新型气体传感器是气体传感器未来发展的重要方向。近年来表面声 波气体传感器、光学式气体传感器、石英谐振式气体传感器等新型传感器的开 发成功进一步开阔了设计者的视野。目 前仿生气体传感器也在研究中，结合仿 生学和传感器技术研究类似狗鼻子的 “ 电子鼻” 将是气体传感器发展的重要趋 势和目 标之一。 ( 3 )气体传感器传感机理的研究:新的气体材料和新型传感器层出不穷， 需要在理论上对它们的传感机理进行深入研究。传感机理一旦明确，设计者便 可有据可依地针对传感器的不足之处加以改进，也将大大促进气体传感器的产 业化进程。 ( 4 )气体传感器的智能化:生产和生活日新月异的发展变化对气体传感器 提出了 更高的要求，气体传感器智能化是其发展的必由之路。纳米、薄膜技术 等新材料制备技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提 条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理 技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科综合技术的 基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自 动数字化的智能气体传感 器将是以后该领域的重要研究方向。 由于气体传感器普遍存在的交叉敏感性， 而且其响应受到温度、 湿度以及 环境条件等因素的影响，稳定性和选择性较差，使得它的应用局限 在对检测精 度和分辨率要求不高或气体成份较为简单的场合，而在复杂气体或气味的准确 2 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 定性定量检测中应用较少。特别是由于气体传感器工作特性的非线性和非单一 选择性， 用单个气体传感器来鉴别某种气体或定量检测出混合气体的种类及浓 度是十分困难的2 1 互 1 . 2电子奥技术的产生与发展 为解决这些问题，人工嗅觉的研究，自 上世纪8 0 年代起引起了人们广泛的 关注和高度的重视。客观的需要、传感器技术的现状和人对嗅觉过程的理解程 度决定了 人工嗅觉产品 电 子鼻的产生和发展cal 。 从仿生学角度看，电 子鼻 是人和动物的鼻子的仿生产品。它将仿生学、传感技术、信号处理、模式识别 和计算机科学等多种学科交融于一身，模仿生物感官鼻子的功能，能鉴别 和判断带有气味的各种样品，包括气体、液体和固体的物质。与其他常规仪器 分析方法如气相色谱相比，样品无须前处理，因此基本上不用任何有机溶剂， 被认为是一种新颖的 “ 绿色”仿生检测技术。电子鼻对于气体传感器没有什么 特殊的要求，只要是具有较宽的响应范围的气体传感器都可以使用。 作为气味分类用的智能化学传感器阵列的概念至上世纪8 0 年代才真正出 现。1 9 8 4 年，美国的z a r o m b 和s t e tt e r 提出了用对不同气体有不同响应的多个气 体传感器组成气体传感器阵列，进行气味识别和测量的基本原理。基本思想是 将多个具有不同 选择性的气体元件组成阵列，用它测量多种气体，气体传感器 输出一组与气体成分对应的响应数据。对这些数据进行分析，可以识别气体种 类和组成成分，此即电子嗅觉系统的雏形。在8 0 年代初期，在科技文献中出现 了 “ 电子鼻”这个技术术语，但并没有明确的定义。1 9 8 9 年北大西洋公约组织 ( n o r t h a t l a n t i c t r e a t y o r g a n i z a t i o n ， 简称 n a t o ) 一次 关于化学传感器信息处 理的会议，对电子鼻做了如下定义:“ 电子鼻是由多个性能彼此重叠的气体传 感器和适当的模式分类方法组成的 具有识别单一和复杂气味能力的仪器” 141 近2 0 年来，世界许多国家的大学和公司积极开展了电子鼻的研究和开发工 作， 现已开发出数十种实验性电子鼻产品( 参见表1 . 1 ) 。 由于电子鼻具有实时、 在线、原位分析等特点，可用于气味鉴别、复杂环境下气体浓度鉴别和可燃气 体、有机挥发物或有毒气体的鉴别，因而具有广泛的应用前景，是目前气体传 感器研究的热点之一。而国内对电 子鼻的研究从上世纪9 0 年代才刚刚起步，与 国外相比， 对电子鼻的研究还停留在实验室阶段， 离完全商品化还有一段距离。 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 定性定量检测中应用较少。特别是由于气体传感器工作特性的非线性和非单一 选择性， 用单个气体传感器来鉴别某种气体或定量检测出混合气体的种类及浓 度是十分困难的2 1 互 1 . 2电子奥技术的产生与发展 为解决这些问题，人工嗅觉的研究，自 上世纪8 0 年代起引起了人们广泛的 关注和高度的重视。客观的需要、传感器技术的现状和人对嗅觉过程的理解程 度决定了 人工嗅觉产品 电 子鼻的产生和发展cal 。 从仿生学角度看，电 子鼻 是人和动物的鼻子的仿生产品。它将仿生学、传感技术、信号处理、模式识别 和计算机科学等多种学科交融于一身，模仿生物感官鼻子的功能，能鉴别 和判断带有气味的各种样品，包括气体、液体和固体的物质。与其他常规仪器 分析方法如气相色谱相比，样品无须前处理，因此基本上不用任何有机溶剂， 被认为是一种新颖的 “ 绿色”仿生检测技术。电子鼻对于气体传感器没有什么 特殊的要求，只要是具有较宽的响应范围的气体传感器都可以使用。 作为气味分类用的智能化学传感器阵列的概念至上世纪8 0 年代才真正出 现。1 9 8 4 年，美国的z a r o m b 和s t e tt e r 提出了用对不同气体有不同响应的多个气 体传感器组成气体传感器阵列，进行气味识别和测量的基本原理。基本思想是 将多个具有不同 选择性的气体元件组成阵列，用它测量多种气体，气体传感器 输出一组与气体成分对应的响应数据。对这些数据进行分析，可以识别气体种 类和组成成分，此即电子嗅觉系统的雏形。在8 0 年代初期，在科技文献中出现 了 “ 电子鼻”这个技术术语，但并没有明确的定义。1 9 8 9 年北大西洋公约组织 ( n o r t h a t l a n t i c t r e a t y o r g a n i z a t i o n ， 简称 n a t o ) 一次 关于化学传感器信息处 理的会议，对电子鼻做了如下定义:“ 电子鼻是由多个性能彼此重叠的气体传 感器和适当的模式分类方法组成的 具有识别单一和复杂气味能力的仪器” 141 近2 0 年来，世界许多国家的大学和公司积极开展了电子鼻的研究和开发工 作， 现已开发出数十种实验性电子鼻产品( 参见表1 . 1 ) 。 由于电子鼻具有实时、 在线、原位分析等特点，可用于气味鉴别、复杂环境下气体浓度鉴别和可燃气 体、有机挥发物或有毒气体的鉴别，因而具有广泛的应用前景，是目前气体传 感器研究的热点之一。而国内对电 子鼻的研究从上世纪9 0 年代才刚刚起步，与 国外相比， 对电子鼻的研究还停留在实验室阶段， 离完全商品化还有一段距离。 西北工业大学硕士学位论文 第一章引合 电 子鼻是涉及气体传感器、多信息数据融合和优化、计算机技术和应用数 学以及各具体领域的一门综合性技术，其中敏感材料技术和模式识别技术是电 子鼻发展的两个关键因素。 表1 . 1 己 开发出的电 子鼻产品不完全列表15 1 生产 厂家 fh fi 国家 传 感 器 类型 采用传感 器 数 量 模 式 识 别 技 术 价格 万美元) ai rs e ns e德国mos1 0 ann, dc, p ca, s p r 2 - 4 . 3 a lp h a ee m o s 法国 cp i mos , q c m, s a w 6 - 2 4 ann, df a, p ca 2 - 1 0 ar o masc an英国 cp3 2ann2 - 7 . 5 bi o o d ho u n d s e n s o r s 英国 cp1 4人nn, ca, p ca c y r a n o s c i e n c e 美国 cp3 2p ca0 . 5 e e v l t d . cs s英国 cpcpi mos , q c m, s a w 8 - 2 8 ann, df a, p c a 、 专利算法 h k r s e n s o r s y s t e m 德国 q c m 6 ann, c a, df a, pca l e n n a r t z e l e c t r o n i c德国 mo s , q c m 1 6 - 4 0ann, ca, p cr5 . 5 umwe l t s c h a t z gmb h德国 mo s , q c m, s aw 6 - 1 0ann, p ca5 no r d i c s e n s o r瑞典 i r, mos , mo s f e t , q c m 2 2ann, p ca4 - 6 s a w t e c k美国 s aw2专利0 . 5 感器; i r为红外线光电 传感器: s a w 为声表面波传感器; m o s f e t为金属氧化物半导 体场效应管传感器。 2 , a n n 为人工神经网 络、 p c a 为主元分析、 d f a 为判别式函数分析、 s p r 为统计模式识 别、d c 为距离分析、c a 为群分析、 p c r 为主元回归。 随 着纳米科技的发展，以前的微米级的气体材料己被纳米级的气体材料所 代替， 材料的敏感特性得到了 大大的改善。为了 提高材料的 气体响应特性和选 择性， 通过掺杂金属( 特别是贵金属如p t , p d , t h 等催化剂) ， 金属阳离子( 如铜 离子， 铁离子等) ，氧化物或形成复合( 如稀土氧化物) 、多组分氧化物( 如 c u 0 / a 1 , 0 , / s n % / s i o , 等) 形成所谓的多相材料，而且仅次于次相材料，甚至次相 材料的性能对气体材料的性能起决定性的作用，进而使材料的气体特性得以 更 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 好地发挥， 这将是开发和研究新型敏感材料的重要方法(s 1 单个气体传感器的选择性比较差， 而由多个气体传感器所组成的电子鼻却 具有很高的选择性， 这主要是模式分类方法在起作用。不仅如此 模式识别在改 善电子鼻装置的灵敏度和重复性方面也发挥着十分重要的作用。早期的电子鼻 多用主成分分析、 b a y e s 判别、 多元线性拟合、 模板匹配、 聚类等数据处理方法。 由于气体传感器的响应与被测气体体积分数之间的关系一般是非线性的， 环境 温度与湿度的变化和传感器自 身重复性的影响， 现在的电子鼻系统多用神经网 络方法和偏最小二乘法。神经网络将分析系统看成一个黑箱，通过学习自 动掌 握隐藏在传感器响应和气味类型与强度之间的、难以用明确的数学模型表示的 对应关系;而偏最小二乘法对相关程度较高的多因变量数据的拟合效果较好。 1 .3论文的主要研究内容 人工嗅觉系统与化学成分分析仪器( 如色谱仪、光谱仪等) 不同，得到的不 是被测样品的某种或某几种成分的定性或定量结果，而是样品挥发物中的综合 信息，是 “ 指纹数据”，能反映被测物品的整体质量。所以，用人工嗅觉系统 来鉴别产品 质量已引起有关科技工作者们的广泛注意和深入研究【7 一 ， 1 1 。实际上， 人们所关心的是:不仅类别上能够鉴别，同一品牌不同的质量等级也应能够得 以鉴别。只有这样，才 一 能由现在的感官评定向智能化、仪器化评定方向转变， 实现产品质量的快速准确鉴别。 从发展情况来看，气体传感器以 及电子鼻技术在实验室中已 经取得了比较 成熟的应用，理论体系也基本完各。但在实际生活或者工业领域中，电子鼻的 应用还并未普及，这与我们对气体或气味检测的巨大需求是相矛盾的。分析其 原因， 主要受三方面因素制约:( 1 ) 气体传感器阵列的小型化、 集成化水平以 及自 动化程度有待进一步提高;c 2 ) 气体传感器的灵敏度基本能满足我们的需 求， 但是抗干扰能力有待增强;( 3 ) 在模式识别算法的识别率与算法的复杂程 度、运行速度之间，我们还需找到一个合适的平衡点。 前两个问 题的解决有赖于传感器技术、材料学、电 子技术以及工业加工技 术的发展。 在电子鼻信号识别方面，尤其在国内，目 前我们应用较多的是人工 神经网络算法，能够实现令人满意的识别精度， 但一般要采用多种优化算法， 增大了算法实现的复杂度。当前，模式识别技术在图像识别、字符识别、人工 视觉、遗传基因分析等方面的应用己经比较成熟，产生了很多优秀的算法。如 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 好地发挥， 这将是开发和研究新型敏感材料的重要方法(s 1 单个气体传感器的选择性比较差， 而由多个气体传感器所组成的电子鼻却 具有很高的选择性， 这主要是模式分类方法在起作用。不仅如此 模式识别在改 善电子鼻装置的灵敏度和重复性方面也发挥着十分重要的作用。早期的电子鼻 多用主成分分析、 b a y e s 判别、 多元线性拟合、 模板匹配、 聚类等数据处理方法。 由于气体传感器的响应与被测气体体积分数之间的关系一般是非线性的， 环境 温度与湿度的变化和传感器自 身重复性的影响， 现在的电子鼻系统多用神经网 络方法和偏最小二乘法。神经网络将分析系统看成一个黑箱，通过学习自 动掌 握隐藏在传感器响应和气味类型与强度之间的、难以用明确的数学模型表示的 对应关系;而偏最小二乘法对相关程度较高的多因变量数据的拟合效果较好。 1 .3论文的主要研究内容 人工嗅觉系统与化学成分分析仪器( 如色谱仪、光谱仪等) 不同，得到的不 是被测样品的某种或某几种成分的定性或定量结果，而是样品挥发物中的综合 信息，是 “ 指纹数据”，能反映被测物品的整体质量。所以，用人工嗅觉系统 来鉴别产品 质量已引起有关科技工作者们的广泛注意和深入研究【7 一 ， 1 1 。实际上， 人们所关心的是:不仅类别上能够鉴别，同一品牌不同的质量等级也应能够得 以鉴别。只有这样，才 一 能由现在的感官评定向智能化、仪器化评定方向转变， 实现产品质量的快速准确鉴别。 从发展情况来看，气体传感器以 及电子鼻技术在实验室中已 经取得了比较 成熟的应用，理论体系也基本完各。但在实际生活或者工业领域中，电子鼻的 应用还并未普及，这与我们对气体或气味检测的巨大需求是相矛盾的。分析其 原因， 主要受三方面因素制约:( 1 ) 气体传感器阵列的小型化、 集成化水平以 及自 动化程度有待进一步提高;c 2 ) 气体传感器的灵敏度基本能满足我们的需 求， 但是抗干扰能力有待增强;( 3 ) 在模式识别算法的识别率与算法的复杂程 度、运行速度之间，我们还需找到一个合适的平衡点。 前两个问 题的解决有赖于传感器技术、材料学、电 子技术以及工业加工技 术的发展。 在电子鼻信号识别方面，尤其在国内，目 前我们应用较多的是人工 神经网络算法，能够实现令人满意的识别精度， 但一般要采用多种优化算法， 增大了算法实现的复杂度。当前，模式识别技术在图像识别、字符识别、人工 视觉、遗传基因分析等方面的应用己经比较成熟，产生了很多优秀的算法。如 西北t业大学硕士学位论文 第一章引言 果把这些成熟的模式识别技术引入到电 子鼻系统的信号分析中来，应该能够在 一定程度上加快电子鼻系统的工业化应用步伐。 综合以上情况，我们基于人工嗅觉的思想，研制了一套电子鼻系统，并重 点对电子鼻响应信号的预处理及识别算法进行了研究，最后在实验中验证了该 电子鼻系统可以实现饮料、香精等轻工业产品的气味识别和质量检测，提出的 矩算法和马氏距离算法运算迅速，识别精度较高，有助于实现工业产品的质量 实时检测，具有良 好的应用前景。 1 . 4论文的组织 本文主要研究内容共分以下七章进行论述: 第一章，引台 部分，对气体检测技术、气体传感器、电子鼻的发展现状分 别进行了简要论述，并由此引出了本文的研究课题。 第二章， 详细论述了电子鼻系统的有关知识， 包括气体传感器种类、 机理， 模式识别概念、方法以及电子鼻系统软硬件构造等方面内容。 第三章，讨论了电子鼻系统的总体设计方案，包括研究目 标，关键技术分 析，系统软、硬件总体设计方案。 第四章，详细论述了电子鼻系统的系统结构和硬件部分设计，包括传感器 阵列的 选择和构建，数据采集和传输模块的设计等内容。 第五章，详细论述了电子鼻系统的信号处理方法，包括数据预处理，特征 提取及模式识别等算法的选择与实现。 第六章，介绍了电 子鼻系统的实验系统组成，并对实验数据进行了处理与 分析。 第七章，总结所做的工作和取得的研究结论，给出了研究的不足之处和下 一步可能的研究方向。 西北t业大学硕士学位论文 第一章引言 果把这些成熟的模式识别技术引入到电 子鼻系统的信号分析中来，应该能够在 一定程度上加快电子鼻系统的工业化应用步伐。 综合以上情况，我们基于人工嗅觉的思想，研制了一套电子鼻系统，并重 点对电子鼻响应信号的预处理及识别算法进行了研究，最后在实验中验证了该 电子鼻系统可以实现饮料、香精等轻工业产品的气味识别和质量检测，提出的 矩算法和马氏距离算法运算迅速，识别精度较高，有助于实现工业产品的质量 实时检测，具有良 好的应用前景。 1 . 4论文的组织 本文主要研究内容共分以下七章进行论述: 第一章，引台 部分，对气体检测技术、气体传感器、电子鼻的发展现状分 别进行了简要论述，并由此引出了本文的研究课题。 第二章， 详细论述了电子鼻系统的有关知识， 包括气体传感器种类、 机理， 模式识别概念、方法以及电子鼻系统软硬件构造等方面内容。 第三章，讨论了电子鼻系统的总体设计方案，包括研究目 标，关键技术分 析，系统软、硬件总体设计方案。 第四章，详细论述了电子鼻系统的系统结构和硬件部分设计，包括传感器 阵列的 选择和构建，数据采集和传输模块的设计等内容。 第五章，详细论述了电子鼻系统的信号处理方法，包括数据预处理，特征 提取及模式识别等算法的选择与实现。 第六章，介绍了电 子鼻系统的实验系统组成，并对实验数据进行了处理与 分析。 第七章，总结所做的工作和取得的研究结论，给出了研究的不足之处和下 一步可能的研究方向。 西北t . 业人学硕士学位论文第_章电子鼻系 统基本理论 第二章电子鼻系统基本理论 夸 2 . 1电子葬系统基本概念 动物和人的嗅觉系统的结构有三个层次:( 1 ) 初级神经元， 对气体有敏感 度;c z ) 二级嗅觉神经元， 能够对嗅上皮和嗅神经过来的信息进行调节、 抑制; ( 3 ) 经二级嗅觉神经元来的 信号传到大脑皮层进行处理和判断。 相对应地， 模 拟动物和人的嗅觉系统，人工嗅觉系统的构造也有三个层次: ( 1 )感应部分， 相当于嗅觉初级神经元: ( 2 ) 信号传输部分，相当于二级嗅觉神经元; ( 3 ) 数据处理单元，相当于动物和人的大脑皮层。 对比 人和动物的嗅觉系统，人工嗅觉系统应具备两个基本特征: . 监测装置应能检测多种气味，而不应只对某一种气味敏感; . 信息处理部分应具有平行检测与处理的功能，并据此对被测对象进行 识别和预测。 目前，人工嗅觉系统从单一的敏感元件到传感器阵列再到图像传感器，逐 步实现向集成化、小型化的发展。测量的精度也在不断的提高，而且出 现了 许 多灵活多样的测量方式。这些都为人工嗅觉的应用展现了广阔的前景。 基于集成气体传感器阵列和多传感器信息融合技术的气体/ 气味识别系统 电子鼻是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种新颖的分析、识别和检测复杂气 味和挥发性成分的人工嗅觉系统，它利用单一气体传感器对气体响应的非专一 性和对特定气体/ 气味的择优响应特性， 根据实际应用， 将多个单一气体敏感元 件优化组合构成气体传感器阵列，利用阵列的多维空间气体响应模式，结合先 进的信息融合和模式识别算法对气体/ 味进行定性定量识别。 作为人工嗅觉的具体实现， 目 前所开发的电子鼻产品也由三部分组成: ( 1 ) 由 具有广谱响应特性，对不同气体的响应灵敏度不同的气体敏感元件组成的感 应部分;( 2 )由运算放大器组成的电子线路， 对气体组件采得的数据进行调理 放大， 实现信号传输;( 3 ) 由 数据标准化及模式识别等模块组成的计算机数字 信号处理系统12 。如图2 . 1 所示。 气 味 气 体 传 感 器 阵 列 数据调理、 采集模块 计算机数字信号 处理系统 结果 图 2 . 1 电子鼻结构示意 西北t . 业人学硕士学位论文第_章电子鼻系 统基本理论 第二章电子鼻系统基本理论 夸 2 . 1电子葬系统基本概念 动物和人的嗅觉系统的结构有三个层次:( 1 ) 初级神经元， 对气体有敏感 度;c z ) 二级嗅觉神经元， 能够对嗅上皮和嗅神经过来的信息进行调节、 抑制; ( 3 ) 经二级嗅觉神经元来的 信号传到大脑皮层进行处理和判断。 相对应地， 模 拟动物和人的嗅觉系统，人工嗅觉系统的构造也有三个层次: ( 1 )感应部分， 相当于嗅觉初级神经元: ( 2 ) 信号传输部分，相当于二级嗅觉神经元; ( 3 ) 数据处理单元，相当于动物和人的大脑皮层。 对比 人和动物的嗅觉系统，人工嗅觉系统应具备两个基本特征: . 监测装置应能检测多种气味，而不应只对某一种气味敏感; . 信息处理部分应具有平行检测与处理的功能，并据此对被测对象进行 识别和预测。 目前，人工嗅觉系统从单一的敏感元件到传感器阵列再到图像传感器，逐 步实现向集成化、小型化的发展。测量的精度也在不断的提高，而且出 现了 许 多灵活多样的测量方式。这些都为人工嗅觉的应用展现了广阔的前景。 基于集成气体传感器阵列和多传感器信息融合技术的气体/ 气味识别系统 电子鼻是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种新颖的分析、识别和检测复杂气 味和挥发性成分的人工嗅觉系统，它利用单一气体传感器对气体响应的非专一 性和对特定气体/ 气味的择优响应特性， 根据实际应用， 将多个单一气体敏感元 件优化组合构成气体传感器阵列，利用阵列的多维空间气体响应模式，结合先 进的信息融合和模式识别算法对气体/ 味进行定性定量识别。 作为人工嗅觉的具体实现， 目 前所开发的电子鼻产品也由三部分组成: ( 1 ) 由 具有广谱响应特性，对不同气体的响应灵敏度不同的气体敏感元件组成的感 应部分;( 2 )由运算放大器组成的电子线路， 对气体组件采得的数据进行调理 放大， 实现信号传输;( 3 ) 由 数据标准化及模式识别等模块组成的计算机数字 信号处理系统12 。如图2 . 1 所示。 气 味 气 体 传 感 器 阵 列 数据调理、 采集模块 计算机数字信号 处理系统 结果 图 2 . 1 电子鼻结构示意 西北工业大学硕十学位论文第二章电子奔系统基本理论 电子鼻的类型很多， 其典型的工作程式可归纳为:首先，把气体样本输送 至装有气体传感器阵列的小容器室中。接着，取样操作单元把已初始化的传感 器阵列暴露到气体中， 当挥发性化合物(wo c 与传感器活性材料表面相接触时， 就产生瞬时响应。这种响应被记录并传送到信号处理单元进行分析，与数据库 中存储的大量v o c图案进行比较、鉴别，以确定气味类型。最后，要用参考 气体 ( 如纯净空气)“ 冲洗”传感器活性材料表面以去除测毕的气味混合物。 在进入下一轮新的测量之前， 传感器仍要再次实行初始化( 即工作之前， 每个传 感器都需用纯净空气或其它参考气体进行清洗， 以达到基准状态) 。 被测气味作 用的时间称为传感器阵列的 “ 响应时间”，清除过程和参考气体作用的初始化 过程所花的时间称为 “ 恢复时间”。 在电子鼻产品的研制中，人们主要致力于两个部分的研究，即相当于神经 元的气体传感器和相当于大脑皮层的计算机数字信号处理系统。因此下面对气 体传感器及电子鼻信号处理技术基本理论作一介绍。 2 . 2气体传感器基本理论 2 . 2 . 1 概述 我们把能感受被测气体，并能根据气体浓度， 按一定规律转换成可输出 信 号的装置，称为气体传感器，其中能直接感受信号的元器件，称之为气体敏感 元件。气体敏感元件是气体传感器的核心，它可以将气体种类和浓度信息转换 成电信号，因此可以和微电子电路、计算机等连接，进而进行报警、检测、监 控等。 随着生活水平的提高，目 前的气体传感器在食品加工、酒类检测、 烟草鉴 别、化妆品生产以及保健品卫生等新领域有着十分广阔的应用前景。表2 . 1 给 出了气体传感器的主要应用领域。 气敏元件及气体传感器种类繁多， 按不同特性可以 有不同的分类方法。按 结构分，气敏元件可分为两大类，即干式气敏元件和湿式气敏元件。凡用固体 材料制成的成为千式气敏元件，而用水溶液或电解液感知待测气体的元件，称 为湿式气敏元件。按所使用的功能材料，大致可分为表2 .2中所示的几类。 西北工业大学硕十学位论文第二章电子奔系统基本理论 电子鼻的类型很多， 其典型的工作程式可归纳为:首先，把气体样本输送 至装有气体传感器阵列的小容器室中。接着，取样操作单元把已初始化的传感 器阵列暴露到气体中， 当挥发性化合物(wo c 与传感器活性材料表面相接触时， 就产生瞬时响应。这种响应被记录并传送到信号处理单元进行分析，与数据库 中存储的大量v o c图案进行比较、鉴别，以确定气味类型。最后，要用参考 气体 ( 如纯净空气)“ 冲洗”传感器活性材料表面以去除测毕的气味混合物。 在进入下一轮新的测量之前， 传感器仍要再次实行初始化( 即工作之前， 每个传 感器都需用纯净空气或其它参考气体进行清洗， 以达到基准状态) 。 被测气味作 用的时间称为传感器阵列的 “ 响应时间”，清除过程和参考气体作用的初始化 过程所花的时间称为 “ 恢复时间”。 在电子鼻产品的研制中，人们主要致力于两个部分的研究，即相当于神经 元的气体传感器和相当于大脑皮层的计算机数字信号处理系统。因