【正文】 的低功耗、穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點。 34 35 CO 線性濃度分析。 通常傳感器MGS1100 不但受環(huán)境溫度的影響 , 而且在一定溫度下 , 它的靈敏度輸出特性也是非線性的。通常設(shè)定在 1V 的 915s 時刻對 MGS1100 的 CO濃度傳感器進行采樣 , 同時對溫度傳感器采樣 ,采集當時環(huán)境的溫度值 , 實時進行傳 感器溫度校正。而 + 6V 電壓主要用來提供給報警電路和 CO 傳感器的加熱元件部分的電源。 調(diào)試結(jié)果證明 , 符合器件工作狀態(tài)的要求。其功能要求根據(jù)有關(guān)標準設(shè)定如表 31 所示。 (由于在探測 60ppm 以上的 CO濃度時 , 環(huán)境濕度的變化對 CO傳感器特性的影響較小 , 故忽略對傳感器 MGS1100的濕度修正 )。若要得到重復(fù)性較好的 CO 濃度測量 ,應(yīng)在低溫段的適當時刻對 RS 進行測量。由于加熱器的電壓為周期性電壓 , 故敏感器的溫度呈現(xiàn)出周期性地變化 ,參見圖 34。 該傳感器共有 4 個管腳 ,兩個為加熱端 (管腳 1 和 3,腳 3 接地 ),兩個為傳感器輸出端 (管腳 2 和 4 ),等效電路如圖 32 所示 為使傳感器對 CO的敏感特性處于最佳狀態(tài) , 必須保證 SnO2層達到預(yù)定的最佳溫度。我 們設(shè)計的一氧化碳報警器主要應(yīng)用家庭中，因此選用 MOTOROLA MGS1100 一氧化碳傳感器進行報警器的設(shè)計，下面我們對該傳感器的原理及設(shè)計進行簡單介紹。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 27 模型的建立增加了很多困難。 存在的問題 從基于統(tǒng)計的模式識別方法到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各種多維信號處理方法在氣體傳感器陣列的信號處理中都有嘗試和應(yīng)用，其中一個主要的應(yīng)用是氣味 的識別。之后提出了小波變換與Fuzzy ARTMAP 相結(jié)合的信號處理方法，使用正弦 信號或者多個正弦信號疊加后的信號加熱，通過小波變換提取典型頻率特征，然后使用Fuzzy ARTMAP 分類器對氣體進行分類，確定出幾種頻率的正弦信號疊加調(diào)制傳感器的識別率中，哪幾種頻率的疊加最好。 考察了 FFT 變換后得到的 2 階諧振信號的實部和虛部隨1000ppm10000ppm 一氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯氣體濃度的變化，并且將 4個傳感器控制在正弦加熱模式下，提取每個傳感器的 2階諧振信號實部和虛部組成陣列來識別 4 種氣體 teal。張正勇等考察了矩形波加熱下的幾種氣體響應(yīng)情況。 等自 1996 年開始針對 Figaro 氣體傳感器進行了一系列溫度調(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2040mHz之間，電壓為 V=+(2 ft)， 考察了該模式下傳感器對高濃度 (100010000ppm)一氧化碳、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)時間也較快，對氣體的響應(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。但是，當傳感器遍歷所有溫度點時，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)整匹配電阻才能準確測量到傳感器電阻的變化，給測試帶來困難。 Amatomo 等 [33]每秒鐘給傳感器施加一個持續(xù)時間為 8ms，電壓為 的加熱脈沖，得到的暫態(tài)響應(yīng) 用于定性識別 CO，乙醇和氫氣。Clifford[31]是傳感器動態(tài)響應(yīng)的較早研究者之一，它研究了獨立溫度階躍激勵下的傳感器在不同氧分壓下的動態(tài)響應(yīng)特性，并指出當傳感器溫度變化的足夠慢時，遲滯效應(yīng)會減弱至最低，他使用了半導(dǎo)體勢壘理論來解釋傳感器的溫度效應(yīng)。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，測試傳感器在給定溫度模式下對 不辰氣體的動態(tài)響應(yīng)信號，結(jié)合信號處理技術(shù)，提取傳感器對不同氣體成分的響應(yīng)特征，用于氣體的識別、量化和分類。驗證的過程就是使 用構(gòu)建的模型對新的樣本進行估計，考察估計的結(jié)果是否令人滿意，這些新的樣本就是測試樣本的選取。 聚類、分類和回歸都是氣體分析和氣味識別中的重要問題，聚類是無監(jiān)督的，從廣義上來講，聚類屬于分類。 Gardner[26]等使用樹狀圖法分析了 12 個金屬氧化物氣體傳感器對幾種酒精的識別。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，隨著測試氣體濃度范圍的擴展，傳感器響應(yīng)與氣體濃度之間的非線性關(guān)系逐漸增強，具有非線性擴展能力的人工神經(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)用 [25]。 最小二乘法的回歸方程中使用了所有傳感器的輸出項進行估計，由于交叉敏感和傳感器輸出信號的相似性，信號之間相關(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)。由實驗觀測到 P組輸入輸出向量，那么。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)。估計的源 變量即觀測數(shù)據(jù)變量，為氣體傳感器陣列的輸出向量。 MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在氣味分類和識別領(lǐng)域應(yīng)用較多。KNN 的分類效果好，但是需要占用大量的內(nèi)存 (存儲樣本數(shù)據(jù) )，計算量大 (需要將未知樣本與所有數(shù)據(jù)樣本的近似程度進行計算并排序 )。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)、多層感知分類器(Multilayer Perceptron Classifiers, MLP)[21]和徑向基函數(shù)分類器 (Radial Basis Function Classifiers, RBF)[22]。 (21) 式中 P(y| wi)為類條件概率， P(wi)為先驗概率， P(y)為樣本概率，對分類問題來說可以忽略。 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。Corcoran[17]使用遺 傳算法和 Fisher 判別式對一個溫度調(diào)制陣列的參數(shù)進行選擇，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。順序搜索法計算量比較大，促進了隨機選擇算法的發(fā)展，如模擬退火算法，遺傳算法 [15]等。維數(shù)增多引起后續(xù)信號處理的復(fù)雜程度呈指數(shù)上升，也就是所謂的“維數(shù)咒語”問題，使得降維處理成為必要。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，迄今還沒有形成一種統(tǒng)一的理論來描述。基線的概念為傳感器在空氣中的信號，處理方法主要有三種 :差值法，比例法和分數(shù)比值法。一個成功的氣體 (氣味 )識別和量化系統(tǒng)通常要涉及到多種多維信號的處理方法，包括信號預(yù)處理、特征提取、特征選擇、分類、回歸、聚類以及驗證等[13]，基于統(tǒng)計的模式識別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種信號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。 氣體傳感器陣列信號處理技術(shù) 與哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)類似，氣體傳感器陣列是一氧化碳傳感系統(tǒng)的“氣味感受細胞”，感受到氣味時就將信號通過接口電路及一些預(yù)處理電路 (生物嗅覺中對應(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)的嗅覺信號處理，完成對氣味的識別和簡單量化，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號。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]。由于氣體傳感器的交叉感應(yīng)，使得 CO 傳感器對很多氣體如 H CO H2O等都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對其他氣體 11 的敏感度下降很多 [7]。 對 CO 氣體檢測的適用方法有比色法、半導(dǎo)體法、紅外吸收探測法、電化學(xué)氣體傳感器檢測法等。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關(guān)系進行測量；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孔擴散作為限流措施，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散電流。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。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]。現(xiàn)在各國研究主要針對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和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時間以及降低成本和智能化等。雖然確定的煤層自然發(fā)火期是 36 個月，但實際生產(chǎn)中常常出現(xiàn)一些預(yù)料之外的事例：掘進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)上隅角就檢測出 CO氣體 :綜放面每月推進 60m 左右，其支架頂部煤體中仍能查出高濃度(最高達 %)的 CO氣體成份。在煤礦井下， CO 的來源一般是由于煤自熱或自燃產(chǎn)生的。當溫度異常時，首先出現(xiàn)CO，隨溫度增高，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]。測溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋高溫點及火源的最直接、最可靠的方法，但煤體內(nèi)部溫度的測溫技術(shù)尚未完全解決，目前僅作為掌握自燃動態(tài)、確定自燃區(qū)位置的一種有效的補充手段 [1]。因此，很容易致人中毒。 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。當一氧化碳濃度為 ，無自覺癥狀，、疲倦、惡性、頭暈等感覺， 700mg/m3 時發(fā)生心悸亢進，并伴隨有虛脫危險， 1250 mg/m3 時出現(xiàn)昏睡，痙攣而死亡。 研究的目的和意義 空氣中的一氧化碳為無色、無味氣體，相對分子量為 ，對空氣相對密度為 。根據(jù) MGS1100芯片的結(jié)構(gòu)及工作模式，設(shè)計了報警器電路，并對報警器的控制軟件進行了初步的設(shè)計，最后完成了對一氧化碳報警器的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該報警器是可以在實際中使用。對于一氧化碳傳感器的信號處理方法，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)。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已 在文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，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 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。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)庫進行檢索，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。 本文主要對一氧化碳報警器的原理進行了分析，其中重點分析了一氧化碳傳感器探測信號的模式分類及識別，其原理是采用溫度調(diào)制模式，基于統(tǒng)計學(xué)原理，采用貝葉斯公式對各模式進行識別。同時對 MGS1100 傳感器的結(jié)構(gòu)及工作模式進行了介紹。 senso 目錄 4 摘要 …………………………………………………………… Abstract……………………………………………………… 第 1章 緒論 …………………………………………………… 1 研究的目的和意義 ……………………………………… 1 一氧化碳報警器的發(fā)展狀況 …………………………… 第 2章 一氧化碳傳感器信號處理技術(shù) ……………………… 氣體傳感器陣列信號處理技術(shù) ………………………… 信號預(yù)處理 ……………………………………… 模式分類，識別和量化 …………………………… 氣體傳感器溫度調(diào)制及信號處理技術(shù) ……… 溫度調(diào)制模式 …………………………………… 信號處理方法 …………………………………… … 存在的問題 ………………………………………… 本章小結(jié) ……………………………………………… 第 3章 一氧化碳報警器的設(shè)計 ………………………… 器件的結(jié)構(gòu)原理 ………………………………………… 器件的工作模式 ……………………………………… 一氧化碳報警器的設(shè)計 ………………………………… 5 電路原理 ………………………… ……………………… 控制過程 ………………………………………………… 對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 ……………………………………… 調(diào)試和結(jié)果 ……………………………………………… 本章小結(jié) …………………………………………………