气体传感器阵列K近邻.ppt

电子鼻技术，专题讲座，什么是电子鼻？电子鼻技术的发展历史；电子鼻技术的基本原理；电子鼻技术的研究现状；电子鼻技术的应用前景；1.什么是电子鼻？本质上，传感器技术需要模仿和扩展人类自身感官的功能。单个气体传感器通常具有交叉灵敏度特性，并且测试环境往往非常复杂，因此单个器件的性能往往不能满足实际需要。结合气体传感器阵列和模式识别技术的智能系统不仅可以解决单个器件的选择性问题，而且可以获得优于单个器件的灵敏度和稳定性。这个智能系统被称为电子鼻，因为它与人类的嗅觉器官相似。什么是电子鼻？电子鼻是一种电子系统，利用气体传感器阵列的响应模式来识别气味。它可以在几小时、几天甚至几个月内连续实时监控特定位置的气味状况。电子鼻主要由气味采样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统组成。电子鼻识别的主要机制是阵列中的每个传感器对检测到的气体具有不同的灵敏度。例如，1号气体可以在一个传感器上产生高响应，而在其他传感器上产生低响应。类似地，对气体2具有高响应的传感器对气体1不敏感。归根结底，整个传感器阵列对不同气体的响应模式是不同的。正是这种差异使系统能够根据传感器的响应模式识别气体。单气体传感器：交叉灵敏度，使用交叉灵敏度。2.电子鼻技术的发展历史可以追溯到1962年，当时Seiyama发现了二氧化锡的气体敏感性。1982年，珀索德等人在自然杂志上首次提出了阵列识别几种简单气体的想法，标志着电子鼻的诞生。在该阵列中，三个商业化的二氧化锡气体传感器(TGS813，812，711，figaro系列，日本)用于模拟哺乳动物嗅觉系统中的多个嗅觉受体细胞，以对有机挥发性气体如乙酸戊酯、乙醇、乙醚、戊酸、柠檬油、异茉莉酮等进行类别分析。1989年，在北大西洋公约组织举办的化学传感器信息处理会议上，电子鼻的定义如下：“电子鼻是一种能够识别单一和复杂气味的设备，由多个具有重叠性能和适当模式分类方法的气体传感器组成。”随后，第一次电子鼻国际学术会议于1990年召开。为了促进电子鼻技术的交流和发展，每年都举行一次化学传感器国际学术会议。电子鼻技术是一门探索如何模仿生物嗅觉功能的科学。其研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应用数学和科学技术等各个具体应用领域，具有重要的理论意义和应用前景。其中，传感器技术和计算机技术处于科技研发的前沿。金永善，夏圣哲，杨永强，艾特。koreaportableelectronicNoseSystemBasedonCarbonBlack-polymorcomposisensorarray .传感器和执行器B，2005，电子鼻技术的基本原理，电子鼻的工作可以概括如下：传感器阵列(人工嗅觉感受器)-信号预处理-神经网络和各种算法(人工大脑)-计算机识别(气体的定性和定量分析)。电子鼻也可以称为人工嗅觉系统。气味与多个气体传感器反应，将样品的化学信号转化为电信号，然后经过信号调理、基线校准等一系列预处理过程，获得与样品相对应的综合“指纹”信息，从综合“指纹”信息中提取合适的特征，输入特定的模式识别算法，最终完成样品的定性或定量识别。气体传感器阵列在电子鼻系统中，传感器及其阵列是电子鼻的关键。它的功能是将表面不同气味分子的化学作用转化为可测量的电信号。气体传感器阵列中的传感器单元可以通过以下方法制备：(a)具有不同工作机制的传感器；使用基于不同气体敏感材料的传感器；通过控制材料的精细结构、选择新的添加剂以及改变器件结构的几何尺寸，可以获得具有不同特性的传感器单元。对于气体传感器阵列，可以通过组合几个单独的气体传感器来形成，或者可以通过集成工艺来制造特殊的气体传感器阵列。后者体积小、功耗低，便于集中信号采集和处理。西班牙ACMOSmonolithicallyintegratedgassensorarraywithelectronicsfortemperaturecontrolandsignalinterfacing，传感器材料必须具有两个基本条件：1)对不同的气味作出响应，即通用性强，需要在分子水平上识别成千上万种不同的气味。2)与气味分子的相互作用或反应必须是快速和可传递的，没有任何“记忆效应”。金属氧化物传感器已广泛应用于电子鼻。最常见的材料是锡、锌、钛、钨和铱的氧化物，并掺杂有贵金属催化剂，如铂和钯。酞菁聚合物是有机半导体敏感材料的代表。它们的环状结构导致吸附气体分子和有机半导体之间的电子转移。可以选择不同的酞菁聚合物，例如真空升华技术、LB膜技术、旋涂技术和自组织膜技术，在检测装置上制备薄膜气体传感器，并且可以制备传感器阵列以与计算机模式识别技术结合使用。聚吡咯、蒽、苝和-胡萝卜素近年来也被用作有机半导体气敏材料。传感器阵列数据采集系统通过a/d将传感器阵列的模拟输出转换成数字信号，并将其输入计算机中的数据处理和模式识别系统。要检测的气味强度可以用每个传感器输出的绝对电压、电阻或电导或者相对信号值来表示，例如归一化电阻或电导值，即它们的变化率，以比较气味的性质。传感器阵列的数据采集系统，传感器阵列的信号预处理，在气味的电子模拟过程中，传感器信号需要在模式识别前进行适当的预处理。一般认为电子鼻中某个传感器对气味j的响应是时变信号Vij(t)。n个气体传感器阵列对气味j的响应是n维状态空间中的矢量Vj，其分量形式是：为了简化后续的模式识别过程，常用的方法是去除响应中的时间变量，取传感器的稳态响应进行分析。表1-2电子鼻信号预处理方法，模式识别处理，传感器阵列输出的信号经专用软件采集、处理和处理后，利用多元数据统计分析方法、神经网络方法和模糊方法，将多维响应信号转化为感官评价指标值或成分浓度值，得到一个对所测气味定性分析结果的智能解释器。早期电子鼻采用主成分分析、多元线性拟合、模板匹配、聚类等数据处理方法。模式识别人工神经网络，因为气体传感器的响应和测量的气体体积分数之间的关系通常是非线性的，当前的电子鼻系统使用神经网络方法和偏最小二乘法(PLS)。人工神经网络由于其强大的非线性处理能力和模式识别能力，近年来得到了广泛的应用。神经网络通过学习可以自动掌握传感器响应与气味类型和强度之间的对应关系，这在数学上很难用一个清晰的模型来表达。许多统计技术和人工神经网络是相辅相成的，因此它们经常与人工神经网络结合使用，以获得一组比通过单一技术获得的数据更全面的分类和聚类。这种统计或化学计量学方法包括主成分分析、偏最小二乘法、判别分析、判别因子分析和聚类分析。人工神经网络，脑细胞神经元，人工神经网络神经元，神经网络神经元，神经神经元，神经神经元，神经神经元，神经神经元，神经神经元，神经神经元，神经神经元，神经神经元，人工神经网络方法是一种接近人脑思维方法的算法。它通过大量简单的处理单元(即神经元)的广泛互连形成一个复杂的网络系统，并能通过训练了解外部环境。多层神经网络、气体定性分析、自组织特征映射网络(self-organized feature mapping network)是一种基于无监督学习方法(无目标输出)的人工神经网络，只有两层：输入层和输出层。学习后，自组织特征映射网络能够以权重的形式记忆输入样本，并将相似的输入样本映射到输出层的相邻节点，从而完成输入样本的自动分类(聚类)。当未知的输入样本应用于训练好的网络时，网络输出层的拓扑映射网络结构可以反映输入样本的性质或类别。在学习了自组织映射网络、输入层拓扑图(西北工业大学)、自组织映射网络的基本结构、自组织映射人工神经网络、气体定量分析、混合气体定量分析的理论模型后，假设混合气体共有M个组分，其浓度分别为C1、C2、厘米，气体传感器阵列的维数为n，其响应模式为R=F(C)。前馈神经网络承担模式识别的任务。它接收气体传感器阵列的输出模式，并通过计算确定待测介质中各成分的浓度。假设神经网络的映射关系为Y=H(R)。显然，要使Y=C，H=F-1是必需的。系统的测量精度取决于神经网络的映射能力。前向神经网络是一种基于监督学习(有目标输出)的人工神经网络，它可以通过学习已知样本来掌握经验，从而区分未知样本。前馈神经网络的学习算法通常采用反向传播算法，简称BP算法。学习算法使用网络实际输出和目标输出之间的误差来修改网络的连接权重和阈值，使得实际输出尽可能接近所需值。目前，电子鼻的研究主要集中在以下几个方面：气体传感器阵列的研究，包括新型敏感材料的探索，特别是有机敏感材料和复合敏感材料，以及低功耗、高集成度气体传感器阵列的研究。模式识别系统的研究包括传感器响应的漂移补偿、特征提取、识别算法等。应用研究。基于新生物学认识的人工鼻模型研究。电子鼻技术的研究现状是使用传统的金属氧化物气体传感器，但这些器件功耗高，不易实现小型化。复旦大学2002专利便携式智能电子鼻及其制备方法，韩国2002 FabricationandcharacteristicsofSnO2gassensorarrayforvolatileorganiccompoundsrecognition，利用微电子和微机械加工(微机电系统)技术开发微金属氧化物气体传感器及其阵列，(a)微机械加工传感器的制造工艺，(b)表面微机械加工传感器、光致抗蚀剂、具有低工作温度的新型气体传感器材料如聚合物等的制造工艺，(2001美国专利Micromachinedpolymer-basedchemicalgassensorarray，气体传感器阵列，TGS2104；TGS813TGS2610TGS 2201，中国H2，英国石油公司，神经网络，(1)TGS系列半导体气体传感器阵列，定量分析，中国科学仪器杂志，2006，27(7):666-670(EI :63901136150)，定量分析，SOM神经网络，定性分析，31ppm，750ppm，逐步聚类法，阵列构建和优化，聚苯胺/纳米氧化物复合薄膜微气体传感器阵列及其制备方法。中国，发明专利，2007年4月，(2)聚苯胺/无机纳米复合薄膜气体微传感器阵列，定性分析，概率神经网络，5。电子鼻技术的应用前景。电子鼻具有便携、实时、在线和原位分析等特点。可用于气味识别、复杂环境中气体浓度识别、可燃气体、有机挥发物或有毒气体的识别，具有广阔的应用前景。电子鼻技术的优势在于气体的定性分析。在过去的20年里，我取得了巨大的进步尽管由于敏感膜材料、制造工艺和数据处理方法的限制，电子鼻的检测和识别范围仍远未达到人们的期望，但将其应用于食品、化妆品、香料和香精等轻工业产品的香气质量评价的时机已经成熟。美国奋进号航天飞机向国际空间站发送了一个电子鼻。它能“嗅出”空间站内空气