【正文】 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?fàn)顩r …………………………… 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) ………………………………………………… 結(jié)論 …………………………………………………………… 致謝 …………………………………………………………… 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………… 附錄 ……………………………………… …………………… 6 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(yán)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?xì)怏w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?xì)怏w。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。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。有時根據(jù)碳氧血紅蛋白（ COHb）來評價室內(nèi)一氧化碳低暴露水平對人體的影響， 311 歲兒童 COHb 平均飽和度為 %； 1274 7 歲不吸煙人群為 %。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。室內(nèi)使用燃?xì)庠罨蛐⌒兔河图訜崞?，其釋?CO量是 NO2 的 10倍。由于一氧化碳在空氣中很穩(wěn)定，如果室內(nèi)通風(fēng)較差， CO 就會長時間滯留在室內(nèi)。 同時，在 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尤其在煤炭生產(chǎn)基地，如果一氧化碳濃度過高，很容易引起火災(zāi)和爆炸，引起嚴(yán)重的事故和后果，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，人們發(fā)現(xiàn)了測溫法來進(jìn)行溫度可燃?xì)怏w的監(jiān)測。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。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。由于一氧化碳生成溫度低，生成量大，其生成量隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增加。它的變化一直在煤礦安全生產(chǎn)活動中 8 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。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。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(fù)觀察分析認(rèn)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。通過分析表明煤電鉆打的孔內(nèi)實測CO 濃度高達(dá) %，而且一氧化碳檢測管變色環(huán)呈血紅色，比火區(qū)測定的還要高。 一氧化碳報警器的發(fā)展?fàn)顩r 9 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(xué)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。 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。首先簡單介紹下一氧化碳傳感器的發(fā)展?fàn)顩r。 電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導(dǎo)體氣敏元 件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)使其某些特性發(fā)生變化對氣體進(jìn)行直接或間接的檢測。另外與半導(dǎo)體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。 電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學(xué) 10 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。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。 紅外吸收型傳感器，當(dāng)紅外光通過待測氣體時， 這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收， 其吸收關(guān)系服從朗伯 比爾 (LambertBeer)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度。 SAW 傳感器自身固有一個振蕩頻率，當(dāng)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。 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?，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(dāng)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。 CO電化學(xué)氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學(xué)電極有 Pt、 Au、 W、 Ag、 Ir、 Cu等過渡金屬元素，這類元素具有空余的 d、 f電子軌道和多余的 d、 f 電子，可在氧化還原的過程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物， 具有較強的催化能力 [8]。 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(dá)到10 6[10]。 采用超頻率音響增強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。 第 2 章 一氧化碳傳感器 12 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)。該系統(tǒng)稱為電子鼻系統(tǒng)。 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。 信號預(yù)處理 13 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。 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(dǎo)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(dǎo)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。以電導(dǎo)物理量為例，定義其在空氣中的基線值為Gair，在被測氣體中的值為 Ggas ,那么對應(yīng)的三種處理方法見表 21。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。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]。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。同時，信息冗余容易導(dǎo)致信號參數(shù)的協(xié)方差矩陣奇異，因此特征選擇和特征提取成為氣體傳感器陣列信號處理的兩個必要步驟。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。參數(shù)選擇的評價方法主要有兩種 :過濾法 15 (filters)和打包法 (wrappers)。 GutierrezOsuna[16]對 8 種搜索技術(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)論是各種搜索算法的性能相似。優(yōu)化后的特征參數(shù)集代表了被測氣體的所有信息，但是各個參數(shù)之間的相關(guān)性大，依然存在冗余信息。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)。 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]。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。先驗概率可以通過樣本出現(xiàn)的頻率計算得到。分類器的設(shè)計也主要是為了得到 P(y|wi)的估計值。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 17 (22) 式中 ui 和 i為樣本均值和協(xié)方差。 KNN是一種非線性分類器，對 y進(jìn)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(dǎo)類作為 y的類別。多層感知器 (MLP)是一種常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過將感知器的輸出單元進(jìn)行編碼，賦予類的標(biāo)號，采用后向傳播算法 (BackPropagation)使用已有的數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，生成分類器。 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)。 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。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 18 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 )。倘若被估計的一組變量為類標(biāo)識，那么模式分類也可以看作是一個回歸問題，因此大部分的回歸技術(shù)都可以用于模式分類?；旌蠚怏w分析問題較為根本，難度也最大。 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。ε為均值 0,方差為 20 的不可觀 測的隨機變量，稱為誤差項。 C= (cij)mp ，S= (sij)mp ，輸入輸出關(guān)系為 C=SA+ε。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。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]。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。 聚類分析在電子鼻數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用也較為廣泛，它是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)過程，用于尋找數(shù)據(jù)樣本之間的空間關(guān)系或相似性，主要包括三個基本步驟 :(a) 定義樣本之間的不相似性法則，通常采用歐式距離； (b)定義一種優(yōu)化聚類的法則， 20 通?；陬悆?nèi)和類間結(jié)構(gòu) (如擴(kuò)展類間距離，壓縮類內(nèi)距離等 )； (c)定義一種搜索算法，用于將某一測試樣本賦給某一類。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。將訓(xùn)練樣本隨機設(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。 SOM 是一種能夠產(chǎn)生拓?fù)浞植冀Y(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(biāo)使得它們更接近于數(shù)據(jù)樣本 [27]。倘若將“類”作為一個變量尋求輸入和這個變量之間的關(guān)系，那么分類實際上又是回歸的一種。無論是何種問題，都需要一些先驗數(shù)據(jù)作為訓(xùn)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。測試樣本的選取方 21 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。金屬氧化物半導(dǎo)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。 溫度調(diào)制模式 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最早關(guān)于溫度調(diào)制方面的文獻(xiàn)資料源于美國專利， 1975年 [28]申請了用于 CO檢測的氣體傳感器溫度調(diào)制技術(shù)方面的專利，即控制傳感器低溫檢測