【正文】 . 模型的建立增加了很多困難。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(jìn)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。張正勇等考察了矩形波加熱下的幾種氣體響應(yīng)情況。但是，當(dāng)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(zhǔn)確測量到傳感器電阻的變化，給測試帶來困難。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(dāng)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)。驗證的過程就是使 用構(gòu)建的模型對新的樣本進(jìn)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。 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。 最小二乘法的回歸方程中使用了所有傳感器的輸出項進(jìn)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)。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)。 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。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]。 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。順序搜索法計算量比較大，促進(jìn)了隨機(jī)選擇算法的發(fā)展，如模擬退火算法，遺傳算法 [15]等。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(jī)，迄今還沒有形成一種統(tǒng)一的理論來描述。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。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]。 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?，F(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。在煤礦井下， CO 的來源一般是由于煤自熱或自燃產(chǎn)生的。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]。 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。 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 。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)。同時還對目前一氧化碳監(jiān)測中存在的主要問題進(jìn)行了初步的分析。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下， 1L氣體質(zhì)量為 ， 100ml水中可溶解 (20C)，燃燒時為淡藍(lán)色火焰。室內(nèi)使用燃?xì)庠罨蛐⌒兔河图訜崞鳎溽尫?CO量是 NO2 的 10倍。測定礦內(nèi)空氣成分變化，是早期預(yù)報自燃火災(zāi)應(yīng)用最廣而且比較可靠的方法。所以當(dāng) 井下出現(xiàn)CO 氣體或 CO氣體濃度穩(wěn)定地增長時，就認(rèn)為煤炭在自然發(fā)火或有自然發(fā)火的危險。 下面簡單介 紹各種常用的一氧化碳報警器的工作原理最新的研究進(jìn)展。 電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學(xué)電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。 比色法是根據(jù) CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應(yīng)，因而使化合物顏色改變，通過顏色變化來測定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點是沒有電功耗。 采用超頻率音響增強(qiáng)電鍍鐵酸鹽方法獲得磁敏感膜，磁飽和度和矯頑磁力決定對氣體的響應(yīng)敏感度。 . . 信號預(yù)處理 信號預(yù)處理的主要目的有濾波、基線處理、漂移補償、信息壓縮以及歸一化等。小波變換技術(shù)在基線漂移抑制方面取得了較好的效果 [14]。參數(shù)選擇的評價方法主要有兩種 :過濾法. . (filters)和打包法 (wrappers)。 LDA是一種分類方法，沿各類之間距離最大的方向上作變換，就是類內(nèi)協(xié)方差陣 SW 的逆陣和類間協(xié)方差陣 SB乘積 SW1SB 的特征向量 [18]。二次分類器假設(shè)所有類的概率分布函數(shù)相同且都為高斯分布，即 . . (22) 式中 ui 和 i為樣本均值和協(xié)方差。 相對于氣味的分類問題，電子鼻的回歸分析問題更具有挑戰(zhàn)性。 最小二乘法是以線性回歸模型為基礎(chǔ)的 [23]，仍以圖 22為例，使用一由 n 個傳感器組成的陣列檢測 m 種氣體組成的混合氣體，采用氣敏電阻的分?jǐn)?shù)電導(dǎo)作為傳感器的輸出向量，記為 s=[s1， s2 ，sn]T，設(shè)被測氣體濃度與傳感器的輸出信號之間的回歸方程為線性。主成分的提取法則是沿著觀測數(shù)據(jù)向量方差最大的方向提取，因此它們與被測氣體濃度之間的線性依賴關(guān)系也并非最好 [24]。將訓(xùn)練樣本隨機(jī)設(shè)定為 C 個不相連的類，計算每個類的均值，然后重新分配各樣本到 C個類中再計算各類的平均值，直到相鄰兩次重新分配的各類均值不變就結(jié)束迭代計算，這種方法就是 C均值法。測試樣本的選取方. . 法也有多種，如使用新的樣本集或多次交叉驗證法等，在氣體分析中多采用新樣本集進(jìn)行驗證。 Clifford 總結(jié)指出，提高氣體檢測系統(tǒng)的選擇性，可以使用工作在不同工作溫 度下的傳感器組成陣列，也可以使用一個依次工作在不同 溫度下的傳感器來實現(xiàn)。因此比較合適的方法還是在一定偏壓和幅值下的溫度調(diào)制技術(shù)，而“遍歷”一定范圍內(nèi)的溫度點的思想仍然得到了延續(xù)。 微熱板式薄膜氣體傳感器由于具有尺寸小、溫度響應(yīng)速度快的優(yōu)點，能夠快速跟蹤加熱電壓的變化，在溫度調(diào)制方面 應(yīng)更具有優(yōu)越性。 Clifford. . 引入了半導(dǎo)體勢壘模型來分析傳感器受溫度的影響 [39]， 在該模型的基礎(chǔ)上添加了傳感器表面的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，并討論了 CO，O2 等在材料表面的化學(xué)吸附和反應(yīng)機(jī)理，對傳感器的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了定性的解釋。 溫度調(diào)制模式對傳感器選擇性的改善程度起著決定性的作用，溫度調(diào)制模式主 要由調(diào)制波形、調(diào)制頻率、調(diào)制溫度的幅度以及偏移量等幾個參數(shù)決定，而迄今為止，氣體傳感器的溫度調(diào)制模式的選擇仍處于試錯研究階段，依據(jù)經(jīng)驗根據(jù)實際情況考察適用的溫度調(diào)制模式，其中正弦溫度調(diào)制模式使用最多。通常加熱器及 SnO2 層的溫度與加熱電壓 VH 、加熱電流 IM 有關(guān)。實驗表明 ,如果低溫段時間為 10s ,在 Rs值最適合。 . . 電路原理 電路的核心部件為 MOTOROLA MCU 的 MC68HC705P9 作為核心控制元件。環(huán)境的 CO濃度檢測和溫度檢測的數(shù)據(jù)采集 , 分別通過 MC68HC705P9 的有關(guān)的 A/D 口來進(jìn)行。故對 MGS1100 進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)行兩步處理。加之采用 MC68 HC705P9 單片機(jī) , 其 A/D變換電路置于片內(nèi) , 故產(chǎn)品的整體設(shè)計 ,體積小、功耗低、外圍電路簡單。所以這個研究的題目對實際生活中意義非?？傄?。一氧化碳 。紅外光經(jīng)過氣體的過程中 ,氣體對它的能量吸收與它的波數(shù)有關(guān)。 但要找出譜帶吸收的計算式是很難的 ,解決的方法之一是逐線積分求得總和 ,但所得值與實測值相差 5%～ 10%,精度不高 ,且計算量大、不方便。將抵消后的結(jié)果送到單片機(jī)處理 ,減少了誤差的來源 ,提高了測量的精度。經(jīng)過選擇濾光片后 ,紅外光經(jīng)過含有一定濃度 CO 的氣室后 ,其能量被吸收 ,而 CO吸收紅外光能量與其濃度直接相關(guān)。 2 系統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)模型、軟硬件設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 紅外 CO 濃度探測儀將待測混合氣體中的 CO濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號 ,該信號經(jīng)電壓跟隨放大電路放大、線性補償電路線性補償后送至模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ,最后送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理 ,計算后將顯示濃度結(jié)果 ,根據(jù)測得的不同濃度值做出相應(yīng)的判斷和異常處理。 (3)計算機(jī) MCU系統(tǒng) 主要由 8051單片機(jī)、外圍的顯示、鍵盤、報警等組成。若在正常范圍內(nèi) ,系統(tǒng)不動作 。 (1)補償和修正 由于 CO傳感器受溫度影響較大 ,因此先對溫度進(jìn)行補償 ,再計算壓力補償。根據(jù)檢測儀應(yīng)用行業(yè)的不同 ,將相應(yīng)濃度范圍的數(shù)據(jù)存到單片機(jī)即可。采用紅外技術(shù)檢測 CO,不僅克服了傳統(tǒng) CO 檢測儀選擇性差、受風(fēng)速影響大、反應(yīng)速度慢、探測范圍小、容易污染中毒老化、不能有效地進(jìn)行大空間可燃?xì)怏w的安全監(jiān)控等缺點 ,還可在無氧環(huán)境中工作 ,使用壽命長 ,也不會因可燃?xì)怏w濃度過高而降低性能 ,探測靈敏度高、響應(yīng)速度快。 本文實. . 現(xiàn)了紅外對 CO檢測的智能化 ,它通過外圍的硬件電路采集紅外 CO 傳感器的信號。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,接受紅外 CO 傳感器傳來的經(jīng)過放大和濾波后的信號。根據(jù)存貯在機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的準(zhǔn)確濃度值 ,將測得的溫度結(jié)果 ,按線性插值法確定對應(yīng)溫度值下的 CO 濃度。報警采用555芯片的聲音報警電路 ,當(dāng)濃度超標(biāo)時 ,555 芯片發(fā)聲報警。設(shè)置系統(tǒng)時鐘不斷發(fā)出檢測脈沖來循環(huán)讀入 A/D 轉(zhuǎn)換 的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。波段光強(qiáng)的變化量取決于氣體體積百分比濃度 (L EL)與該氣體所經(jīng)光路長度 (m)的乘積。特別當(dāng)光波波長與媒質(zhì)分子的振動頻率相等時 ,光子與分子產(chǎn)生共振 ,光能量被強(qiáng)烈地吸收 ,透射光強(qiáng)幾乎為零。 采用具有補償能力的光路實現(xiàn)對雜質(zhì)氣體和粉塵等的補償。通常在一個很窄的吸收帶內(nèi)可能有數(shù)十條或數(shù)百條吸收線 ,計算每條吸收線的吸收能量總和就是吸收帶的總吸收能。雙光源 。感謝老師和同學(xué)對我的幫助，天下無不善之筵席，分離總是難免的，愿同學(xué)們前程什錦，老師工作順利，大家事業(yè)有成。本系統(tǒng)雖然忽略濕度對測量的影響 , 但由于實際中 , 特別是在低 CO濃度的測量中 ,MGS1100受濕度的影響還是不能忽略的。 在溫度 T下 , 傳感器的輸出電阻 R s為 :Rs (X, T ) = Rs (X, 25)，即 Rs (X, 25) = Rs (X, T )/ ，其中 R s (X, 25)為在一定 CO 濃度下 (Xppm) 和 25 C室溫的環(huán)境下的傳感器的輸出電阻； A為溫度系數(shù) ,根據(jù) MO TOROLA 半導(dǎo)體提供的測定數(shù)據(jù) ,如表 32 所示。 其主要功能是 : 通過控制 PA5 的輸出電平 , 使方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波 , 去驅(qū)動傳感器MGS1100 的加熱元件。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。 MGS1100 是 MOTOROLA 應(yīng)用全微電子工藝制成的半導(dǎo)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(qiáng)等特點；報警器控制部分采用 MOTOROLA MC68HC705P9 單片機(jī)，通過它的 A/D口對溫度傳