【正文】 、 CO 傳感器等部分的電源。在 MCU 的控制下 , 很容易利用 DAC0832來產(chǎn)生所需方波 , 但其成本高 , 故可利用圖 36 所示電路來產(chǎn)生所. . 需的方波信號。報警輸出分別采用光報警和聲報警。 MGS1100 是 MOTOROLA 應(yīng)用全微電子工藝制成的半導體 CO傳感器 , 具有對 CO氣體響應(yīng)的選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性強等特點；報警器控制部分采用 MOTOROLA MC68HC705P9 單片機，通過它的 A/D口對溫度傳感器和 MGS1100 進行環(huán)境溫度及 CO濃度實時檢測的數(shù)據(jù)采集 , 然后進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理 , 其中包括傳感器 CO靈敏特性非線性的處理、 CO 濃度的溫度特性的校正。在低溫段的最后時刻 , 測量對應(yīng)于 CO 濃度的 Rs 阻值。 . . 器件的工作模式 CO 傳感器實際應(yīng)用時 , 通常采用連續(xù)工作模式 , 此時用周期性脈沖電壓對電阻加熱 ,具體波形參見圖 33,V hH = 5V,持續(xù) 5 秒 ,VhL = 1V,持續(xù) 10秒。這種結(jié)構(gòu)不僅使 SnO2 薄膜對 CO 氣體在很寬的溫度范圍內(nèi)都具有敏感性 , 且由于硅膜減少. . 了熱傳導的損失 , 從而大大降低了功耗 ,其結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 第 3 章 一氧化碳報警器的設(shè)計 設(shè)計一氧化碳報警器，需要根據(jù)其應(yīng)用的場所確定設(shè)計要求，選擇合適的一氧化碳傳感器，確定設(shè)計方案。有效解決該問題的方法就是建立混合氣體響應(yīng)的回歸模型。 NIST微熱板式薄膜氣體傳感器的溫度調(diào)制基礎(chǔ)上，純粹從信號處理的角度出發(fā)，設(shè)計了溫度調(diào)制下的傳感器響應(yīng)函數(shù)，并在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過比較模型在一定調(diào)制模式下對甲醇和乙醇的響應(yīng)曲線的差值，以兩曲線之間差值的最小均方根最大為目標，求解用于區(qū)別該兩種氣體的最佳溫度調(diào)制模式，但是從實驗結(jié)果來看，該方法效果不是很好。 等使用 FFT 以及 DWT 提取頻率信號，結(jié)合 PCA 以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對 CO和 NO2 氣體響應(yīng)進行了識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為對氣體模式的 01 編碼。 . . 信號處理方法 溫度調(diào)制擴展了氣體傳感器在時間上的響應(yīng)信號，因此其信號處理方法主要包括了與時間頻率信號處理有關(guān)的快速傅立葉變換 (FFT)以及離散小波變換 (DWT)方法，通過 FFT 或 DWT，提取與氣體 有關(guān)的特征信號，再結(jié)合陣列信號處理方法對氣體模式進行識別和量化。于鵬等采用高低溫加熱控制下的 4個傳感器組成陣列用于白酒的識別 。 由于燒結(jié)型傳感器以及厚膜傳感器的加工工藝比較成熟，產(chǎn)品已經(jīng)進入或即將進入市場，產(chǎn)品的可靠性和靈敏度有一定保證，因而它們也成為溫度調(diào)制 技術(shù)的主要研究對象，如 Figaro公司的 TGS813, TGS2611 等型號傳感器。原因有三 :1)由于不同氣體對溫度的依賴特性不同，周期性溫度調(diào)制總能控制傳感器針對不同氣體給出典型曲線； 2)低溫時傳感器對氣體的不完全響應(yīng)有累積效應(yīng)，高溫則具有清洗作用； 3)在這個溫度. . 范圍內(nèi)，對應(yīng)某種氣體總有一個最高靈敏度工作溫度點，因而可以提高傳感器的靈敏度。 溫度調(diào)制的一個最簡單 方 式 就 是 控制 傳 感 器 的加 熱 電 壓時 通 時 斷 ， 1992 年，[32]將 Figaro 氣體傳感器控制在脈沖加熱電壓下，傳感器首先在 SV加熱電壓下預(yù)熱，當響應(yīng)穩(wěn)定時，斷開加熱電壓，監(jiān)測傳感器的響應(yīng)信號，再開啟 SV 加熱電壓，依次周期性控制，脈沖電壓的周期為 60s。氣體傳感器對溫度依賴的一個重要現(xiàn)象為傳感器在升溫和降溫時的滯回現(xiàn)象。金屬氧化物半導體氣體傳感器的氣敏特性受器件溫度的影響和控制，在不同工作溫度范圍內(nèi)對不同氣體的響應(yīng)有所不同。無論是何種問題，都需要一些先驗數(shù)據(jù)作為訓練樣本完成模型的構(gòu)建，最終模型的好壞需要通過一些新的數(shù)據(jù)樣本來說明驗證。 SOM 是一種能夠產(chǎn)生拓撲分布結(jié)構(gòu)的互連接技術(shù)，通常是一個二維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，首先通過競爭機制選 擇網(wǎng)格中與數(shù)據(jù)樣本最近的神經(jīng)元及其附近的神經(jīng)元并激活，調(diào)整其在二維網(wǎng)格中的坐標使得它們更接近于數(shù)據(jù)樣本 [27]。樹狀 圖法可以通過自底向上的凝聚算法或者自頂向下的分裂算法形成。與 PCR不同， PLS 依次尋找各傳感器與混合氣體濃度之間的最大相關(guān)性。因此在矩陣分析中引入偽逆來解決這一問題 . (23) S+為 S的偽逆， S+S=I，上式為正規(guī)的二乘估計算法。ε為均值 0,方差為 20 的不可觀 測的隨機變量，稱為誤差項。混合氣體分析問題較為根本，難度也最大。電子鼻領(lǐng)域中的回歸問題主要包括三種：混合氣體分析 (被估計變量為混合氣體中各成分的. . 濃度 )、工藝監(jiān)控 (被估計變量為工藝參數(shù) )和嗅感分析 (被估計變量為香、臭等感覺程度 )。 RBF是一種典型的局部逼近網(wǎng)絡(luò)，其神經(jīng)元的輸入為輸入矢量與權(quán)值矢量的距離乘以閩值，神經(jīng)元變換函數(shù)為高斯函數(shù)。 KNN是一種非線性分類器，對 y進行分類時，通過尋找數(shù)據(jù)集中最相近的 k 個樣本并選出這 k個樣本的主導類作為 y的類別。分類器的設(shè)計也主要是為了得到 P(y|wi)的估計值。模式分類的目的是對一組新的氣味特征向量 y N表征的對象識別，考察其為己知類型毛 (w1, w2, wc)中的哪一種氣味 wi，減小誤分類率也就是要使得樣本 y 屬于類 wi 的概率代 P(wi|y)最大，即最大后驗概率法則 [19]，通常使用貝 葉斯公式求解。在電子鼻領(lǐng)域內(nèi)使用較多的特征提取方法主要有主成分分析法(PCA)和 Fisher線性判別式分析法 (Linear Discriminant Analysis，LDA)。 GutierrezOsuna[16]對 8 種搜索技術(shù)進行了比較，結(jié)論是各種搜索算法的性能相似。常用的選擇方法為順序搜索法，從集合內(nèi)參數(shù)為 0，逐漸增加參數(shù)數(shù)目的 方法為前向搜索法；從全部特征組成參數(shù)集合開始逐漸減少參 數(shù)數(shù)目的方法為后向搜索法。特征是直接從傳感器的原始信號提取出來的參數(shù)，各特征之間相互關(guān)聯(lián)，由于交叉敏感的影響，各傳感器之間也相互關(guān)聯(lián)， 因此這樣一個原始的特征參數(shù)集是一個富含冗余信息的高維向量。上述基線的處理方法僅是對氣體傳感器信號的簡單處理，基線漂移的抑制是氣體傳感器領(lǐng)域中的一個重要研究問題。 圖 21 微熱板式氣體傳感器的單臂電橋測量電路 傳感器的描述信號可用電壓信號 (V)、電阻信號 (R)和電導信號 (G)等物理量表示，三個物理量互相關(guān)聯(lián)，電阻和電導互為倒數(shù)，其中電壓信號受串聯(lián)電阻的影響，在量程大且需更改串聯(lián)電阻的情況下不宜使用。 對這一技術(shù)的研究，從氣體傳感器陣列和電子鼻的概 念提出后，就一直都沒有間斷過。 . . 第 2 章 一氧化碳傳感器 信號處理技術(shù) 一氧化碳報警器主要由氣體傳感器和報警電路組成，而其性能的好壞又取決于氣體傳感器，因此，氣體傳感器所采用技術(shù)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，下面我們重點分析在一氧化碳傳感器中 所采用的信號處理技術(shù)。 利用 CO氣體近紅外吸收機理，研究了一種光譜吸收型光纖 CO 氣體傳感器，該儀器檢測靈敏度可達到10 6[10]?，F(xiàn)國外有研究對 SnO2 基材料中摻雜 Pt、 Pd、 Au 等，并發(fā)現(xiàn)當傳感器工作在 220 C時，在 SnO2中摻雜 2%的 Pt 時，傳感器對 CO 具有最大的敏感度。 SAW 傳感器自身固有一個振蕩頻率，當外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。另外與半導體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。首先簡單介紹下一氧化碳傳感器的發(fā)展狀況。 . . 一氧化碳報警器的發(fā)展狀況 1964 年，由 Wickens 和 Hatman 利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了第一個氣敏傳感器， 1982 年英國 Warwick 大學的Persaud 等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) [4]，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等。大水頭煤礦是煤層具有自然發(fā)火傾向性的礦井，經(jīng)過對大水頭煤礦幾十次煤炭自然發(fā)火災(zāi)害有關(guān)參數(shù)的反復觀察分析認為，同樣是煤炭自燃造成的火災(zāi)，但每次其自然發(fā)火期的長短、氧化速度、各種災(zāi)害氣體的濃度等都隨時間、地點的不同有所差異，這其中的原因除一些外在 的因素和煤層所處的自然環(huán)境因素外，還有一個不被人們所掌握的內(nèi)在因素 煤層原生的 CO 成份在起著潛移默化、推波助瀾的作用。它的變化一直在煤礦安全生產(chǎn)活動中受到高度重視，特別是煤層有自然發(fā)火傾向的礦井更是如此。它們是按一氧化碳 氫 乙烯 丙烯 乙炔的順序生成、釋放并隨溫度而增加的。因此，人們發(fā)現(xiàn)了測溫法來進行溫度可燃氣體的監(jiān)測。由于一氧化碳在空氣中很穩(wěn)定，如果室內(nèi)通風較差， CO 就會長時間滯留在室內(nèi)。室內(nèi)污染所致 COHb 飽和度只有超過 2%，才會影響心肺病人的活動能力，加重心血管的缺血癥狀。一氧化碳中毒時，使紅血球的血紅蛋白不能與氧結(jié)合，妨礙了機體各組織的輸氧功能，造成缺氧癥。 senso . . 目錄 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 ………………………………… 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) ………………………………………………… 結(jié)論 …………………………………………………………… 致謝 …………………………………………………………… 參考文獻 ……………………………………………………… 附錄 ……………………………………… …………………… . . 第 1 章 緒論 課題背景 隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴重的污染，因此對大氣中有毒氣體的監(jiān)測也成為人們關(guān)心的一個主要問題，而大氣中一氧化碳氣體對人體的毒害是致命的，因此，迫切需要開發(fā)一種儀器來檢測家庭和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一氧化碳氣體。同時對 MGS1100傳感器的結(jié)構(gòu)及工作模式進行了介紹。 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)計學原理，采用貝葉斯公式對各模式進行識別。因此需要對大氣中的一氧化碳氣體進行監(jiān)測。 最后，根據(jù)一氧化碳傳感器的原理，針對家庭中一氧化碳氣體的監(jiān)測，初步確定一氧化碳傳報 警器的設(shè)計要求，根據(jù)當前一氧化碳傳感器的發(fā)展狀況，選用 MOTOROLA公司的 MGS1100芯片進行一氧化碳報警器的設(shè)計。temperature mo