【正文】 [c1(t)， c2(t)， ? ck(t)]的估計，就構(gòu)成了一個混合氣體分析問題。目前應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)絡技術(shù)。 c=sA+ε，式中， c=[c1(t)，c2(t)， ? cm(t)]T， A=(aij)nm為未知參數(shù)矩陣。由實驗觀測到 P 組輸入輸出向量，那么。忽略誤差項，當 S混合氣體 c1(t) c2(t) ? cm(t) 傳感器 1 接口 1 信號處理器 1 陣列信號預處理 傳感器 2 接口 2 信號處理器 2 傳感器 m 接口 m 信號處理器 m 識 判 別 斷 量 決 化 策 y1(t) y2(t) y3(t) ? ym(t) ym1(t) 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 9 為非奇異陣時參數(shù)矩陣可由 A=S1C 計算得到，但是作為觀測向量， S 可能為奇異陣。 CSCSSSA TT ?? ?? 1)( (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)處理中應用也較為廣泛，它是一種無監(jiān)督學習過程，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，通常基于類內(nèi)和類間結(jié)構(gòu) (如擴展類間距離，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。將訓練樣本隨機設定為 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]。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行驗證。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、高溫清洗的檢測方法，該技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被Figaro 公司的 CO 傳感器采用 。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。 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)。 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 加熱電壓下預熱，當響應穩(wěn)定時，斷開加熱電壓，監(jiān)測傳感器的響應信號，再開啟 SV 加熱電壓，依次周期性控制，脈沖電壓的周期為 60s。這些都是兩個溫度點之間的階躍 ,但是 Sears[35]等認為全量程周期性(cyclictemperature)加熱電壓在傳感器的溫度調(diào)制方面更具有優(yōu)越性和發(fā)展前景。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有累積效應，高溫則具有清洗作用； 3)在這個溫度范圍內(nèi)，對應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。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)。 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。 , , 等分別考察了厚膜氣體傳感器在正弦溫度調(diào)制模式下的響應特征，頻率都為 50mHz,溫度調(diào)制范圍一般低溫 2021?C 至高溫 4000?C 左右。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 。 微 熱板式薄膜氣體傳感器由于具有尺寸小、溫度響應速度快的優(yōu)點，能夠快速跟蹤加熱電壓的變化，在溫度調(diào)制方面應更具有優(yōu)越性。 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 12 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。由于該二階信號比較微弱，他們又提出了使用 2 倍頻的電壓信號對正弦加熱電壓調(diào)制后的信號進行疊加增強二階諧振信號，提高信號的幅度 [38]， 及將考慮的諧頻信號增加到 3 階諧振，提高氣體識別的準確率。 等使用 FFT 以及 DWT 提取頻率信號，結(jié)合 PCA 以及神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)對 CO 和 NO2 氣體響應進行了識別，神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出為對氣體模式的 01 編碼。 Clifford 引入了半導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反應機制，并討論了CO， O2 等在材料表面的化學吸附和反應機理，對傳感器的遲滯現(xiàn)象進行了定性的解釋。 在 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)，設計了溫度調(diào)制下的傳感器響應函數(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。對于多成分氣體的識別和量化技術(shù)，目前較成功的方法是將各個濃度的氣體設定為一種模式，根據(jù)氣體傳感器陣列的響應特征對哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 13 各種模式進行識別，要識別的模式數(shù)目依賴于量化的精確程度。有效解決該問題的方法就是建立混合氣體響應的回歸模型。 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。 本章小結(jié) 本章主要 分析在一氧化碳傳感器中所采用的信號處理技術(shù) ，對氣體傳感器對信號的預處理、 模式分類、識別、量化和處理方法做了詳細的闡述和分 析，同時對這種處理技術(shù)在實際中存在的問題做了記錄并分析其原因，對它的局限性也做了分析。我們設計的一氧化碳報警器主要應用家庭中，因此選用 MOTOROLA MGS1100 一氧化碳傳感器進行報警器的設計，下面我們對該傳感器的原理及設計進行簡單介紹。 其結(jié)構(gòu)特點是采用微電子工藝 ,在微型硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱器上制作一層 SnO2 薄膜。 圖 31 MGS 傳感器橫截面圖 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。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)。 器件的工作模式 CO 傳感器實際應用時 , 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。其中在大約 400?C 的高溫時 , 對傳感器的敏感部位進行清潔 (維持 300ms),在小于 100 ?C 的低溫時檢測 CO。 在低溫段的最后時刻 , 測量對應于 CO濃度的 Rs 阻值。 實驗表明 ,如果低溫段時間為 10s ,在 的時刻測量Rs 值最適合。 MGS1100是 MOTOROLA應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。經(jīng)過一定的算法 處理修正后 , 最后通過判斷作出相應的數(shù)據(jù)顯示和報警輸出。報警輸出分別采用光報警和聲報警。 表 31 CO報警器的設定 CO 濃度 報警方法 X60ppm 不報警 ,亮綠燈 60ppm X 100ppm 60分鐘后報警 ,亮紅燈 ,蜂鳴 100ppm X200ppm 30分鐘后報警，亮紅燈，蜂鳴 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 17 200ppm X 400ppm 10分鐘后報警，亮紅燈， 蜂鳴 X 400ppm 立即報警，亮紅燈，蜂鳴 電路原理 一氧化碳報警器電路原理如圖 35所示 。傳感器 MGS1100的工作需要周期為 15s(5s的電壓為 5V,10s的電壓為1V) 的方波驅(qū)動。 調(diào)試結(jié)果證明 , 符合器件工作狀態(tài)的 要求。 本系統(tǒng)所需的直流電源 , 通過 780 7805穩(wěn)壓后 ,提供 + 6V 和 + 5V的工作電壓。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。 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 18 圖 36 方波產(chǎn)生電路 控制過程 一氧化碳報警器的 控制過程 如圖 37所示。通常設定在 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。對于溫度的測量 , 由于使用單片機進行數(shù)據(jù)處理 , 對于傳感器的非線性輸圖出 , 可使用查表法得出最終結(jié)果。 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。 對于溫度變化的特性處理 (假設 CO的濃度為 60ppm)。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半導體提供的測定數(shù)據(jù) ,如表 32所示 。 傳感器 MGS1100的靈敏度輸出曲線可分為 :60ppm以下、 60ppm100ppm、 100200ppm、 200400ppm、 400ppm以上 5段 , 經(jīng)分析 , 每一段可哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 20 作為直線處理近似。根據(jù)表 32 的報警功能設定 , 由 MCU作出相應的報警處理。加之采用 MC68 HC705P9 單片機 , 其 A/D變換電路置于片內(nèi) , 故產(chǎn)品的整體設計 ,體積小、功耗低、外圍電路簡單。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。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 家庭中應用 的 一氧化碳報警器 ，并對 設計報警器的MOTOROLA MGS1100 一氧化碳傳感器 ，進行 傳感器的原理及設計進行簡單介紹和分析，另外還對調(diào)試 和結(jié)果做了闡述。 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 22 致謝 首先要感謝王瑞導師的精心指導和答疑解惑，正因為如此，雖然我在論文的寫作過程當中遇到了許多的 困難，但是在導師的幫助下，我完成了這篇論文的寫作并且從導師那里學到很多課本上學不到的知識，這也是我在大學生活的最后一段時光里最寶貴的收獲 。 collection of ambient temperature and pressure, the design algorithm for temperature and pressure pensation。 carbon monoxide。 duallight source