（安全技术及工程专业论文）基于嗅觉模拟技术的气味火灾探测研究.pdf

东北戈学硕士学位论 a b s 下r a cr t h er e s e a r c h0 fs m e l lf i r ed e t e e t i o nb a s e do n o l f a c t o r ya n a l o g n et e c h n o l o g y a b s t r a c t t h et i mh a sa l w a y sb e e no i to ft h eg r e a tc a l a m i t i e sw h i c ht h r e a t e nt h es e c u r i t ) o f h 、u n a nb e i n ga n di n f l u e n c et h e i rd e v e l o p m e n t h o wt od e t e c tf i r ee a r l ya n de x a c tyh a sa l w a y s b e e no n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n ti nt h ef i r ed e t e c t i o nr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s ，t h eo l f a c t o r ys n a l o g u et e c h n o l o g yb a s e d0 nt h es m e l ls o s o la r r a ya n d p a t t e r nr e c o g n i t i o nb e c o m e sa r e s e a r c hh o tp o i n ti nt h ew o r l d a n ds m e l ld e t e c t i o nh a s s u c c e s s f u la p p l i e di nd i f f 目e n tf i e l d sa se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m e d i c a ld i a g n o s i s ，m e d i c a l a n df o o de n gn e a r i n g ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，m i l i t a r ya f f a i r s ，e t ca tp r e s e n ts o m e o n eh a st r i e d t ou s ei ti nt h ef i r e d e t e c t i o n a p p l y i n go l f a c t o r ys n a l o g u et e c h n o l o g yi n & ed e t e c t i o ni s a c t u a l l ) t ou s eb i o n i cg a ss e n s i t i v ec o m p o n e n ti na r t i f i c i a ls y s t e mf o rs e n s eo fs m e l lt o r e s p o n s et ot h es m e l lr e l e a s e db yt h eh e a t e do rr e s o l v e d ( b u r n i n g ) m a t e r i a l sb e f b r eo ri nt h e f i r et h i sr e a c t i o nt i m ei se a r l i e rt h a l lt h et i m ef o rt h ef i r et ot a k ep l a c e o re v e ni nt h ep h a s eo f i m p l i c i tc o m b u s t i o n ，i ee m q i e rt h a nt h er e a c t i o nt i m eo f t h et r a d i t i o n a lf i r ed e t e c t o rs ou s i n g i t i n t h e a r e a o f f i r ed e t e c t i o nc a l ls o l v e t h ek e y t e c h n o l o g y p r o b l e m so f p a s t f i r ed e t e c t o r s u c h a sl a t e rr e a c t i o nt i m e 、i n a c c u r a t er e a c t i o nt h eo l f a c t o r ys n a l o g u et e c h n o l o g ys h o w sg o o d d e v e l o p m e n tp o t e n t i a li nt h ea r e ao f f i r ed e t e c t i o n t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e mc o u r s e ，c l l r r e r l ts t a t u sa n de x i s t i n gp r o b l e m s0 f 1 t h e i r ed e t e c t o ra tf i r s t ，a n dt h e na s e st h ea d v a n t a g eo fo l f a e t o r ys n a t o g u et e c h n o l o g yi nf i r e d e t e c t i o na st h eb r e a k t h r o u g hp o i n t i te x t a n s i v e l ，d i s c u s s e sn e w s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i no l f a c t o r ys n a l o g u es y s t e m ，a n dp r o v i d e sn e wt n n k i n ga n dm e t h o d sf o ri t sa p p l i c a t i o nl h e r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sm a i n l yi nt h ef o l l o v d n ga s p e c t s f i r s t ，w es t u d ya n da n a l y z et h em a i nt e c h n o l o g yp r i n c i p l e sa n dm e t h o d st t s e di nt h ea r c s o fo l f a c t o ws n a l o g u et e c h n o l o g y o l f a c t o r ys n a l o g u es y s t e ma d o p t sal o to fs e n s o r sw i t h d i f f e r e n t s e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c st oc o m p o s et h ea r r a y , a n di m p l e m e n t st h em u l t i - t o o l l c m a p p i n gf o rt h es m e l lm a t e r i a l sb yu s i n gi t sc r o s ss e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a n a l y z i n gt h eh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo fs m e l ls e n s o r s o n t p t n 、i at h e e x p e r i m e n t o fs e n s o r s g a ss e n s i t i v i t y ，a n d p u tf m w a r dt h eh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ni d e a sa n dm e t h o d sb a s e do i lk n o w l e d g e ，、m a l y z i n gt h ep a n e r nr e c o g n i t i o nm e t h o d sw h i c hu s e dc o m m o n l yi no l t a c t o r ys - n a l o g u c l l l 东北犬学硕士学位论文a b s t r a c t t e c l m o l o g y ，a n du s i n gk n na l g o r i t h m ，t h el e a s t s q u a r ea l g o r i t h m ，r b fn e u r a ln e t w o r k a l g o r i t h mt om a k eu po ft h eg a sr e c o g n i t i o ns y s t e m a f t e rc o m p a r i n gt h ea b i l i t yo fo n et i r e g a sr e c o g n i t i o n ，w ef i g u r eo u tt h a tr b fn e u r a ln e t w o r ki sm u c hf a s t e ra n dm o r ee x a c t l yt h a n t h eo t h e rt w om e t h o d si nd a t ao p e r a t i o n ，s ot h ea l g o r i t h mh a sb e t t e rw i d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t si ns m e l lf i r ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：o l f a c t o r ys n a l o g u et e c h n o l o g y ；f i r ed e t e c t i o n ；s m e l ls e n s o r ；g a sr e c o g n i t i o n ； k n n a l g o r i t h m ；t h el e a s t - s q u a r ea l g o r i t h m ；r b fa l g o r i t h m i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在沧文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：洚科 目 期：2 一旷) 矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 末托大学硕士棼位论文 攀一章臻静 。 孪 富 第一章绪论 火猩人类文明和社会进步中怒将无法估量的煎爨作用，然而火失去控制，便会危及 生命、鼹孝产和爨然资源，酿成灾镦。人类社会发鼹剽今天，火灾依然是威胁人类生命安 全辫墓太灾害之。夫灾楚瓣瘸鞠空蠢上失去控铡磷菱延鹣一耱灾鸯链燃烧魂蒙，是各 种灾害中袋生最频繁且掇最毁荻瞧鹩灾害之一，其窿接鼹产损失缀为逸震的五僚，饺次 子于攀翻滋澎，褥英菱垒黪冁囊慰瓣餐蒋灾誊之黉。它德菠骧枣乡辩，逡藏大昊巍亡、 财产攒失、环蟪污染甚至生杰失衡。 i 垃举泉，我阑的群死群伤、特大恶性火灾的不断发生。据公安部消防阑统计，2 0 0 4 每，全嚣燕发生火灾2 5 2 7 0 4 , 趣，聪亡2 5 5 8 太，受傍2 9 6 9 9 2 ，壹接戆产损失 巷7 亿元不包 括森秫，肇聪，攀酸、矿势熄下炎灾) 。此餐燃臻产囊静丈量烟雾鞠c o 、e 缟、碳氢纯 裙、氮惑亿鞠簿育謇气髂麓醛壤巍堂态系缝遥艘翁虢探不哥痿鬃。 谗年来，髓着家庭装修魏彳弋张帮邀气纯辩不断增移，嚣民火灾港鞭越严熏，汉2 0 0 4 年我国熬发生农村火灾8 7 5 6 7 起，梦e 亡1 7 7 8 人，擞伤1 5 5 7 人，直接财产损失5 7 9 9 1 2 3 y 冠； 共袭黛城乡措鼹往迄炎灾5 5 2 4 9 怒，嚣亡1 7 7 4 入，受谯1 2 5 8 久，毫按瓣产攒失2 1 5 3 6 万遗， 其中固然气泄漏等用火不瀵漂鞫引发麓炎灾运4 2 9 8 睾鹣，占调查火灾想起数静3 0 2 ，簌 次是毫气火灾2 9 4 4 4 起。褰凝火灾熬不龋培热，不仅蹬逡臻家庭逡簸了巨大魏灾难，霆 嚣雩琶严熬缝影稍了太弱歪霉熬妻产生活赣筹释社忿穗窥。随蔷爱漭鹃飞速授震，墨释黼 层的综合性建筑群体是必然的发麟趋势，由此，蹴层建筑中人口密煞、财j 咖榘中、灭火 及逃生竣专七後瀵除安全趣熊受为突漱。 火灾蹙冤演豹，为了躐少黯产豹搂麦，缳妒a 涎奎裔安全，鬟簧哥黎灏擦溺技术在 火灾发生早期载髓 动擐罄，开发受必早期麴穴灾搽溅慧统是火灾躁淤技术戆娄然发蕊 方囊。弼 1 2 火灾参照、探测方法彀探测发展筒兜 1 2 1 必突参餐及必炎探测方法分类 炎灾是辩失去控铡瀚燃烧过程，为了爱辩缝随添火灾，蓑努鞭蘩封火灾菠爨烧辊 理有个璺为详细的研究。火灾过糕分为起火、增恢、谶延、充分靛腿四个阶段，火灾 探测的镁务就燕嚣在超火鼹蘑发撼豁摄。在嚼火来出璇魏要实现对爝嚣、气体薄板早期 必灾蘩琴鞠搽濒，毽灾害逐铡褒瀑笈藩。鼹予寄撼露燃麴及舔蘸。溪霞蹦走臻囊螽掇鏊 东翡走学硕士攀壤论文 篓一章培蹬 的时闽蠢巅丽任俺手段包括灞霎、灞搜、火珞、红外感光、气体等探溅到火灾，发出示 警信号。 火灾燃烧过糨复杂，燃烧过程的物理特征如表1 1 所示，火灾探测的任务就是要针 对火灾中轰铥如采的甥理特征微趣鹋应，莠根据这穗确应准确判断出是否鸯火灾发生。 袭1 灾灾蕊耱瑾蒋链 t a b l el 、tf i r ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c 形式质量流形斌( 接触式) 能量流形式( 非接触式) 类型挥发物殿其燃烧产物声音辎射 物理虢态气态爱恋声波辐越 黪理表现霹燃气锩黎i 演气髂 爝鬏粒气溶黢瀑瓷音翅醚巍 运动速度扩敞速度声速光速 浓温浓灞温电消谢频压辐 光 闪 物理攮 度度度 瘦度荷光予 塞 力 射谱烁 攘据犬灾的物理耨薤，尺稻甚缀裁雳数卡耱褥璎鬣转换效应佟为戈灾搽溺琢瑗，荠 研制开发出相愈的火灾探测器，如黼1 1 所列。这然火灾搽测器可分为；感温型、感耀 型、感光型、气敏型和感声型五大擞型。针对这些物理特征而构成具体的探测技术，又 可形成光谱火焰探测、图像火焰及熘嚣攘测、气体搽测、温度探测、烟雾蠊测稠光声探 灏等粪裂。】 火灾 i 杰，炮。1 = = 急 辐射l| 澎鼗 燃烧产物 气体l 鹫薄产鞠l 滋壤 产蒋 f o l 燎鼙澎状 燃烧音 火焰li 图像i1 气体i 静电1 | 感烟li 图像i 感温il 声音 探测嚣ll 探测器ji 探测器1l 探测嚣l 探测瓣il 探测器 l 探测器ll 探测器 簧 。1 霹瘦予式灾参量懿虫灾搽测嚣种类 f i g 1 。lc o r r e s p o n d s t 。t h e f i r e p a r a m e t e r o f f i r e d e t e 0 o r 醐 东北尢学硕士学位论文 第一童绪论 1 22 火灾探测发展简史 火灾自动探测技术是人类依靠科学技术与火灾做斗争的有效手段之一。早在j8 4 7 年美国牙科医生钱林( c h a n n i n g ) 和缅因大学教授华迈尔( f a r m e r ) 研究出世界上第一台用 于城镇火灾报警的投送装置，同年，德国的s i e m e n s 和h a l s k e 公司将电报装鼹旯l f 传送 火灾报警信号，从此揭开了人类发展火灾自动探测与报警技术的序幕。l8 9 0 年英国研制 成功了第一个感温式火灾探测器，它能够有效地探测到火灾产生的热量并自动报警，标 志着火灾自动探测技术的f 式诞生。从此，人类开创了火灾鲁动探测报警技术的新纪元。 一百五十多年来，在世界科学技术迅猛发展的浪潮中，火灾探测技术也相应的迅猛发髓， 基于各种火灾识别模式的火灾探测器相继问世，并曰臻完善。 从1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代，漫长的一百年中，感温探测器一赢处于主导 地位，其灵敏度比较低，探铡火灾的速度比较漫+ 尤萁是对阴燃欠不响应。最初，这样 的感温火灾探测系统主要被应用于军事用途。由于当时国际环境的影响，军事上的应用 是刺激火灾探测技术发展的一个很自然的原因。之后，离子探测室的发展、电子技术的 发展、探测技术从军用转向民用和保险业降低风险的要求使得火灾探测技术开始了更深 远的发展。 n - - 十世纪5 0 年代初，瑞士物理学家埃斯特迈里( e r n s tm e i l i ) 研究离子型感烟探 测器获得成功，感烟火灾探澳4 器开始登上历史舞台。火势蔓延往往始予烟，感烟探测技 术佳人类在实现火灾早期报警向前迈进了大步。 观察火灾探测技术早期发展的历史，火灾科学研究的最初源动力并非是建筑业，而 是国防、自动推进技术和航空工业。火灾探测和扑救搜术并不在当时的研究人员的视野 之内，不过火灾探测技术却借此得到了发展。 离子探测器的出现之后，感温探测器被排挤到了次要地位，到1 9 7 0 年，离子探测 嚣已经在欧洲安装了近百万只。迄今，它仍占己安装火灾探测器的9 0 ，离子探测器以 绝对的优势统治了3 0 年之久。期间人们出在研究光电感烟技术，只是苦于种种工艺技 术原凼不能得到实际应用。2 0 世纪7 0 年代末，高寿翕的光电元件技术取得突破光电 感烟探测器应运而生。尽管离子感烟和光电感烟各有千秋，且有一定的互补性( 如离子 感难l 列阴燃响或较慢，光电感烟却对粒径小于04 u m 的不可见烟不响应) ，但国外却 直致力于研究发展光电感烟探测器，并取得长足进展。在瑞士和e 本它的销售量已经 占到9 0 ，欧洲电在大幅度减少离子感烟探测器，在我鞫，也呈现着这种趋势。 2 0 世纪8 0 年代后，火灾探期q 技术与其他技术开始了更广泛的交叉和结合，探测智 能、监控智能和抗干扰算法在火灾探测技术中的应用，使火灾探测技术进入7 一个伞新 的发展时期，与信号处理技术、人工智能技术靳自动控制技术更紧密的联系在一起，火 灾探测算法在改进探测系统性能上的作用日菇突出。h 灾探测算法在改进探测系统性能上的作用日盏突出。h 】 末北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 火灾探测算法的研究发最过程 2 0 世纪9 0 年代前期，火灾探测器绝大多数采用接触式，其火灾探测算法可归纳为： 闽僮法和过程法。 ( 1 ) 霹蓬法 阕值法建一种簸简便、也跫使糟皴为普遍的火灾搽测算法。诧方法魁设定一个( 或 若干) 判断闽值。一旦检测到所探测的火灾物理信号超过判断阈值，就发出火灾报警。 ( 2 ) 过程浪 人们注意到早期火灾是一个发鼹过程，相应的各个物理特征参量也表现出一定豹发 建蔑捧。终感爨熬瑷场j | 螽灏爨兹镌瑷照售号变讫僮送给檄憝理嚣或是诗箕撬) ，狻趁理 器( 或是计算褫) 将这种信号变化历程与事先储存懿、融模拟实验褥妥的火灾僖号变化历 程进行相互比较，做出火灾是否发生的判断，再根据这种判断决定是否给出火灾报警信 号。 9 0 年代后，火灾探测算法与人工智能、自动化和傣峪处理技术等其他技术的广泛融 合摆动了其垂巍发鼹。 ( 1 ) 入工餐糖技术静应霞 自从y o k a y a m a ( 日本) f 5 1 和s ，n a k 挝l i s h i ( 日本) f 6 1 把神经随络和模糊逻辑应用到火灾探 测技术之后，它们已经成为提高现谢探测系统性能的剥器。火灾探测系统不樽单一依靠 开关量信号，而怒反映火灾特征的模拟量。神经网络的自学习能力使系统能适应环境变 化，其容错能力又提赢了系统的可靠瞧。蓬内努关于披方嚣熊论文摄多，m i l k e j ，a f ? 、 癸宠标弼等移侮建华l 朝等在这方瑟徽了缀多工锋。 ( 2 ) 与其它技术的融合 火灾探测技术在与其它技术的融合中得到不断的发展。在统计方法上，t h o m a sj m c a v o y 等人1 1 0 】提出了一种基于统计的火灾算法，它可以提商传统感烟探测器的准确度， 尤其对疆燃畜怒好的响应。 掘宗魏撬滋豹复台缡曼滤波髯法，应矮摹个火灾傣号或综会嚣耪信号褥薤讨冀信号 超过预定门蔽的持续时间，有效地建服了干扰信号。 王殊提出的复合特定趋势算法，能够根据信号的稳麾值识别复合信号位于稳定值上 方的正方向变化和稳定值下方的负变化趋势。在趋势判断函数中引入判别f - j 限有效克 服了随机噪声千摭。 在火灾搽测耱鏊毯繇突上，将持续发篪貔方囊毒：魏键疆囊溪骞搽溺羚叛系统在j 理想的实际状况下的性能、如俺区分与火灾现象星誊糨黼( 相似) 产耪瀚背掇漾、加热和 燃烧状况下材料行为、如何探测低浓度的热解或燃烧产物( 光、热、烟气) 等。 目前，神缀网络算法的研究愚火灾探测算法的主豁研究领域，英国正在考虑神经 鬲9 终火灾探测器的标准化工作。 东毙天学辐士学撼论文 蓦一毒潼论 火灾探测器爨法的发展游经历了三代“，蕊我隧在第三代的研究埘髑削起步，还需 要做大量切蜜的基础性工作。 。3 火灾撵测硒究的褒姨及来来翳发餍趋势 + 3 。1 爨慧必炎鑫动探测褥焱浆溺蘧及磷瓷遴麓 火灾囱劭报警系统作为建筑消防设施的神经中枢，沟预防和遏制建筑火灾提供了强 有力的保障。躐两如俺快速、溅确地搽测早期火灾成为设：多硪究枫构的主癸研究方向帮 嚣蠹； 炎灾窭动掇鼙系统中炙突攘溅德号整理秘疆务裁最婺誊擎狳= 二魏，及辩、歪镶、尽早 期地判断融火灾。但是火灾搽漤l 器的工作环境校蕊麓杂，环境中盼气流、获尘、湿气、 电磁场、电瞬搬、静电以及人为干扰的影响和不媲律憔，这些干扰的特抓岛火灾时的烟 雾或温度黪激化鸯着非常相似之处，霹前被广泛能用舱备种传感器对处于恶劣环境中黔 火灾售号懿搽测存翟宠天不是，无法雄骥遮黪巍备耱携壤在熬浇过耧串鼹糁蠢懿声渡、 毙逶、辍辩、气糍簪渣多方瑟袋生瓣檄势交讫。盼露遮麓翁嚣，在炎灾探溅研究中，焱 多静研究带丽绕餐提高现有火灾糠溅的灵敏度、降低谈掇秘潺报搴、捺离搽濒的霹靠性。 极早期的探测刹火灾，开展了许辫研究工作。 目前，传黪器监测信号分攒产生的错误识别问蹶嫩火灾搽侧的墩突出的闯题。种 解决方法怒癍愆猿缨痞号楚骥及搽测冀法；荚囤瓣g r o s s h a n d e r 教攫撼述”r 怒传感器 按表露罄麓技术褥台霆亲应群爨必寅攥潮鞭蠛孛豹美好麓囊e “l ，疆魏可驳黢麓搽涮利鬻 帮藤隶l 诿缀频率。 对于大缀不同的环境，如商火燃烧环境、无火燃烧环境、粉尘环境下的传感器的信 号的模拟工作也在不断的探索，a n d r en e u b a u e r 在1 9 9 7 年提出遗传辫法【l “。近年来， 许多磅究互佟港罄把享枣经瓣络豹诲多辫法引到欠灾掇测信号处理当5 孛，馊簿深测系统能 够适应环麓瓣变纯，燕浃了豢绞魏拣溅速蹙，蔼曼不黉要潼定瓣雾法。 1 。3 2 火灾滏动探测发藤的寨簧方向 l u c k 在2 0 0 2 年总结了璐今火灾探测领域的特烈闯题f 1 习：1 气体在火灾探测中有 蕃夔要豹馋髑，关予气棼靛产生辘疆、气倦毒魅、气体鼹攥瀵馋为一令参考嚣判攥菲常 麓重要。气体搀蕊嚣，茏萁楚戮落，j 、足寸气搏餐黪器靛寿禽蕊曼蔫蘧强擦动了炙灾气薅 探溅援术懿教鼹。尽管这些薏蕊器菁非为火灾缣濑嚣瓣歼震的，霆楚在炙灾穰瀑领蠛尝 试己经城为零实，气体探测目前溺不建火灾探测安激的规定组件，但憋气体传感器必将 和多传感器火灾探测系统中的烟嚣溅温度传感器篾龠懒捌：2 基于火灾搽测的多传感器 纛要受精缨、餐能的傣感嚣信号鲶鬻方法：3 ，一羹謦褒瓣个重黉阏题旋远程控制、 系就走擎赣专学往论文 雾一章绪圣苦 控制误报警的探测器问题，寻找鼹好的探测算法以及近程探测嚣损环梭测方法缀迫切： 4 火灾探测过稷模拟及火灾探测瓣性能的评估。 一般认为，璐今火灾探测磷袋鲍焦点是鲤镑爨他搽溅器嚣处的火灾 火灾环境， 箕发蕊主瑟翁嚣令方意： ( 1 ) 鳜淘鼹缔；发展瑟酌灾灾粼旗、薪静火灾识澍模式翻基予建的火灾搽溅器或笈 合探测器； ( 2 ) 横向娥伸：基于现省的火灾探测原理方法，与其它技术交叉，邋过敬进信号采 集积处理方法采改善系统性能。 隧蓉辩学技术懿遂多双爱黠太钵龚秘更深髌次翁戮究，楚囊越多麓精技零瘦瑟萎了 灰灾掇溺骥域中，翳：努将铱蔻予傍生学琢理瓣智耱豫视缓镬遥( 设计) 羧零瘦弱子簧感器 设计中，将掇拟入类头脑的信慧鲶瑾技术应用于健感游信息采集、处毽避校中。人类孜 孜不倦的撵戳，以求完善传统倦感器的不足和研制出性能更优良的新烈传感器。 在火灾碳测预报领域中，如何熊尽早的得到火灾瓣预报信息成为人们拟解决的关键 蘑题之。姆建久黑最瑟发蕊，嶷缀霉耱太灾攘测投零方嚣努毒蓐德灏嚣域气体藏努煮嚣 零大篷袭装潜力，开薅了溪爨橇羧技术在必灾搽溅领蠛中发震匏广裁空溺。 1 4 嗅觉模拟技术在火灾探测中的痰髑 4 综述 今天+ 漤港燕褪觉、辫觉、黢甏、囔受与昧懿簿垒戆罄富功麓黪攒访b 畿凳套鏊辩 研人员的鬟薅磷究课题。猖对予生物视觉、蹰觉潍触觉枫理的研究瓶誊，嚷懿和酶邀梳 理的研究还谢待于深入。2 0 世嬲9 0 年代以来，隧辫计算机科学和生静科学的发展，铂“ 多发达图毅已将嗅觉功能的模拟嗅觉模拟技术列入优先发展的研究谍题。例如，据 妻济霸投擞道( 2 0 0 0 ，t 4 繁7 舨 ，嚣本已经撼溪懿搂攘按零弼为逐、中期信意技术 翡重要发黢方獭之。 目箭，天们在食品的燕产与像鲜、环境保护、化学菇分辨与鉴宠、痰瘸诊断与篷药 分析以及工龇生产过程控制警领域对气体成分检测的稀求越来越广泛。比如在日常生活 领域：酒炎及器种饮料的鉴别，肉类新鲜度、食晶、潜水及化妆品的气味质量检测；工 农业领域：对嚣溜、纯工及镊铁羔监中出现懿大爨爨熬骞瀑及有毒有寒气体瓣有效捡溅 蕊控，表照耱攘皆塑耪支撵斑繇境气薄燕溅；嚣疠鼷壤：魏髯瑟疾瘸、疆缀遥疾囊等蟹 吸气味硷测鞠诊龋等；环境豫护领域：如室内外环德器遁凌、汽车愁气、王妲辩污、犬 气污染状搅瓣；医药方面：药锄筛选、成分分析厦研制游。上述这些，都嚣求人们对噗 觉机能进行渊八的探讨和j 泛的应用。 人类躲暌甓功能与人类的生产生活茨震有着搿泌辩关系。这手巾关系渗透至i 人类及爨 东北是学硕士学位论文 第一章翁论 然界发展变化的各个层面中。但鼹隧潜嗅觉功能越来越广泛的应用，人类嗅觉先天存在 的不足也明盥黎露出来：一方面人炎对气味的反应悃当主观，它受到性别、年龄、健康 水平、吸烟与磷、认知能力和语骞淡迭能力等诸多闲索的影晌，可靠性较低；另一方面， 在恶劣的环境中，特别是在有毒蠢密气体环境中，会彤教人类的嗅觉器窝甚至是身体受 委严重懿损寮。忿努，簌盛曩l 建度漤久类懿溪囊只髓绘毽毅测凌囊魏主瑷籀述，无法定 量的描述被测物艨，且与人工嗅觉鞠魄人类的鼻子翁发生嗅觉疲劳，具有授大的硒限性。 嗅觉模拟拽术就是在这种大环境下产生和发展越来的。嗅觉模拟技术怒探索如何模 仿生物嗅觉机能的一门学问。一般涞说，几乎所有的生物，不论是高级的还是低级的都 具有对周围环域中驰化学刺激气昧进行感知并做出邋当反应的能力。】：程技术专家 雷l 薅垒魏技术、传感器技术、计舞掇技术、模式谖剐授拳、邀予援零、信惑袋褰及处理 技术广泛缝合，试图研翎出与生铸姨觉功能胡目蔟至後予它们的新技术嗅觉模拟系 统。 气味传感技术是人工嗅觉的梭心技术，它是种模仿生物嗅觉机能而开发的新技 术。它能够识别单一或复合的气睬( 体) ，并能借助储感处理技术检测出气味物痪( 气体 成分) 豹含量帮浓凌。国内较孚对骥熬壤搬系缓进雩亍实矮瞧研究懿孛黧人廷瓣教军麓讫 研究所，德镅s 令金属戴往辏气敏健戆器组藏簿磷，对纂一气傣帮灌合气体避行了识翻 研究。实验结粜歙示对单一气体的识别成功率为1 0 0 ，对混合气体可达7 0 以上“。 将嗅觉模拟技术应用在火灾的镁测、预报领域愚避年来科学家们大腮尝试的新课 题。要想学会控制和预报火灾，先樽了解或在这种现藏及其背后隐藏的规德。火灾时物 质被加热、燃髓会产生气味；在实辩生活中入们可以凝据经验藏出逛器设搭是否过热、 饭蘩是否袋蕊了等，这整气昧簸怒火灾发生匏簿蓬。翔鬃耳以零l 溪嚷懿摸羧菠寒寒翔繇 阴燃阶段、甚至仅仅是物质在燃烧前受热分解放出气睬的鼢段，那就可以达到预测预报 火灾的目的。人的嗅觉用于火灾报锵肖两个优点：早期搬警和避免失报。湖为敏感的嗅 觉对于菜些化学物质的嗅觉阂值裔缀商的分辨率。研究表明，在火灾中，气昧分子扩散 速度要远远大于感烟掇警器所能懿测的扩散出的拍对较大的烟雾粒子，露燃烧时挥发牲 气体的窭瑗瞧遮攀子感涵帮惑瀑搽溺爨酝筵蘩溅裂翡火焰稳瀣褒参数。蹶煮这些都擐磐 的证聪了气味佟感技术在火灾发生瓣的超早期预报中肖誉广随的应用薅最。| l 。l 1 4 2 人的嗅觉系统 要将嗅觉模拟技术应用予工稷实践，裁必须对生物粒嗅觉枫理进行探讨秘研究。 溪赘是黛魏爨耱受翻菜秘箨发分子秘紊l 激嚣产生懿一耱生理反应，是+ 静复杂瓶搂 糊的感觉。 生理研究的结果表明，人的赡觉系统主要由嗅上皮、嗅小球、嗅皮屡：三部分组成【盯l ：， 每侧鼻腔嗅区嗅上皮总面积约有1 5 c m 2 。由假复膳柱状上皮构成，嗅上皮内主要翕嗅 东北大学硕士学位论文 第一窜绪论 感受器鬃艟、支转缀蘧黧基疯缁腿。簿个续感受嚣缨瓣蠢整予妻径终荛0 ，1 5 u r n 静囔嚣 纾毛，唉筒纾毫米梢通过嗅鞑膜怖出，可直接感受气味分予的刺激。 对于人的噢徽过程可以简单描述为：气味分子经商而窄的鼻通道到达嗅区盾，遂过亲 水的粘液屡与嗅感受器细胞发生 乍爝。溪感受器细胞受气昧分子刺激产生微弱鞫应信号 经嗅细魄谨到嗅小球，经过僧糖细瑰遂一步处理爱，国颗粒细胞最终传递戮大脑皮层， 大藤孬产生鞠窿熬熬受帮菱痘。鹜t 2 麓攀夔滋骥了人瓣溪爨系统铃喾辫线。 嗅神经嗅觉球 图1 2 人的嗅觉系统传静邋路 f i g 。1 2t h et r a n s m i tp r i n e 泌eo f p e o p l e * so l f a c t i o ns y s t e m 人的一个粪胶内含有约5 0 0 0 万个灏嗅感受器缡魏。肖关研究裘爨，单个嗅细胞灵 敏凌势不缀藏，遮撵瞧不强，至令还泼蠢发觋只瓣袋黪特定分_ 孑尊敬感爱斑静囔感受 器细胞。毽罴大膝波层唉区的镕号处联系统麓除去信号的潆移，并使溪辩系缆的整体灵 敏度较之单个曝细胞提高3 个数爨级以上，选择能力大大掇随。虽然许多嗪感髓器细胞 的功能是有限的、饿能是彼此霞受的，两且人的嗅感受瓣缎腿的生存期仅育三个星期左 右，但是入的溪激系统在经过特豫训练下可以识别数千釉气味。这诞明，人的嗅觉系统 戆识裂栽力爨夫爨壤黪受爨绥憝、嗅熬襻经窥大簸中枢焚瓣终麓翡绩慕，露大藏零g 豌姆 缀在整个过程孛熬麓重要静佟鼹。 尽管现在对人的嗅觉桃理的了嬲逐十分肤浅，僵阱下0 点人们楚普遍接鼹蛉： ( 1 ) 一个嗅感受器细胞能同时对多牟中气味分子产生瞬时敏感响鹰； ( 2 ) 性能彼此爨叠且大量冗余的漠感受器雅胞的存在怒嗅觉系统整体灵嫩度和选择 蛙眈蕈个嗅感受嚣缀戆嘉凡个数爨级躺藏提条俘； 3 ) 天鼹气蒎酌辨嗣髓力蹩一秘憋俸效应，对气昧懿化学缝畿与浓度鹣识澍栽力较 斧。旧 1 4 3 瞳觉横拟技术的研嶷历史 漠擞模拟系绫主要模羧生魏豹澳燮系统，爨热鬻被称之为“邀予舞”或电予溪觉系 统。辩磷人员辩睽懿模藏系统酾獗变，簸翠可适濒到1 9 6 t 年，当对m o n c r i c f i 4 搪搿痰了 种机械式的气睐检测装置。世界上策个“电予冀”遐谯1 9 6 4 年，由w i l k e n s 辩h a t m a n 基于气味分子在魄搬上发生氧化还骤反应的原理上研制姻。t 9 6 5 年则报道了利用气味调 农毙失学碳士学位论文第一章绪论 制电导和利用气味调制接触电位原理研制的“电子鼻”。| | 本f i g a r o 公司在1 9 6 7 年首先 将s n 0 2 金矮氧化物半导体气彀传感器筒品纯，捧动了嗅觉模叛忝统豹磺究。嚣翁f i g a r o 公司生产的气敏传感器鼹嗅觉模拟系统中应用最多的气敏传感器之。 2 0 澄纪年代研翻鹣“电子彝”并 现弋意义土的凑觉模撅系统。鸯蓟2 0 麓纪 8 0 年代初，作为气味分类用的新型智能传感器的概念才真正被提出。1 9 8 2 年，英圈 w a r w i c k 大学静p e x s l t 鞠d o d d 溺3 令裔晶证静s 珏。2 气敏传惑瓣( t g s 8 1 3 、8 1 2 、7 1 ) 模拟生物嗅感受器细胞，并对乙醇、乙醚、戊酸等有机挥发气体进行了类别分析【l9 1 。从 鄹# 于起，久们不繇探索爨嗅觉摸羧系统溅定麓挚气罄懿类臻和浓凄，涉及领域卡分广泛。 2 0 世纪8 0 年代末期，嗅觉模拟研究进入了快速发展时期。1 9 8 9 年北大西洋公约组 织召开了一次关予铯学传惑器售愚整理静寇缀专题讨论会，该会主题为漠整搂羧及萁系 统设计，并第一次对嗅觉模拟系统( 即电子鼻) 作出了一个正式的定义：嗅觉模拟慈统由性 绫j 毙萋叠趣多令气敏转感器麓豫气敏簧感器阵列) 帮逶当攘式识爱方法所缀戏，具肖 识别简单和复杂气味的能力 1 9 1 。随后，第一届化学传感器国际学术会议于1 9 9 0 年在德 辍穆抟攀萼亍。为健避嗅觉模羧技寒懿交浚鼹发震，该重骶学术会议运年来每年举锈次， 1 9 9 8 年第7 届年会在中网北京举行。近几年，嗅觉模拟系统的性能定义和标准、设计；i 乞 榴关技术在国繇上玻广泛磅究，避示出嶷好的发鼹藤景。 1 4 4 嗅党模拟技术的国外内研究现状 目前，嗅觉模拟技术在食品= i = 业、环境监测和医疗僳健等领域已广泛研究并且应用， 鲡文簸 2 0 1 霞罚个石英振荡鑫髂转感爨怼鸯瑟热蒸发爱戆赶羲甍溪、爨蘩莓溪秘玫瑰红 葡萄酒进行分类识别。邋过对传艨器的响应曲线据取九种特征徵，用主成分分析方法和 三层蘸两睾枣经网络可以1 0 0 区分三秘蘩莓溪。文献f 2 1 1 应羁3 个经亿学方法处鹾过魄 s n o ，传感器对c o 和c h 4 的混合气体进行了分析识别。文献 2 2 3 雨j 用微型s n 0 2 传感嚣 阵列对含程微量c o 、c h 4 稠乙黪的空气进行了识别硬究。用嗅爨模拟系统对有害致癃 物质如苯和甲笨的监测也逐渐引起人们的注意1 2 “。 根撼试验及研究成聚，国外已形成了一批已蠢照他的嗅髓模拟系绞。衰1 2 列出了 一一些翻外生产的嗅觉模拟系统的情况1 2 “。 拳北大学硕士喾位诧史 第一霉绪论 表i ，2 一燕藏黼他麴嗅撼模拟泵统 注：s n 0 2m o sn 2 氧证镉焱属氧他翰半静俸倦惑嚣 p o l y m e r 为奢极聚含蒋羰僚巷器：q m b 为年i 英晶体谐搬传感龌。 4 。5 瞳觉搂掇技术雳子攀期火灾探浏的霹 专榷分耩 嗅觉模撅系统应用予火灾探溺中，烹要撸懿楚褥气睬 m ，帮键感嚣瓣个数誉，l 、予混合气体熬或 分数。 以上仪仅建漠论上靛分耩，瓣予实舔精猛有靖蹩不熊突蕊懿。磁鲡骜斌簿缀魏定， 馨濯翅气嚣裁蕊寝爨躲藏分礴4 0 0 0 5 0 0 0 转，翅袋燃死予令黄感器去竣测漤不遐实也 没有必臻。 在祭停允许麴媾凝下，对予多摹孛气体及其混合物，选择敏感特燃不鼹熬俦感器麴数 餐越多越好。不问类逛的健憋嚣爨能全磷反映气味的器种缀成特征，嗅觉模拟系统的检 测裙谖鬟缝聚纛会受麓准确。 但娥传感嚣数爨太多，姨髓摸撼系统的结构、复絷性和传感器豹熊成难度将大大蹭 加i 自于畎上膝阑以及目前制造工艺水平的限制，噤觉模拟系统萃1 所含气敏传感潞的个数 般在2 0 个以下。 2 。2 3 暌爨模拟系统气敏僚感器的选择 气敏传感器的遮蟹原耍孽： 在搬早期火灾形成过程中产生的气味都是徽潋或者魁痕璧级的，黉主动、檄早期的 镞_ | 鬟| | 、鞭缀火灾，攘溺系统裁要愆这秘徽萤或黉蒗鹫瀚气秣傣息镦爨# 螽应。 出予人工嗅觉应用对象的气噱或撵发出弱气体往往盘多葶孛或分掏域，如酒灼香气质 蹩藏楚多糖皱褥成分的综合反映，并且有些物晶的气睬成分还不完全清楚，甚至些徽 蘧= 或痰爨簸分瓣气臻矮萋寄漆蘸鬟影噙。嚣么，镬褐逡威气秧传感嚣簿列时，不应要求 传感器有很强的选择性，而臻求宅县有广谱响应特性，能对宽范围绒多种髅成分的气体 避嚣韵疲，蠢不仅怒只黯零一瓣气体雅应；黯姆建耱类熬气噻菇气搭还瘦舆商某种龚霾 东北尢学硕士学位论文 第二章嗅觉模拟系统工作原理及实验装置 的择优性。所以，在确定气敏传感器阵列组成时，所选用的气敏传感器应满足以f 基本 要求： ( 1 ) 传感器应具有很高的灵敏度，能够对痕量级的化学成分产生响应； ( 2 ) 气敏传感器的选择性不应很高，以便使气敏传感器的响应成为对多种成分的综 合响应，但又由于有一定的选择性，使气敏传感器阵列中的每个传感器的响应值有所1 i 同； ( 3 ) 性能稳定，传感器不随环境温度、湿度的变化丽发生变化； ( 4 ) 响应速度快，重复性好。 这样，气敏传感器阵列中的各传感器对物品气味的响应既有区别，又有联系，表现 出具有一定的相关性；并且，气敏传感器阵列的输出结果也更能较为全面地反映出物品 气味的化学组成。 满足( 1 ) 和( 2 ) 原则的气敏传感器类型较多，如：金属氧化物半导体型气敏传感器、 质量型气敏传感器、电化学型气敏传感器、l b 膜型气敏传感器等。但目前几乎没有 种气敏传感器能同时满足上述四条原则，尤其是在稳定性和环境温、湿度影响方面还有 不少问题需要解决。然丽，科技工作者并没有因此止步，仍积极地进行基础研究和应用 研究，在积极探索商性能传感器的同时，还努力地提升现有传感器的应用能力( 采用各 种辅助或补偿措施以弥补其不足) 。 表2 2 嗅觉模拟系统中构成传感器阵列的传感器类型 t a b l e2 2t h et y p e so f s e n s o ri nt h eo l f a c t o r ya n a l o g u es y s t e m 本系统采用的气味传感器为类脂涂层压电型传感器，它也属于质量型传感器，： 2 2 4 气味传感器的敏感原理 气味传感器是利用仿生学原理，根据鼻黏膜在接受气味刺激后引起嗅觉细胞电位改 东北尢学硕士学位论文第二章嗅觉模拟系统工作原理飘实验装蔑 变的原理而研制的。气味传感器使用了种结构与人类嗅觉弊黏膜极为相似的入p 合成 双层薄膜。为了定量薄膜吸附气味的总量，气味传感器还使用了一个压电晶掇装嚣，此 装置怒一种每秒钟振动数百万次的振动器，当薄膜吸附气味厝，覆盖在振动器上的薄膜 的熏慧增加，振动器的频率改变( 降低) ，频率变化大小可以用电信号输出，能够测量频 率就能够确定嗷附气味的总鬃。气味传感器的结构翔黼2 2 所示。 2 5 , 3 5 l 囊 糠囊取羼篡 藏双蔼薰 ( 传癔u 强2 2 气睐抟感器懿结构援 f i g 。2 2t h es t r u c t u r eo f s m e l ls e n s o r 气昧转感器的压电最振装援符合鹰电传感器豹基本制作原理。 压电传感器根据声波类型的不闻，主要分为两大溪：一炎为体声波传感嚣( b a w ) ， 另一类为表麟生成声波传感器( s g a w ) 。目懿有关压电声波佟感器驹应用仍主要集中在 厚度劈切模式( t s m ) 体声波传感箍方蕊。本系统所采耀斡终感器载体藏是t s m 体声波 传感器。 1 9 5 9 年，s a u e r b r e y l 3 递蔷次提出了关于_ 萃废剪韬聪邀石葵潞髂豢移( 名彩与均匀氍辩 于物体表面的极薄层网0 性物旗质量( a m ) 存程着如下关系： a f ：一丝。坐) q “q p q a 式中：瓦为石葵器傣豹蒸频，成为石英熬体豹密凌( 2 6 4 8 9 c m 3 ) ，致为石英晶体 的剪切模量 2 , 9 4 7 1 0 “g ( c m s 2 ) ，a 为石英晶体的面积。将常数成和地代入j 二式 嚣。导窭，a t 溺型匿毫夏英燕髂豹谤缀颧攀变化( z j f ) 与鑫 j 搴表露氍瓣魏臻覆燕变化( 翻 m ) 的定量关系： a f = - - 2 6 1 0 6 。2 泓 ( 2 ，3 ) 该式说明a f 与a m 之间存在线性关系，这个关系式便魑压电传感器定蘑测试陂用 懿瑾论佼摆。这秘压惫抟惑嚣是有攫麓楚震慧灵敏度，对予一令9 m h z 兹磊茭鑫体谐振 器，嚣质量交化的灵敞度为o 6 6h z m g 。在火灾探测的成分分析中，很少的气味分予结 台到虿英鑫搭表嚣戴哥跌弓| 越较丈熬矮量交纯，导致鹦曼赘谐振频率变化。 s a u e r b r e y 方程是在假设石英晶体表面的沉积物质为一均匀的翻小f 生薄膜这前提f 罢囊敬，逮吸难层当 乍石英麓髂熬部分，来考虑了吸戮秘镄质量变纯麴影响，只适合 予刚性物质且沉积物质量不大于本身质量的2 的情形。 东北大学硕士学位论文 第二章嗅觉模拟系统工作原理及实验装置 压电晶体传感