基于传感器阵列的电子鼻

1、.PAGE ：.； PAGE 编号本科生毕业设计论文标题： 基于传感器阵列的电子鼻 系统的设计 物联网工程 学院 电子信息工程专业学 号 学生姓名 指点教师 二一三年六月摘要摘 要电子鼻系统是模拟生物嗅觉系的一种经过运用电学来分析和识别混合气体的一种电子设备利用单一气敏传感器对气体呼应的非专注性和对特定气体的择优呼应特性,根据实践运用, 将多个单一气敏元件优化组合来构成气敏传感器阵列,气体被吸入气室腔内，被传感器阵列感应到利用阵列的多维空间气体呼应方式，传感器将感应的信号转化成电信号，经过信号处置后，送到方式识别系统进展方式识别，并将识别结果输出显示，从而对气体进展定性定量识别本论文表达了整个

2、电子鼻系统，对CH4、CO和H2三种不同浓度比的混合气体进展了定量分析系统以STC89C52单片机为控制中心，3个基于金属氧化物半导体SnO2的德国GGA系列传感器构成气敏传感器阵列，并设计了信号预处置电路等硬件电路部分；上位机软件采用 VC+6.0开发 ，利用混合编程技术，嵌入 Matlab 引擎，借助 Matlab的人工神经网络工具箱ANNToolbox函数实现 BP 网络方式识别算法电子鼻系统将气敏传感器阵列与方式识别技术相结合，可以很好地分析和辨识混合气体的组份及其浓度系统还采用了人工神经网络法，有效地处理了传统的单一气体传感器普遍存在的交叉敏感性问题，有助于气体检测精度的提高关键词：

3、电子鼻；气体传感器阵列；信号预处置；BP网络Abstract目录PAGE I PAGE IABSTRACTElectronic nose system is an electronic device of modeling biological olfactory system by using electricity to anlysis and identify mixtures. A single gas sensor of gas response of non-specific and specific to the preferred response characteristic

4、s of gas, according to the actual application, form a plurality of single gas sensor optimization combination to a gas sensor array and the gas is inhaled air chamber cavity, inducted by the sensor array. Using multidimensional space gas response patterns of array, the sensor will translate inductio

5、n signal into the electrical signal, through signal processing, send to the pattern recognition system to pattern recognition and t output and display the recognition result, to identificate the gas.This paper describes the quantitative analysis of the electronic nose system applied for CH4、COand H2

6、 of mixed gases of different concentration ratio. STC89C52 SCM is control core, integrated gas sensor array composed of 3 metal oxide semiconductor based on German GGA series sensor and the design of the signal pretreatment circuit; the PC software development using VC+6.0, using the mixed programmi

7、ng technology, embedded Matlab engine, Implementation of BP network pattern recognition algorithm using artificial neural network toolbox function of Matlab.The electronic nose system of gas sensor array and pattern recognition technology to combine, analysis and identification of mixed gas composit

8、ion and concentration well. The system also uses the artificial neural network method, to effectively solve the cross sensitivity problem of the traditional single gas sensor, to improve the precision of gas detection.Key words: electronic nose; gas sensor array; signal pretreatment; BP network目录PAG

9、E PAGE i PAGE i目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358553886 第1章 绪论 PAGEREF _Toc358553886 h 1 HYPERLINK l _Toc358553887 1.1 引言 PAGEREF _Toc358553887 h 1 HYPERLINK l _Toc358553888 1.2 电子鼻系统的开展概略及存在问题 PAGEREF _Toc358553888 h 1 HYPERLINK l _Toc358553889 1.2.1 国外的开展概略 PAGEREF _Toc358553889 h 1 HYPERLINK

10、 l _Toc358553890 1.2.2 国内的开展概略 PAGEREF _Toc358553890 h 3 HYPERLINK l _Toc358553891 1.2.3 存在的问题 PAGEREF _Toc358553891 h 3 HYPERLINK l _Toc358553892 1.3 本课题研讨内容及意义 PAGEREF _Toc358553892 h 3 HYPERLINK l _Toc358553893 1.4 本论文内容安排 PAGEREF _Toc358553893 h 4 HYPERLINK l _Toc358553894 第2章 电子鼻系统综述 PAGEREF _T

11、oc358553894 h 5 HYPERLINK l _Toc358553895 2.1 电子鼻组成及任务原理 PAGEREF _Toc358553895 h 5 HYPERLINK l _Toc358553896 2.2 气敏传感器 PAGEREF _Toc358553896 h 6 HYPERLINK l _Toc358553897 2.2.1 气敏传感器主要特性 PAGEREF _Toc358553897 h 6 HYPERLINK l _Toc358553898 2.2.2 气敏传感器根本分类 PAGEREF _Toc358553898 h 7 HYPERLINK l _Toc358

12、553899 2.2.3 气敏传感器阵列 PAGEREF _Toc358553899 h 8 HYPERLINK l _Toc358553900 2.3 信号预处置方法 PAGEREF _Toc358553900 h 8 HYPERLINK l _Toc358553901 2.4 方式识别方法 PAGEREF _Toc358553901 h 9 HYPERLINK l _Toc358553902 2.4.1 方式识别概念 PAGEREF _Toc358553902 h 9 HYPERLINK l _Toc358553903 2.4.2 方式识别组成及各单元作用 PAGEREF _Toc3585

13、53903 h 9 HYPERLINK l _Toc358553904 2.4.3 方式识别方法 PAGEREF _Toc358553904 h 9 HYPERLINK l _Toc358553905 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc358553905 h 11 HYPERLINK l _Toc358553906 第3章 电子鼻系统硬件设计 PAGEREF _Toc358553906 h 13 HYPERLINK l _Toc358553907 3.1 系统设计方案 PAGEREF _Toc358553907 h 13 HYPERLINK l _Toc358553908 3.2 单片

14、机模块引见 PAGEREF _Toc358553908 h 13 HYPERLINK l _Toc358553909 3.2.1 STC89C52简介 PAGEREF _Toc358553909 h 13 HYPERLINK l _Toc358553910 3.2.2 电源电路 PAGEREF _Toc358553910 h 14 HYPERLINK l _Toc358553911 3.2.3 时钟振荡电路 PAGEREF _Toc358553911 h 14 HYPERLINK l _Toc358553912 3.3 气敏传感器阵列的选择与设计 PAGEREF _Toc358553912 h

15、 15 HYPERLINK l _Toc358553913 3.3.1 气敏传感器的选取 PAGEREF _Toc358553913 h 15 HYPERLINK l _Toc358553914 3.3.2 气敏传感器阵列设计 PAGEREF _Toc358553914 h 16 HYPERLINK l _Toc358553915 3.3.3 传感器阵列加热电路 PAGEREF _Toc358553915 h 17PAGE 36PAGE 35 PAGE 35 HYPERLINK l _Toc358553916 3.4 信号预处置电路 PAGEREF _Toc358553916 h 18 HYP

16、ERLINK l _Toc358553917 3.4.1 放大电路 PAGEREF _Toc358553917 h 18 HYPERLINK l _Toc358553918 3.4.2 A/D转换电路 PAGEREF _Toc358553918 h 18 HYPERLINK l _Toc358553919 3.5 串行通讯模块引见 PAGEREF _Toc358553919 h 19 HYPERLINK l _Toc358553920 第4章 电子鼻系统软件设计 PAGEREF _Toc358553920 h 21 HYPERLINK l _Toc358553921 4.1 概述 PAGERE

17、F _Toc358553921 h 21 HYPERLINK l _Toc358553922 4.2 单片机软件设计 PAGEREF _Toc358553922 h 21 HYPERLINK l _Toc358553923 4.3 上位机软件设计 PAGEREF _Toc358553923 h 23 HYPERLINK l _Toc358553924 4.4 BP网络 PAGEREF _Toc358553924 h 24 HYPERLINK l _Toc358553925 4.4.1 概述 PAGEREF _Toc358553925 h 24 HYPERLINK l _Toc358553926

18、 4.4.2 根本BP算法 PAGEREF _Toc358553926 h 25 HYPERLINK l _Toc358553927 4.5 实验及结果分析 PAGEREF _Toc358553927 h 26 HYPERLINK l _Toc358553928 4.5.1 实验流程 PAGEREF _Toc358553928 h 26 HYPERLINK l _Toc358553929 4.5.2 数据归一化处置 PAGEREF _Toc358553929 h 27 HYPERLINK l _Toc358553930 4.5.3 实验结果 PAGEREF _Toc358553930 h 27

19、 HYPERLINK l _Toc358553931 第5章 结论与展望 PAGEREF _Toc358553931 h 33 HYPERLINK l _Toc358553932 5.1 结论 PAGEREF _Toc358553932 h 33 HYPERLINK l _Toc358553933 5.2 缺乏之处及未来展望 PAGEREF _Toc358553933 h 33 HYPERLINK l _Toc358553934 参考文献 PAGEREF _Toc358553934 h 34 HYPERLINK l _Toc358553935 致 谢 PAGEREF _Toc358553935

20、 h 35 HYPERLINK l _Toc358553936 附录：系统原理图 PAGEREF _Toc358553936 h 36江南大学学士学位论文基于传感器阵列的电子鼻系统的设计第1章 绪论 引言 气体检测在环境检测、食品工业、化学工业等领域有着重要的意义以人类本身来说，日常生活和任务就与周围的大气环境息息相关，大气的变化对人类有着极大的影响：空气中缺氧会使人感到呼吸困难甚至窒息；空气中含有有毒气体那么会给人类带来更大的损伤室内环境的污染也严重影响人们的身体安康，近年来由于房屋装修中的甲醛超标问题更是引起人们的普遍关注，而家用可燃气的走漏会引起人体中毒，甚至引发爆炸和火灾，使人们的生命

21、财富遭到宏大的损失随着现代工业的不断开展，消费中运用气体原料和消费过程中产生的气体种类和数量也不断提高，这些气体有些是易燃易爆的，有些是有毒的，它们走漏到空气中就会严重污染环境，尤其是煤炭、化工、汽车等工业的高速开展使大气污染日趋严重煤矿开采中引起的瓦斯爆炸呵斥人员伤亡，酸雨、温室效应、臭氧层的破坏等呵斥的环境问题是现代社会的一系列等待处理的问题因此，对人类生存和消费环境中的各种气体进展准确的分析检测，以监测控制气体排放，能对促进社会的安康调和开展起到重要的作用电子鼻系统是模拟生物嗅觉系的一种经过运用电学来分析和识别混合气体的一种电子设备气体被吸入气室腔内，被传感器阵列感应到传感器将感应的信号

22、转化成电信号，经过信号处置后，送到方式识别系统进展方式识别，并将识别结果输出显示电子鼻的传感器阵列相当于生物嗅觉系统的嗅上皮，信号处置相当于嗅神经，而方式识别系统那么相当于大脑皮层的神经系统电子鼻不仅在传导构造上与生物嗅觉系统相类似，在气体识别功能上也很类似电子鼻可以同时对多种气体进展检测，而且电子鼻具有对未知气体的学习功能，这大大提高了电子鼻的仿生功能，使电子鼻更像鼻子一样可以闻到学习到更多的味道电子鼻具有便携及实时、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, 具有广泛的运用前景, 是目前气体传感器研讨的热点之一电子鼻的运用前景是令

23、人振奋的，诸如食品、饮料、石化、制药等工业在废质量量检验和过程质量控制等方面可由电子鼻部分替代人工劳动 电子鼻系统的开展概略及存在问题1.2.1 国外的开展概略客观需求推进了电子鼻技术的开展人和动物的嗅觉在人类的消费和生活中不断扮演着重要角色，很早以前人们就利用警犬异常灵敏的嗅觉来识别犯罪嫌疑人留在现场的气味，协助 破案随着社会的开展，嗅觉在生活中的重要性有所下降，但在某些特殊领域却显得格外重要，有些场所并不适宜人和动物直接接触，如环境污染监测、有毒气体检测等，因此人们努力于人工嗅觉，即电子鼻的研讨早在1962年，Taguch和Seiyama就分别报道了用金属氧化物检测复原性气体的任务，196

24、8年推出第一个商品化的用于检测室内气体走漏的氧化锡气体传感器(TGS系列)但20世纪60年代研制的“电子鼻并非现代意义上的嗅觉模拟系统直到20世纪80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1982年，英国Warwick大学的Persaud和Dodd用3个商品化的SnO2气敏传感器(TGS813,812,711)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展了类别分析从那时起，人们不断探求用嗅觉模拟系统测定简单气体的类别和浓度，涉及领域非常广泛20世纪80年代末期，嗅觉模拟研讨进入了快速开展时期电子鼻主要运用在以下几个方面：(1) 食品工业仅用一个石英振荡晶体传感

25、器就可对加热蒸发后的红葡萄酒、白葡萄酒和玫瑰红葡萄酒进展分类识别经过对传感器的呼应曲线提取九种特征值，用主成分分析方法和三层前向神经网络可以100%区分上述三种葡萄酒利用WO3薄膜传感器阵列，采用主成分分析和聚类分析作为方式识别方法，在高温下对橄榄油、植物油、水果汁、番茄酱和其它饮料等进展识别研讨，结果较好法国和日本的科学家们对食品新颖度的判别问题，特别是肉类新颖度，进展了积极探求用电子鼻技术可以很好地测定食品的气味质量，由此可判别食品新颖程度，并且能对食品腐烂的时间进展估计(2) 环境监测环境监测主要是集中在对微量有害有毒气体的检测和监测上利用微型SnO2传感器阵列对含有微量CO、CH4和乙

26、醇的空气进展了识别研讨利用德国耶那环境传感器技术股份消费的GGS1000-GGS7000气体传感器对室内空气质量进展监测致癌物质如苯和甲苯的监测也引起了人们的高度注重(3) 医学诊断早在1995年John slater等就利用电子鼻进展了与肾有关的疾病的诊断研讨目前电子鼻多用于糖尿病、与肾有关的疾病和一些细菌的类型和生长阶段的识别方面的诊断意大利科学家最近研制出一种电子鼻，它可嗅出人体各种疾病的气味，是早期发现疾病的一种有力武器这种电子鼻不会受外部干扰，只需向其配备的气球内吹一口气，电子鼻即可经过生物传感器捕捉到其中含有的各种气味，经过计算机处置后构成化学图谱，协助医生分析患者的安康情况这种电

27、子鼻还可以嗅到人体皮肤各种腺体发出的气味，以及皮肤寄生虫和细菌发出的气味所以，对各种疾病都可以经过气味图谱进展诊断，它比如今的诊断方法简便得多(4) 香水消费在设计香水的香味时，许多时候都是经过人的鼻子来鉴定香味，但是人的嗅觉会受人的客观意志影响，而且进展香气鉴定的人都要经过严厉的训练才干具有这种才干，所以进展这种鉴定公司要破费很大的代价( 包括训练费用和这些员工的工资)而运用电子鼻得出的结果就会更加的客观和准确(5) 海关检查在以往的海关检查中，任务人员都会运用警犬的嗅觉来检查乘客的行李中能否有危险品( 如炸药) 和违禁品( 如毒品)，但是训练和豢养警犬需求破费大量的资金和人力，并且警犬的嗅

28、觉受它本身的心情影响，假设采用电子鼻就可以更加准确和客观的得到检查结果随着资料学和制造工艺程度的不断提高，经过英国、法国、德国等大学研讨人员十几二十年的努力，电子鼻曾经到达了相当程度41.2.2 国内的开展概略相对而言，我国在电子鼻方面的研讨起步较晚，主要研讨单位有西安交通大学、中科院电子学研讨所、中科院半导体所、复旦大学化学系、浙江大学生物系、厦门大学化学系、解放军防化研讨院、西北工业大学等，大都还处在实验室阶段，可喜的是，由王平教授担任的浙江大学科研人员经过十几年研制胜利的“电子鼻肺癌诊断仪于2006年12月底经过了浙江省科技成果鉴定研讨成果到达国际领先程度测试者只需对着“电子鼻呼一口气，

29、把气体吹入“电子鼻的气袋中，仪器就能基于对多种肺癌诊断的标志性气体，在30分钟内查出能否患有肺癌经过在浙大医学院附属邵逸夫医院的30例临床测试，判别胜利率近80%101.2.3 存在的问题现有的化学型气敏传感器如半导体型普通需求较高的任务温度, 因此需求较大的加热功耗假设采用多个气敏传感器组成传感器阵列, 一个电子鼻系统的功耗将增大几倍而系统普通要求运用电池供电,这样将大大减少系统的单次运用时间, 添加电池的改换频率,这显然不利于传感器网络发扬作用传统的混合气体定量分析方法, 如神经网络法等, 通常要求训练样本数足够多以保证泛化精度, 在小样本情况下, 很难获得理想的训练效果和泛化性能而且由于

30、学习速率是固定的，所以收敛速度慢，从而能够出现部分最小值；隐含层的数目和单元数的选择尚无实际上的指点；网络的学习和记忆不稳定假设添加了学习样本，训练好的网络就需求从头开场重新训练，对以前的权值和阈值没有记忆1.3 本课题研讨内容及意义本论文表达了整个电子鼻系统，对CH4、CO和H2三种不同浓度比的混合气体进展了定量分析系统以STC89C52单片机为控制中心，3个基于金属氧化物半导体SnO2的德国GGA系列传感器构成气敏传感器阵列，并设计了信号预处置电路等硬件电路部分；上位机软件采用 VC+6.0开发 ，利用混合编程技术，嵌入 Matlab 引擎，借助 Matlab的人工神经网络工具箱ANNTo

31、olbox函数实现 BP 网络方式识别算法电子鼻系统将气敏传感器阵列与方式识别技术相结合，可以很好地分析和辨识混合气体的组份及其浓度系统还采用了人工神经网络法，有效地处理了传统的单一气体传感器普遍存在的交叉敏感性问题，有助于气体检测精度的提高电子鼻具有对未知气体的学习功能，这大大提高了电子鼻的仿生功能，使电子鼻更像鼻子一样可以闻到学习到更多的味道电子鼻在食品、医疗、环境监测、能源、化工、交通、战争毒气检测和机器控制等行业和领域将有着广泛的运用价值1.4 本论文内容安排第一章：从整体上引见电子鼻的产生、开展概略和趋势第二章：详细引见电子鼻的构造组成和各部分的作用第三章：详细描画整个系统的硬件设计

32、第四章：详细描画整个系统的软件设计第五章：最后对本文内容进展全面总结，并提出了进一步研讨方向基于传感器阵列的电子鼻系统的设计第2章 电子鼻系统综述2.1 电子鼻组成及任务原理电子鼻根本构造主要由三大部分构成，分别是气敏传感器阵列、信号预处置单元和方式识别单元气敏传感器阵列普通由具有广谱呼应特性、较大的交叉灵敏度并具有对不同气体有不同灵敏度的气敏元件构成，抑制了单个传感器存在交叉敏感的难题；气敏传感器阵列用来感应气体中的化学成分，把气敏元件对气体或气味的呼应转化为可以丈量的变化的电压信号信号预处置单元对气敏传感器的呼应输出信号进展预处置，完成滤波和特征提取等义务方式识别单元相当于生物的神经中枢系

33、统，对信号预处置单元所输出进来的信号做进一步的处置，完成对气体成分定性或定量分析混合气体传感器1传感器2传感器3传感器n传感器信号预处置传感器信号预处置传感器信号预处置传感器信号预处置阵列信号预处置方式识别引擎模拟信号传感数字信号处置知识库训练测试输出预测气味表达图2-1 电子鼻构造表示图某种气味呈如今一种活性资料的传感器面前，传感器将化学变化转换成电信号，由多个传感器对一种气味的呼应便构成了传感器阵列对该气味的呼应谱显然，气味中的各种化学成分均会与敏感资料发生作用，所以这种呼应谱为该气味的广谱呼应谱为实现对气味的定性或定量分析，必需将传感器的信号进展适当的预处置消除噪声、特征提取、信号放大等

34、后，再采用适宜的方式识别方法对其进展处置实际上，每种气味都有它的特征呼应谱，根据其特征呼应谱可区分不同的气味同时还可利用气体传感器构成阵列对多种气体的交叉敏感性进展丈量，经过适当的分析方法，实现混合气体的分析被测气体传感器阵列信号预处置单元方式识别识别结果图2-2 电子鼻原理框图2.2 气敏传感器2.2.1 气敏传感器主要特性气敏传感器是一种把气体(多为空气)中特定成分检测出来，并将其转换成适当电信号的器件气敏传感器是气体检测系统的中心,通常安装在探测头内从本质上讲, 气敏传感器是一种将某种气体浓度转化成对应电信号的转换器它是电子鼻系统重要的硬件根底,其性能的优劣直接影响着电子鼻系统的识别精度

35、电子鼻系统不要求传感器具有高度的选择性,而是要求传感器具有广谱的呼应性,即对多种气体成分敏感,以扩展系统的运用范围对于气敏传感器的主要性能特性,我们主要从以下几方面来研讨：(1) 稳定性稳定性是指传感器在整个任务时间内根本呼应的稳定性它由零点漂移和区间漂移调查零点漂移是指在没有目的气体时在整个任务时间内传感器对根本线性条件的呼应的变化，理想情况下，一个传感器可以在延续任务情况下每年零点漂移小于10%区间漂移是指传感器延续置于目的气体中的呼应变化，它表现为传感器输出在任务时间内的降低一个传感器可以在延续任务情况下每年区间漂移小于10%(2) 灵敏度灵敏度是指传感器的输出增量与被测输入量之比，主要

36、依赖于传感器构造所运用的技术大多数气体传感器的设计原理都采用四种测定原理之一，即生物化学、电化学、物理、光学在设计之初首先要思索的是选择一种敏感技术，它对目的气体的阀限值(TOthresh一oldlimitvalue)或最低爆炸限(LELlowerexplosivelimit)的百分比的检测要有足够的灵敏性(3) 选择性选择性也被称为交叉灵敏度它可以经过丈量由某一浓度的干扰气体所产生的传感器呼应来确定，这个呼应等价于一定浓度的目的气体所消费的传感器呼应这种特性在工业加工领域追踪多种气体的运用中是非常重要的，由于交叉灵敏度会降低丈量的反复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高的选择性(4) 抗

37、腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高浓度目的气体中的才干在气体大量走漏时，探测器应可以接受期望气体浓度10-20倍，在前往正常任务条件时，传感器漂移和零点校正值应尽能够小另外，从经济方面思索,传感器还应具备以下条件：(1) 低本钱；(2) 长寿命；(3) 易于标定和维护；(4) 无需复杂的外围设备；(5) 所产生的电子信号不需求由复杂的电子电路来处置气敏传感器的最根本特征,即灵敏度、选择性及稳定性等主要经过资料选择确定,目前运用的气敏资料主要有陶瓷气敏资料和高分子气敏资料两大类选择适当的资料以及开发新资料和使敏感特性最优化也是气体传感器的开展方向之一2.2.2 气敏传感器根本分类在传感器的研讨开发

38、活动中，气敏传感器是最为活泼的，由于气敏传感器与人类的生活、消费活动关系最为亲密,适宜于组成阵列的气敏传感器有：(1) 金属氧化物半导体气敏传感器由金属氧化物如SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2、WO等作为半导体气敏元件制造的气敏传感器，是目前世界上消费和运用最多的一类气敏传感器，它是利用气体与半导体接触引起半导体性质(如电阻)发生变化而丈量气体的它对气体和气味(尤其是可燃性气体和某些有毒气体)具有较高的灵敏度，具有制造简单、本钱低廉、呼应速度快等优点，但存在对气体和气味选择性差、元件参数分散、运用时要加热等缺陷经过在半导体内参与少量的Pt，Pb，Au等贵金属催化剂,改善制造工艺、改动任务

39、温度可以在一定程度上提高灵敏度和选择性(2) 有机半导体气敏传感器利用有机资料如酞化控制造气体传感器已有很长一段时间，电子鼻中运用有机资料传感器有以下潜在优点：资料的选择范围广的多，而且与不同种类气味分子起作用的重要官能团可以嵌入活性资料，导电聚合物(如聚毗咯和聚苯胺)和生物脂涂层就是两个主要的例子这些传感器可以在接近室温的条件下任务(3) 固体电解质气敏传感器这是产量仅次于金属氧化物半导体气敏传感器的一类气敏元件它以离子占绝对优势的固体电解质为原料，制成各种构造的电化学电池,如由稳定氧化钻等固体电解质和铁电极构成电化学电池，可以装在各种窑炉的烟囱里丈量氧的浓度，用以分析和改善窑炉熄灭情况，这

40、种传感器叫Lambda传感器，是最早的固体电解质传感器(4) 质量型气敏传感器振荡电路中的石英压电晶体是灵敏的质量检测器假设石英压电晶体的外表涂上可逆的气味/气体吸附资料，就可以得到简单的气味/气体检测器，吸附的气体分子添加了石英的质量,从而降低了振荡频率因此振荡频率的变化是特定气味/气体浓度的线性函数但这种气敏传感器测试范围小，受环境要素影响较大另一种质量型气敏传感器是声外表波器件，它丈量的是气味/气体吸附膜中建立起来的继续波的扰动，具有灵敏度高、信号易于处置、功耗低等优点(5) LB膜气敏传感器L-B技术是一种有机高分子单分子膜堆积技术，即在水气界面上将分子加以严密陈列，然后转移到固体载体

41、上的技术LB膜极薄，用它作为传感器的基质，加上识别系统，可研制出相应速度快、灵敏度高、性能优良的气体传感器这种传感器可在常温下运用，并能与平面硅微技术兼容，易于实现小型化、集成化随着新资料技术和传感器技术的的开展，将会不断地有新的性能更优良的气敏传感器被研制出来2.2.3 气敏传感器阵列该气敏传感器阵列采用溅射工艺及混合薄膜技术制造，由集成在纯度较高的Al2O3基底上的三个单一气敏传感器和两个用于保证传感器任务温度的加热器构成，尺度为5mm*5mm*0.5mm,气体传感器为基于SnO2的金属半导体敏感层，敏感机理为被检测气体吸附呵斥的半导体敏感层电导率的变化，制造过程中掺杂不同的添加剂可以使传

42、感器对不同的气体敏感性加强，加热器和电极由铂层组成，同时，加热器也可分别作为温度传感器运用，每一个传感器阵列的输出信号都是一个三维向量，该构造用于气体丈量分析，不但节约了用于丈量的传感器的个数，降低了本钱，更重要的是降低了信号预处置电路的复杂程度，而且多维向量输出，便于后面的数据处置2.3 信号预处置方法信号预处置在一定程度上对应于生物鼻的嗅泡它对传感器或阵列的呼应方式进展预加工，其作用是对传感器阵列输出的信号进展滤波、交换和特征提取，其中最重要的就是对信号的特征提取，不同的信号处置方法也正是按特征提取方法的不同来区分的目前，常用的特征提取方法模型有；相对法、差分法、对数法和归一法等，如表2-

43、1所示这些方法既可以处置信号，为方式识别做好数据预备，也可以利用传感器信号中的瞬态信息检测、校正传感器阵列大量实验阐明，相对差分法和分数差分法有助于补偿传感器的温度敏感性；部分差分方式除了可以补偿敏感性外，还能使传感器电阻与浓度参数的关系线性化；对数法可以使高度非线性的浓度依赖关系线性化；归一法那么不仅可以减小化学计量分类器的计量误差，还可以为人工神经网络分类器的输入预备适当的数据不同的信号处置子系统往往与某个方式识别子系统相结合一同，将其设计成一套软件系统的两个过程，这样可以方便数据转换并保证方式识别过程的准确性表2-1 部分传感器信号预处置方法算法公式传感器类型差分金属氧化物化学电阻型声外

44、表波型相对差分金属氧化物化学电阻型声外表波型分数差分金属氧化物化学电阻型导电聚合物型对数金属氧化物化学电阻型传感器归一化金属氧化物化学电阻型压电晶体型平方归一化金属氧化物化学电阻型压电晶体型导电聚合物型实验证明，利用适当的预处置方式对采集后的数据进展处置，一方面可以使传感器呼应曲线更平滑，另一方面可以消除环境要素对气体传感器的影响，将测试值中的环境要素去掉，对基线进展校正并去掉，只保管待测气体的呼应值，可提高电子鼻测试的精度和可反复性总之，信号预处置可以实现以下主要功能：(1) 滤除气体采集过程中引入的噪声和干扰，提高信噪比；(2) 消除信号的失真，人为加强有用信号；(3) 为后续处置信号进展

45、适当变换2.4 方式识别方法2.4.1 方式识别概念方式识别对应于生物大脑的嗅觉中枢采用一定的算法来实现对气敏传感器阵列数据的整合处置，能从整体上对丈量的气味给出识别的结果，可以是定性的，也可以是定量的结果从广义上来说，方式是一些供模拟用的完美无缺的标本，方式识别就是识别出特定客体所模拟的标本详细来说，方式识别就是试图确定一个样本的类别属性，即把某一样本归属于多个类型中的某一类从狭义上来说，方式就是某些详细的研讨对象定量的或构造的描画，描画类别就是具有某些共同特征的描画的集合也就是说，方式识别就是把待识别的特征与知的方式类别比较，从而确定物体类别归属的一个过程就电子鼻系统来说，方式识别是对传感

46、器阵列的输出信号进展适当的处置，以获得混合气体的组分信息和浓度信息2.4.2 方式识别组成及各单元作用方式采集预处置特征提取方式分类被识别对象图2-3 方式识别组成(1) 方式采集单元；任何一种方式识别方法都要首先经过传感器把被研讨对象的各种物理变量转换为计算机可以接受的数值或符号(串)集合(2) 预处置单元；为了从这些数字或符号(串)中抽取出对识别有效的信息，必需对它进展处置，其中包括消除噪声，排除不相关的信号以及与对象的性质和采用的识别方法亲密相关的特征计算(如表征物体的外形、周长、面积等)以及必要的变换(如为得到信号功率谱所进展的快速傅立叶变换)等(3) 特征提取单元；经过特征选择和提取

47、构成方式的特征空间，为以后的方式分类打下根底经过特征提取不仅可以减少运算量还可以提高分类的准确率(4) 方式分类；将特征空间划分为类型空间2.4.3 方式识别方法常用的方式识别方法有统计方式识别的方法(包括主成分分析、聚类分析等)和人工神经网络的方法(包括BP网络、Kohonen网络)等(1) 主成分分析法PCA , principal component analysis主成分分析法是一种古老的统计分析算法，是有导师监视的线性分类技术其原理是：首先经过线性变换将原始数据(矩阵)转换成假设干个向量，要求它们之间相互正交，且第一个向量能反映方式间自变量的最大差别，其它向量所反映的这种差别程度依次

48、降低，称这些向量为主成分按照一定的法那么选择部分特征向量构成新的数据映射空间坐标轴，以实现降维，产生新的“综合变量，将多维空间的信息在低维空间(通常是二维)表现出来，可用于寻觅最重要的变量和样本分类主成分分析法可最大限制地坚持原有丈量数据集的信息，但降维后保管下来的信息却不一定对分类最有用(2) 偏最小二乘法PLS, partial least square method也是一种线性方法，这种方法可以消除变量之间相关性的干扰问题，还可以最大程度地减弱系统噪声，使建立的模型预告准确度更高对于用选择性较差的传感器组成的阵列，各个传感器呼应的相关性较大，用这种方法处置比较适宜但处置强非线性问题时必需

49、谨慎运用，或者把非线性问题线性合后再用此法(3) 聚类分析法CA, cluster analysis聚类分析法是一种无导师监视的方式分类技术，可以把事先不能确定的不同种类或级别的对象加以正确分类或分级根本思想是：把要归类的几个变量各自看成一类，共n类，然后按事先规定好的方法计算各类之间的归类指数如某种相关系数或间隔 ，根据指数大小衡量两两之间的亲密程度，将关系最亲密的两类并成一类，其他不变，得n-1类在此根底上重新计算各类之间的归类指数，进展合并得n-2类如此下去，直到最后与统计方式识别相比，人工神经网络(ANN)是一种模拟人类大脑思想的仿生算法，具有以下几个特点：(1) 既可模拟人的逻辑思想

50、又可模拟人的笼统思想，是典型的非参数数据处置方法；(2) 很强的顺应才干神经网络经过学习能自动掌握和发掘隐藏在事物内部的、不能用明确数学表达式表示的“灰箱或“黑箱关系，非常适于处置非线性数据；(3) 网络被训练好后具有快速操作性能；(4) 良好的容错性，能容忍传感器10%的漂移和噪声因此在电子鼻系统中成为一种重要的数据处置方法，具有广泛的运用前景神经网络模型很多，根据神经元的衔接方式可分为三大类：没有反响的前向神经网络feedforward neural networks、反响神经网络feedback neural networks和自组织神经网络self-organizing neural

51、networks按学习方式可分为有导师的、无导师的和固定权重三种类型(4) BP网络BP 网络是最常见的一种前向型有监视的神经网络，由输入层、隐含层和输出层构成，是 80 年代由 Rumelhart 和 McCelland 及其研讨小组提出的最有影响的神经网络学习算法误差反向传播error back propagation,BP算法，是目前运用最广泛的一种神经网络但也有如下缺陷：由于学习速率是固定的，所以收敛速度慢；(1) 能够出现部分最小值；(2) 隐含层的数目和单元数的选择尚无实际上的指点；(3) 网络的学习和记忆不稳定假设添加了学习样本，训练好的网络就需求从头开场重新训练，对以前的权值和

52、阈值没有记忆为此，又提出了一些性能更优良的神经网络径向基函数神经网络，这种网络具有最正确逼近、可以较好抑制部分最优问题的才干，使神经网络的识别性能而到进一步改善(5) 自组织特征映射神经网络Kohonen网络是一种基于无监视学习方法的人工神经网络，和BP网络相比，只需输入层和输出层两层输出层通常由二维平面神经元组成，训练或学习的结果是输出层某一神经元及周围神经元对某一输入显示出不同程度的兴奋，而其他的神经元遭到抑制，具有和人脑信息映射相类似的特点，更接近人脑的认知过程还有其它一些算法如模糊方式识别法和遗传神经网络等用于电子鼻中102.5 本章小结本章首先从构造上对电子鼻的组成作了整体引见其次，

53、分别就电子鼻的几个重要组成部分：气敏传感器及阵列、信号预处置和方式识别作了较为详尽的引见江南大学学士学位论文基于传感器阵列的电子鼻系统的设计第3章 电子鼻系统硬件设计3.1 系统设计方案该系统由STC89C52单片机、气敏传感器阵列、信号预处置电路、串行通讯模块等几部分组成，系统原理框图如图3-1所示系统先将维护气、氢气、甲烷、一氧化碳混合气体充进容器，三种气体经过传感器阵列作用，每个传感器会产生电流信号信号在经过A/D转换和放大等处置，再经过RS232串行通讯模块将数据传至电脑再经由程序算法定量的分析出每种气体的浓度，并与实际值比较，分析误差最后将得到的数据用MATLAB图像显示出来整个系统

54、原理图见附录单片机STC89C52电源电路RS232串行通讯模块PC机气敏传感器阵列预处置模块气敏传感器自动温控模块气敏传感器信号拾取电路气敏传感器阵列信号预处置图3-1 基于集成气体传感器阵列的气体识别硬件系统原理框图3.2 单片机模块引见3.2.1 STC89C52简介STC89C52是STC公司消费的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器STC89C52运用经典的MCS-51内核，但做了很多的改良使得芯片具有传统51单片机不具备的功能在单芯片上，拥有乖巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制运用系统提供高灵

55、敏、超有效的处理方案图3-2 STC89C52单片机3.2.2 电源电路由于整个系统是在5V电压环境下任务的，所以需求设计一个5V输出的电源模块如图3-3所示，市电220V电压首先经过一个变压器使电压降到12V左右的交流电压，然后经由二极管组成的整流电路处置后，变成直流电压最后在经过三端稳压器就可以输出一个稳定的直流电压了图中稳压器输入和输出端的电容起到滤波的作用，使输入和输出的电压更加稳定由于我们要得到一个5V的直流电压，所以稳压器的型号选择7805图3-3 电源电路原理图3.2.3 时钟振荡电路时钟电路是用于产生单片机任务时所必需的时钟信号时钟是单片机的心脏，时钟频率直接影响单片机的速度，

56、时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性电路中的电容C2、C3典型值为3010 pF外接电容的值虽然没有严厉的要求，但是电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性，本设计采用的是22pF电容同时，在系统中采12MHz的晶体振荡器来产生时钟脉冲时钟电路原理图，如图3-4所示图3-4 时钟振荡电路原理图3.3 气敏传感器阵列的选择与设计在整个系统中，传感器是采集气体种类及浓度信息的主要器件，是整个系统的中心之一；传感器阵列是电子鼻系统的关键，阵列的性能直接决议系统的识别才干、识别范围和运用寿命等，因此需求在如何构成阵列以提高电子鼻系统的性能方面展开广泛的研讨传感器阵列的参数选择主要是：传感器类

57、型、阵列规模及其选择性、稳定性、噪声程度等3.3.1 气敏传感器的选取在实验中，传感器阵列普通是由多个分立元件构成，因此选择适宜的传感器组合对整个系统性能的提高至关重要传感器的选择原那么为：(1) 对多种气体都要有呼应，且对所要检测的目的气体至少有一种气体为传感器的主要成分气体；(2) 具有呼应广泛的特性，但对于不同种类的气体，呼应程度不同；器件的呼应时间和恢复时间要尽量的短，这样有利于缩短整个实验及测试过程；(3) 检测过程要是可逆的，器件性能稳定，任务可靠，反复性好，但思索到有时需求改换传感器，所以更加要求传感器的一致性这样，气体传感器阵列中的各个传感器对气味的呼应，既有区别又有联络，具有

58、一定的相关性；并且，气体传感器阵列的输出结果也更能比较全面地反映出气味的化学组成，使得人工嗅觉系统对物质量量的评定或鉴别结果更加可信最早运用于气敏传感器阵列的采集单元是以SnO2为主体资料的烧结型元件，如今几乎一切的气体传感器均被用来构建传感器阵列实验中我们采取的检测元件也是以SnO2为主体资料的器件，故传感器选用SnO2半导体气敏传感器SnO2型半导体气体传感器的任务原理：传感器外表的半导体资料在吸附气体后，半导体外表的能态及其占有情况发生改动而导致资料的电导率发生变化，从而引起传感器输出电压的改动目前，SnO2型气体传感器是世界上运用最为广泛，消费量最大的气敏传感器，和其它气敏传感器相比，

59、具有以下特点：(1) 气敏传感器的阻值与被测气体的浓度呈指数变化关系，因此具有较高的灵敏度，所以这种类型的气敏传感器适用于低浓度气体的丈量；(2) SnO2型气敏传感器对气体的检测是可逆的，且吸附和脱附时间短，可以延续运用；(3) SnO2资料的物理和化学稳定性好，寿命长，耐腐蚀性强；(4) SnO2型气敏传感器构造简单，本钱低，而且可靠性高；(5) 对气体的检测不需求复杂的处置设备，经过传感器的阻值变化直接将其转变为电信号，而且其电阻率变化大，信号处置不需求放大电路就可以实现13气敏传感器阵列采用德国的GGA系列该气敏传感器阵列由集成在Al2O3基底上的三个单一气体传感器和两个用于保证传感器

60、任务温度的加热器构成，气体传感器为基于SnO2的金属半导体敏感层, 敏感机理为被检测气体吸附呵斥的半导体敏感层电导率的变化加热器及电极由铂层组成, 同时, 加热器也可分别作为温度传感器运用3.3.2 气敏传感器阵列设计GGA系列由以下7类单一气敏传感器中的3者进展组合而成；GGA1000：可用于气体走漏监测, 对甲烷高度敏感；GGA2000：对一氧化碳和酒精敏感, 对甲烷和氢气交叉敏感性小；GGA3000：碳氢化合物尤其是碳原子数为1到8(18) 的碳氢化合物检测的理想选择；GGA4000：对氨气非常敏感, 即使在高浓度氨气条件下也有稳定输出, 同时对湿度敏感；GGA5000：对臭氧、氧化氮非