（精密仪器及机械专业论文）基于动态特征的便携式电子鼻系统的研究与实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 随着气味检测在食品、化妆品、医疗、环境污染监测、能源、化工等方面 重要性的与日 俱增，电子鼻系统得到了迅速的发展，而电子鼻系统识别的准确 性以及易用性更成为其主要的研究方向。 本文总结了动态信息处理方法提出的背景和发展现状，介绍了模式识别技 术中的k o h o n e n 算法，并提出了一种新的数据预处理方法差值抵消法。 在此 基础上，设计和实现了一套具有动态信息处理特征的便携式电子鼻系统。系统 体积小，重量轻，功耗低，通过u s b 和串口 两种方式与p c 机进行通讯，可直接 从u s b 口 取电并采用了双电源设计， 在便于携带的同时保证了系统的稳定性。 文 中介绍了 传感器阵列的特性、传感器阵列工作温度控制电路的设计和动态信号 的提取方法，论述了 u s b 总线的协议和基于p d i u s b d 1 2 的u s b 接口的实现，详 细介绍了 系统的硬件构成和软件流程。最后用该系统对饮料样本进行了定性识 别实验，结果表明，系统工作稳定，反应迅速，具有对气味的高识别率。 关键词:电子鼻系统，动态信息处理，k o h o n e n ，便携式， u s b 西北工业大学硕士学位论文 abs tract o d o r i d e n t i f i c a t i o n p l a y s a n i m p o rt a n t r o l e i n m a n y f i e l d s s u c h a s f o o d i n d u s t r y , c o s m e t i c i n d u s t ry , p h a r m a c y , e n v i r o n m e n t a l p o l l u t io n r e g u l a t i o n , e n e r g y s o u r c e d e t e c t i o n a n d c h e m i s t ry i n d u s t r y e t c . e l e c t r o n i c n o s e s s y s t e m , w h i c h h a s b e e n m a d e g r e a t i m p r o v e m e n t i n r e s e n t y e a r s a n d w i l l k e e p t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o n a c c u r a c y a n d c o n v e n i e n c e , b e c o m e s a n e w a t t r a c t i v e r e s e a r c h f i e l d . a ft e r s u m m a r i z in g s o m e c o m m o n m e t h o d s o f d y n a m i c d a t a p r o c e s s i n g , t h e p a p e r i n t ro d u c e s t h e k o h o n e n a l g o r i t h m f o r p a tt e rn r e c o g n it i o n , a n d p r e s e n t s a n e w d a t a p r e - t r e a t m e n t a l g o r i t h m . a n i n t e g r a t e d p o rt a b le e l e c t r o n i c n o s e s s y s t e m , w h i c h h a s e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e s o n c u b a g e , w e i g h t a n d p o w e r c o n s u m p t i o n , h as b e e n d e v e l o p e d . t h e s y s t e m c o m m u n i c a t e s w it h p c b y r s 2 3 2 i n t e r f a c e a n d u s b i n t e r f a c e , a n d c a n b e s u p p l i e d b y u s b c o n v e n i e n t l y . t h e f e a t u re s o f g a s s e n s o r a r r a y s , d a t a a c q u i r e m e n t f r o m d y n a m i c s i g n a l s a n d r e a l i z a t i o n o f t e m p e r a t u r e c o n t r o l a r e d i s c u s i e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r . a t t h e s a m e t i m e , t h e t h e o r i e s o f u s b a n d t h e u s b i n t e r f a c e d e s i g n b a s e d o n p d i u s b d 1 2 a r e a l s o d e s c r i b e d . a t l as t , t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e d e s i g n h a v e b e e n i n t r o d u c e d . e m p l o y i n g t h i s s y s t e m , q u a l i t a t i v e e x p e r i m e n t s a r e c a r r ie d o u t w it h d r i n k s a m p le s i n e x o t e r i c c i r c u m s t a n c e , t h e r e s u l t s s h o w t h e s y s t e m i s s t a b l e , s e n s i t i v e , a n d w i t h g o o d c l a s s i f i c a t i o n p e r f o r m a n c e k e y w o r d s : e l e c t r o n i c n o s e s s y s t e m d y n a m i c d a t a p r o c e s s i n g ko h o n e np o rt a b l e us b 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1引言 气体或气味的定性、定量检测在环境保护、化工控制、家用报警、食品 保 鲜、航空航天和公安海关等行业和领域有着广泛的应用价值。鉴于传统测量手 段和测量仪器的缺陷，研究和开发专门用于气体和气味检测的传感器成为近年 来的热点之一。目 前电子鼻系统在国民经济的多个行业都有较大的需求，以 气 敏元器件为基础的应用技术已被列为国家重点支持和优先发展的技术领域。电 子鼻技术的研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应用数学 以 及各具体应用领域的科学与技术， 具有重要的理论意义和应用前景卜 5 。 电 子鼻， 是模仿生 物嗅 觉系 统而发展起来的 16 -8 1 。 研究发 现人的一个鼻腔中 约有5 0 0 0万个嗅觉细胞，单个嗅觉细胞的生存期一般只有 2 2 天左右， 其灵敏 度并不是很高，选择性也差，而且至今还没有发现只对一种化学成分起反应的 嗅觉细胞。但是，大脑皮层的信号处理系统却能将整个嗅觉系统的选择性、灵 敏度、重复性等性能大大提高，能除去信号漂移。人在吸气时，气味会在彝子 的嗅觉细胞阵列上形成特定的空间分布，随后嗅觉系统用抽象的方式直接完成 分类。通过神经解剖学、神经生理学和神经行为学各个学科的实验研究，确证 嗅球中的每个神经元都参与嗅觉感知，当动物吸入熟悉的气味时，脑电波变得 更为有序，形成一种特殊的空间模式。当没有气味输入时，嗅球系统的脑电波 就表现出低幅混沌状态，低幅混沌状态等价于一种 “ 我不知道”的状态。混沌 能使几百万神经细胞处于一种活性 “ 值班”状态，以 便可以 瞬间转入工作状态， 对嗅觉刺激作出反应。人和其他动物在识别气味的过程中，不必知道这些气味 的 化学组成与浓度， 就可以 在极短的时间内对气味作出判断， 如图1 - 1 所示， 人 类和其它哺乳动物嗅觉系统的结构分为三个层次: 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1引言 气体或气味的定性、定量检测在环境保护、化工控制、家用报警、食品 保 鲜、航空航天和公安海关等行业和领域有着广泛的应用价值。鉴于传统测量手 段和测量仪器的缺陷，研究和开发专门用于气体和气味检测的传感器成为近年 来的热点之一。目 前电子鼻系统在国民经济的多个行业都有较大的需求，以 气 敏元器件为基础的应用技术已被列为国家重点支持和优先发展的技术领域。电 子鼻技术的研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应用数学 以 及各具体应用领域的科学与技术， 具有重要的理论意义和应用前景卜 5 。 电 子鼻， 是模仿生 物嗅 觉系 统而发展起来的 16 -8 1 。 研究发 现人的一个鼻腔中 约有5 0 0 0万个嗅觉细胞，单个嗅觉细胞的生存期一般只有 2 2 天左右， 其灵敏 度并不是很高，选择性也差，而且至今还没有发现只对一种化学成分起反应的 嗅觉细胞。但是，大脑皮层的信号处理系统却能将整个嗅觉系统的选择性、灵 敏度、重复性等性能大大提高，能除去信号漂移。人在吸气时，气味会在彝子 的嗅觉细胞阵列上形成特定的空间分布，随后嗅觉系统用抽象的方式直接完成 分类。通过神经解剖学、神经生理学和神经行为学各个学科的实验研究，确证 嗅球中的每个神经元都参与嗅觉感知，当动物吸入熟悉的气味时，脑电波变得 更为有序，形成一种特殊的空间模式。当没有气味输入时，嗅球系统的脑电波 就表现出低幅混沌状态，低幅混沌状态等价于一种 “ 我不知道”的状态。混沌 能使几百万神经细胞处于一种活性 “ 值班”状态，以 便可以 瞬间转入工作状态， 对嗅觉刺激作出反应。人和其他动物在识别气味的过程中，不必知道这些气味 的 化学组成与浓度， 就可以 在极短的时间内对气味作出判断， 如图1 - 1 所示， 人 类和其它哺乳动物嗅觉系统的结构分为三个层次: 西北工业大学硕士学位论文 ( 1 )初级嗅觉神经元，它由嗅觉细胞和其它嗅觉神经，对气味有很高的灵 敏度，但交叉灵敏度也很高; ( 2 )二级嗅觉神经元 ( 嗅泡) ，它是负责嗅觉信号初级处理的部位，对初 级嗅觉神经元传递过来的信息进行调节、 放大、抑制等，完成信号的特征提取; 图 1 一 1哺乳动物嗅觉机理 ( 3 ) 大脑，它是高级信息处理中心，负责信号的彻底加工，并做出判断。 气味的识别是当前的嗅觉模式与先前学到的 模式相比较后得出识别的结果。 这里需要说明的是嗅觉感受器细胞的灵敏度较低 ( 约 l p p m ) ，但随后嗅泡 内的神经处理将灵敏度提高约三个数量级，并去除漂移，因此某些化合物的嗅 觉闽值非常低， 可达 p p b级。嗅觉细胞的专一性也低， 具有广谱、部分重叠的 特性。由 此可以推断出，模拟生物嗅觉系统不需要专一性很好的气体传感器。 而且这样的传感器实际上很难制造。 对生物嗅觉机理的认识，给人们开发人工嗅觉系统电子鼻提供了极有 用的启发，模拟人类和其它哺乳动物的嗅觉机理，电子鼻的结构也分为三个层 次，如图 1 - 2 所示。 图1 - 2电子鼻的基本构造 电子鼻主要由气体传感器阵列、数据预处理及模式识别等几大部分组成， 气味分子对电子鼻中的气体传感器阵列产生影响，输出相应的信号，输出的信 西北工业大学硕士学位论文 号经加工处理，然后通过模式识别系统作出判断，人工嗅觉和哺乳动物嗅觉机 理的具体关系如下: ( 1 ) 气体传感器阵列 相当于初级嗅觉神经元。由具有广谱响应特性、交 叉灵敏度较大、对不同气味/ 气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常气体传感器 阵列可以 采用数个单独的气体传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作专用 的气敏传感器阵列。这种阵列体积小，功耗低，便于信号的集中采集和处理。 单个气体传感器与传感器阵列在特性上有质的区别，单个气体传感器对气味/ 气 体的响应可用强度来表示，而气体传感器阵列除了得到各个传感器的响应外， 还得到全部传感器组成的多维空间中的响应模式，在环境条件一定的情况下， 阵列上的响应模式与其激励是一一对应的，而这正是电子鼻能对多种 ( 比电子 鼻的传感器阵列中气体传感器的个数多得多) 气味和气体进行辨识的关键所在。 显然传感器的选取并不避讳，反而利用了气体传感器所固有的 “ 交叉敏感”特 性，阵列响应所决定的多维空间能够蕴涵被测气味更多的信息。足够数量的相 互独立的传感器可以提供充分的信息，来表达一种气体的特征，就象从不同角 度得到的图象使我们能够对目 标物体进行重建一样。 ( 2 )传感器信号处理电路 相当于二级嗅觉神经元。对传感器阵列产生的 信号完成非电量到可测电量的转化，或进行传感器信号的放大、转换，得到有 利于后面进一步分析处理的形式，为最后的数据处理模式识别提供原始信号。 ( 3 )模式识别单元相当于动物和人类的大脑。它运用一定的算法完成气 味/ 气体的定性定量识别.电子鼻中模式识别算法有:相关方法、最小二乘法、 聚类方法、主成分分析法、偏最小二乘法、人工神经网络法和模糊逻辑法等。 1 .2便携式电子鼻系统研究现状 利用气味在电极上的氧化一 还原反应研制的第一个“ 电子鼻” 是由w i l k e n s 和 h a t m a n在1 9 6 4年报道的。 b u c k等人利用气味调制电导和d r a v i e k s等人利用 西北工业大学硕士学位论文 号经加工处理，然后通过模式识别系统作出判断，人工嗅觉和哺乳动物嗅觉机 理的具体关系如下: ( 1 ) 气体传感器阵列 相当于初级嗅觉神经元。由具有广谱响应特性、交 叉灵敏度较大、对不同气味/ 气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常气体传感器 阵列可以 采用数个单独的气体传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作专用 的气敏传感器阵列。这种阵列体积小，功耗低，便于信号的集中采集和处理。 单个气体传感器与传感器阵列在特性上有质的区别，单个气体传感器对气味/ 气 体的响应可用强度来表示，而气体传感器阵列除了得到各个传感器的响应外， 还得到全部传感器组成的多维空间中的响应模式，在环境条件一定的情况下， 阵列上的响应模式与其激励是一一对应的，而这正是电子鼻能对多种 ( 比电子 鼻的传感器阵列中气体传感器的个数多得多) 气味和气体进行辨识的关键所在。 显然传感器的选取并不避讳，反而利用了气体传感器所固有的 “ 交叉敏感”特 性，阵列响应所决定的多维空间能够蕴涵被测气味更多的信息。足够数量的相 互独立的传感器可以提供充分的信息，来表达一种气体的特征，就象从不同角 度得到的图象使我们能够对目 标物体进行重建一样。 ( 2 )传感器信号处理电路 相当于二级嗅觉神经元。对传感器阵列产生的 信号完成非电量到可测电量的转化，或进行传感器信号的放大、转换，得到有 利于后面进一步分析处理的形式，为最后的数据处理模式识别提供原始信号。 ( 3 )模式识别单元相当于动物和人类的大脑。它运用一定的算法完成气 味/ 气体的定性定量识别.电子鼻中模式识别算法有:相关方法、最小二乘法、 聚类方法、主成分分析法、偏最小二乘法、人工神经网络法和模糊逻辑法等。 1 .2便携式电子鼻系统研究现状 利用气味在电极上的氧化一 还原反应研制的第一个“ 电子鼻” 是由w i l k e n s 和 h a t m a n在1 9 6 4年报道的。 b u c k等人利用气味调制电导和d r a v i e k s等人利用 西北工业大学硕士学位论文 气味调制接触电位研制的“ 电子鼻” 则在1 9 6 5年也作了 报道。 然而， 作为气味 分 类用的智能化学传感器阵列的概念直到近 2 0年才真正出现在英国 w a r w i c k 大 学 的p e r s a u d等 人 6 1 和日 本日 立 公 司 的i k e g a m i 等 人 17 1 的 文 章中 。 电 子 鼻 这 个 术语约在 8 0年代晚期出现，当时它被专门用于 1 9 8 7年的一个会议 。然后， 1 9 8 9年北大西洋公约组织关于化学传感器信息处理的高级专题讨论会则致力 于人工嗅觉及其系统的设计这个专题 。第一次致力于电子鼻的专题会议是在 1 9 9 0年进行的 (9 1 。 从此， 不仅对电 子鼻的 性能定义和标准、 设计和相关技术 做了 广泛的研究，而且有关应用及仪器化也有相当可观的报道，甚至集成化的 电 子 鼻 也已 有 报道， 显示了良 好的 发 展 前 景 p o t 。 为了 促进电 子 鼻技 术的 交流 和 发展，国际上每年举行一次化学传感器国际学术会议，1 9 9 8年第7 届化学传感 器国 际 学术会议 ( i m c s 一 7 ) 在中国 北京 举行， 欧洲国 家 每年单独举行一次洲际 会议。 表1 - 1一些商品化的电子鼻系统 名称传感器阵列类型传感器 个数 主要应用对象生产厂商与国 别 便携式气味 监测仪 金属氧化物 半导体 6 一般可燃性 气体 美国 智能鼻 f o x 2 0 0 0 金属氧化物 半导体 1 2 一般可燃性 气体 a l p h a公司 法国 模块式传感 器系统 mo s e s 1 1 导电聚合物， 金属 氧化物半导体， 石 英晶振 2 4 橄榄油，有机气 体，塑料，咖啡 t u b i n g e n大学 德国 气味警犬 b h1 1 4 导电聚合物， 金属 氧化物半导体 1 6 一般可燃性气体l e e d s大学 英国 气味分析系 统 a r o m a s c a n 导电聚合物 3 2 食品，化妆品， 包装材料，环保 路易发展公司 英国 西北工业大学硕士学位论文 随着科技的日 益发展，人工嗅觉电子鼻系统也得到子决速的发展。九十年 代末，已经有不少电子鼻系统作为产品进入了市场。如英国 a r o m a s c a n公司的 “ 数字气味分析系统” ， 法国 a p h a m o s s a公司的 f o x 2 0 0 0系统和英国 n e o t r o n i c s s c i e n t i f i c l t d公司的n o s e系统 1 1 1 ， 如表1 - 1 所示。 并在英国的威士 忌酒及烟草的检测、日本清酒的质量评定、意大利橄榄油的质量等级判别、俄 罗斯在毒品检查等方面得到了大量的应用，有很好的效果。 但这些系统普遍存在体积庞大， 价格昂贵的缺点。 如a r o m a s c a n公司的“ 数 字气味分析系统”市场报价在人民币一百万元以上 ( 8 - 9万英镑) 。因此，目 前 的研究方向就是要将电子鼻从工业用途中推广开来，实现其低成本和小型化， 使其能够广泛地应用到人们的日常生活中去。 2 0 0 1 年， c y r a n o s c ie n c e s 公司已 在 市 场 上 推出 获 得 专利 权的 便携 式电 子 鼻 系统。经训练后，该系统能识别单一化学品的气味。对某种特定化学品对该仪 器进行 “ 训练”时，只需按一下仪器的按钮，将目 标蒸气加入仪器中，每种蒸 气产生一种气味印 痕 ( s m e l l p r i n t ) ， 该仪器将“ 记住” 并在下次闻到 这种化学品的 气味时将其 “ 识别”出来。这种便携式装置具有广泛的用途，到目 前为止，该 仪器己成功地用于识别出槽车中的溶剂，汽油中含有的添加剂、清洗剂、污染 物、 催化剂及其它成分 1 2 1 2 0 0 2年，德国科学家研制成功一种新型便携式电子鼻，该电子鼻可以 在工 业生产过程中进行气味监测，精确分析某些环境成分的变化，及时发现危险气 体泄露等险情，找到气味变化的根源 1 3 1 2 0 0 4年，阿根廷布宜诺斯艾利斯大学研制出的电子鼻，可以帮助使用者鉴 别葡萄酒的好坏。只要将一根针状探测头插入葡萄酒瓶上的软木塞，再将其连 接到电脑上，电子鼻就可以通过检测酒瓶内的气体，精确地分析出葡萄酒的酸 碱度和酒的醇度1 1 4 1 据有关电子鼻市场方面的调查，其市场额正逐年扩大。用于工业生产线质 量控制和在线检测的较大型电子鼻系统一般售价为 1 0至2 0 万美元，而便携式 西北工业大学硕士学位论文 电子鼻系统一般售价为5 0 0 0 美元左右。可以 预见，能够广泛地运用到人们日常 生活中的小型电子鼻系统有着非常广阔的 应用前景，例如在冰箱上装备电子鼻， 能帮人们分辨冰冻几天后的食品是否依然新鲜，或是运用到化妆品行业中，帮 顾客确定哪种润肤霜更适合自己。 1 .3动态测量方法的提出背景和研究现状 在过去的人工嗅觉系统中，经常在环境温度、湿度以及对象气体的扩散速 度等外在条件处于稳定的条件下，将传感器阵列工作于对某一种气体比较敏感 的工作温度区域进行稳态测量，也就是说，传感器阵列的工作温度是恒定在某 个我们认为是最敏感于某种对象检测的范围。在这一特定的工作温度中，传感 器阵列中的各传感器将对对象气体产生不同的响应数据，然后将这组数据进行 信号处理和模式分类。 这种方法的使用在对某些物体的检测辨别有很好的效果， 但是，这种方法往往需要大量的传感器， 对于含有复杂成分的气体，这种方法 就显得力不从心了。 为了避免这种后果，又可以得到所有原始对象气体的全部信息，因此我们 采用了一种新的全过程信息动态采集方法。通过对金属氧化物传感器表面薄膜 纳米颗粒的大量研究工作，我们认为，气敏传感器采集信号的过程，实际上是 气敏传感器对气体分子吸附脱附的过程。随着气敏传感器工作温度的变化和被 测气体浓度的不同，气体分子的吸附脱附处于不同的动态平衡当中，因而气敏 传感器产生了不同的响应值。过去使用的传感器稳态检测方法，实际上只是采 用了这一传感器对于对象气体在特定温度点时吸附脱附而产生的响应值，而当 我们采用以 下的动态检测方法时， 使传感器工作温度在对混合气体灵敏区间内 进行连续变化，这就产生了一个传感器的连续变化曲线。这一连续曲线反映的 是传感器在不同的工作温度下，传感器表面对气体分子吸附脱附而产生的不同 的响应值。这样，如果控制好一定的采样频率和工作温度变化曲线，每一个传 西北工业大学硕士学位论文 电子鼻系统一般售价为5 0 0 0 美元左右。可以 预见，能够广泛地运用到人们日常 生活中的小型电子鼻系统有着非常广阔的 应用前景，例如在冰箱上装备电子鼻， 能帮人们分辨冰冻几天后的食品是否依然新鲜，或是运用到化妆品行业中，帮 顾客确定哪种润肤霜更适合自己。 1 .3动态测量方法的提出背景和研究现状 在过去的人工嗅觉系统中，经常在环境温度、湿度以及对象气体的扩散速 度等外在条件处于稳定的条件下，将传感器阵列工作于对某一种气体比较敏感 的工作温度区域进行稳态测量，也就是说，传感器阵列的工作温度是恒定在某 个我们认为是最敏感于某种对象检测的范围。在这一特定的工作温度中，传感 器阵列中的各传感器将对对象气体产生不同的响应数据，然后将这组数据进行 信号处理和模式分类。 这种方法的使用在对某些物体的检测辨别有很好的效果， 但是，这种方法往往需要大量的传感器， 对于含有复杂成分的气体，这种方法 就显得力不从心了。 为了避免这种后果，又可以得到所有原始对象气体的全部信息，因此我们 采用了一种新的全过程信息动态采集方法。通过对金属氧化物传感器表面薄膜 纳米颗粒的大量研究工作，我们认为，气敏传感器采集信号的过程，实际上是 气敏传感器对气体分子吸附脱附的过程。随着气敏传感器工作温度的变化和被 测气体浓度的不同，气体分子的吸附脱附处于不同的动态平衡当中，因而气敏 传感器产生了不同的响应值。过去使用的传感器稳态检测方法，实际上只是采 用了这一传感器对于对象气体在特定温度点时吸附脱附而产生的响应值，而当 我们采用以 下的动态检测方法时， 使传感器工作温度在对混合气体灵敏区间内 进行连续变化，这就产生了一个传感器的连续变化曲线。这一连续曲线反映的 是传感器在不同的工作温度下，传感器表面对气体分子吸附脱附而产生的不同 的响应值。这样，如果控制好一定的采样频率和工作温度变化曲线，每一个传 西北工业大学硕士学位论文 感器都将得到含有数倍于稳态检测方法所得到的信息的周期性连续变化曲线。 也就是说，每一只传感器将代表了一组不同灵敏度的传感器。 一个典型的电子鼻动态特征信息处理系统可以分为如下三个部分: 1 ) 调节加热器，以改变半导体气体传感器的工作温度，使传感器工作在动 态温度条件下; 2 )以一定的频率记录传感器的输出数据; 3 )结合适当的模式识别算法来进行分析，得出试验结果。 因此，动态信息研究方法得到了人们的普遍重视，国内外的研究人员已经 做了大量的研究工作。早在1 9 9 7 年，日 本名古屋大学信息研究所的y o k a t o教 授就提出了通过温度依赖动态响应特性来定性和定量识别气体p 5 1 。之后，奈良 教育大学化学系的s a t o s h i n a t a k a 教授研究了 在有干扰气体存在的条件下， 基于 非线性动态响 应的 样本气体识别 6 1 0 1 9 9 9 年， w a r w i c k 大学教 授j .w .g a r d n e r 提 出 了 有关 气体识 别的 动态 模型的 建 立 7 1 . k o n i s h i 等人 研究了 可 燃 性气 体 在s n o 2 薄膜气敏器件上工作函数的变化。 i e e e联合成员e d u a r d l l o b e t 在2 0 0 1 年提出 一种新的基于二氧化锡传感器和动态模式识别技术的多组分气体混合物分析方 法， 成功识别了c o和n 0 2 ， 准确率 达到1 0 0 % e 2 0 0 3 年， 中国 科技大 学化学 系的黄行九等人研究了基于单一s n o 2 气体传感器的动态响应的 农药残余物定量 分析1 9 1 。 浙江大学生 物医学 工程系的于 鹏、陈裕泉等人采用动态工作 温度全程 信号采集的方法，结合径向基神经网络， 根据两类传感器的特性，利用针对白 酒优化的金属氧化物气体传感器阵列，进行白酒种类的鉴别实验，识别率达到 了9 8 % 2 0 1 0 1 . 4在这个领域已做的研究 我们从2 0 0 1 年开始做电子鼻研究，至今已在核心刊物上发表了多篇关于电 子鼻系统环境响 应特性分析和动态响应特性分 析的文章2 1 -2 3 1 ， 并 提出了 新的 信 西北工业大学硕士学位论文 感器都将得到含有数倍于稳态检测方法所得到的信息的周期性连续变化曲线。 也就是说，每一只传感器将代表了一组不同灵敏度的传感器。 一个典型的电子鼻动态特征信息处理系统可以分为如下三个部分: 1 ) 调节加热器，以改变半导体气体传感器的工作温度，使传感器工作在动 态温度条件下; 2 )以一定的频率记录传感器的输出数据; 3 )结合适当的模式识别算法来进行分析，得出试验结果。 因此，动态信息研究方法得到了人们的普遍重视，国内外的研究人员已经 做了大量的研究工作。早在1 9 9 7 年，日 本名古屋大学信息研究所的y o k a t o教 授就提出了通过温度依赖动态响应特性来定性和定量识别气体p 5 1 。之后，奈良 教育大学化学系的s a t o s h i n a t a k a 教授研究了 在有干扰气体存在的条件下， 基于 非线性动态响 应的 样本气体识别 6 1 0 1 9 9 9 年， w a r w i c k 大学教 授j .w .g a r d n e r 提 出 了 有关 气体识 别的 动态 模型的 建 立 7 1 . k o n i s h i 等人 研究了 可 燃 性气 体 在s n o 2 薄膜气敏器件上工作函数的变化。 i e e e联合成员e d u a r d l l o b e t 在2 0 0 1 年提出 一种新的基于二氧化锡传感器和动态模式识别技术的多组分气体混合物分析方 法， 成功识别了c o和n 0 2 ， 准确率 达到1 0 0 % e 2 0 0 3 年， 中国 科技大 学化学 系的黄行九等人研究了基于单一s n o 2 气体传感器的动态响应的 农药残余物定量 分析1 9 1 。 浙江大学生 物医学 工程系的于 鹏、陈裕泉等人采用动态工作 温度全程 信号采集的方法，结合径向基神经网络， 根据两类传感器的特性，利用针对白 酒优化的金属氧化物气体传感器阵列，进行白酒种类的鉴别实验，识别率达到 了9 8 % 2 0 1 0 1 . 4在这个领域已做的研究 我们从2 0 0 1 年开始做电子鼻研究，至今已在核心刊物上发表了多篇关于电 子鼻系统环境响 应特性分析和动态响应特性分 析的文章2 1 -2 3 1 ， 并 提出了 新的 信 西北工业大学硕士学位论文 号预处理及模式识别方法。 在研究基于传感器温度动态响应信息和 k o h o n e n算法的葡萄酒定性识别方 法时，提出了一种新的数据预处理方法 差值抵消法2 4 1 。该方法选用一种酒 的样本数据作为基准，其它样本数据与之相减，再将得到的数据采用传统的去 直流和归一化方法进行处理。经过这一预处理过程，使传感器对酒精及其它干 扰的敏感性显著降低，其数值大小仅仅或主要反映葡萄酒的性质信息。同时， 结合k o h o n e n 算法使对5 种不同品牌的葡萄酒样本的识别准确率达到1 0 0 %. 在研究将b p 网络用于电 子鼻定性识别葡萄酒时， 我们提出了将电子鼻动态 信息结合多b p 子网络这一新的模式识别方法。在这个多模式结构中，子网络最 大限度的逼近被学习样本的函数，使各个样本间细微的特征差别得到体现。电 子 鼻 动态 特 征 信息结 合 该方 法 仍能 够 使 葡 萄 酒的 定 性识 别率 达 到1 0 0 % 2 5 ) . 已有研究成果表明，利用传感器对样本的动态响应特性分析样本的思路是 正确可行的。将样本的动态响应信息结合有效的信号预处理与模式识别方法， 能够有效改善系统的性能， 提高系统的识别能力和分析精度。 1 . 5论文内 容 本文针对电子鼻系统识别的准确性以及易用性这两个发展方向作出了自己 的研究。主要工作为设计一个基于动态信息处理的便携式电子鼻系统。 本文的文章结构为: 1 .绪论:主要阐述论文的工作背景及意义。首先简单介绍了电子鼻系统的 应用背景，总结了便携式电子鼻的研究现状:然后讲述了动态信息处理方法的 提出背景;最后，对本文的结构进行介绍。 2 .电子鼻系统的数学基础:详细介绍电子鼻的系统组成，并结合自 组织映 射神经网络提出新的数据预处理方法。 3 .动态信号的提取:讲述动态信息处理方法在电子鼻中的应用后，介绍了 西北工业大学硕士学位论文 号预处理及模式识别方法。 在研究基于传感器温度动态响应信息和 k o h o n e n算法的葡萄酒定性识别方 法时，提出了一种新的数据预处理方法 差值抵消法2 4 1 。该方法选用一种酒 的样本数据作为基准，其它样本数据与之相减，再将得到的数据采用传统的去 直流和归一化方法进行处理。经过这一预处理过程，使传感器对酒精及其它干 扰的敏感性显著降低，其数值大小仅仅或主要反映葡萄酒的性质信息。同时， 结合k o h o n e n 算法使对5 种不同品牌的葡萄酒样本的识别准确率达到1 0 0 %. 在研究将b p 网络用于电 子鼻定性识别葡萄酒时， 我们提出了将电子鼻动态 信息结合多b p 子网络这一新的模式识别方法。在这个多模式结构中，子网络最 大限度的逼近被学习样本的函数，使各个样本间细微的特征差别得到体现。电 子 鼻 动态 特 征 信息结 合 该方 法 仍能 够 使 葡 萄 酒的 定 性识 别率 达 到1 0 0 % 2 5 ) . 已有研究成果表明，利用传感器对样本的动态响应特性分析样本的思路是 正确可行的。将样本的动态响应信息结合有效的信号预处理与模式识别方法， 能够有效改善系统的性能， 提高系统的识别能力和分析精度。 1 . 5论文内 容 本文针对电子鼻系统识别的准确性以及易用性这两个发展方向作出了自己 的研究。主要工作为设计一个基于动态信息处理的便携式电子鼻系统。 本文的文章结构为: 1 .绪论:主要阐述论文的工作背景及意义。首先简单介绍了电子鼻系统的 应用背景，总结了便携式电子鼻的研究现状:然后讲述了动态信息处理方法的 提出背景;最后，对本文的结构进行介绍。 2 .电子鼻系统的数学基础:详细介绍电子鼻的系统组成，并结合自 组织映 射神经网络提出新的数据预处理方法。 3 .动态信号的提取:讲述动态信息处理方法在电子鼻中的应用后，介绍了 西北工业大学硕士学位论文 系统采用的集成传感器阵列及用其进行动态信号的采集方法。 4 . u s b总线简介:简单介绍了u s b总线架构及协议。 5 .系统硬件设计:详细讲述了系统的硬件组成。 6 .系统软件实现:详细讲述了系统的软件流程。 7 .试验结果及分析:介绍了利用设计的便携式电子鼻系统进行饮料识别的 实验步骤并分析了实验结果。 8 .论文工作总结:总结了论文所做的工作、创新之处及后续工作。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电子彝系统数学基础 2 . 1电子鼻系统结构简介 电子鼻在功能和结构上模拟人类和其它哺乳动物的嗅觉系统，用以完成气 体或气味的定性定量识别。 同义词，如人工鼻、机械鼻 以前术语 “ 电子鼻”没有正式定义，故一度有多个 、神经鼻、嗅觉传感系统，甚至芯片鼻。1 9 9 4 英国w a r w i c k 大学的j . w .g a r d n e r 在 s e n s o r s a n d a c t u a t o r s ) 上发表文章， 使用术语 “ 电子鼻” ，并给出如下定义: 年， 正式 “ 由性能彼此重叠的阵列化学传感器( 简称气体传感器阵列) 组成的电子仪 器， 通过传感器的部分专一性和系统的模式识别功能，来识别简单或复杂气味” ( a n e l e c t r o n i c n o s e i s a n i n s t r u m e n t , w h ic h c o m p r i s e s a n a r r a y o f e l e c t r o n ic c h e m i c a l s e n s o r s w i t h p a rt i a l s p e c i f i c i t y a n d a n a p p r o p r i a t e p a t t e m r e c o g n i t i o n s y s t e m c a p a b l e o f r e c o g n i z i n g s i m p l e o r c o m p l e x o d o u r s .) . 电子鼻系统的基本结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1电子鼻的基本结构 2 . 1 . 1常用气体传感器介绍 气体传感器是指能够将被测气体转化为与其成一定关系的电量输出的装置 和器件。 对于阵列上所用的气体传感器，不要求它有很强的选择性，而要求它 西北工业大学硕士学位论文 第二章电子彝系统数学基础 2 . 1电子鼻系统结构简介 电子鼻在功能和结构上模拟人类和其它哺乳动物的嗅觉系统，用以完成气 体或气味的定性定量识别。 同义词，如人工鼻、机械鼻 以前术语 “ 电子鼻”没有正式定义，故一度有多个 、神经鼻、嗅觉传感系统，甚至芯片鼻。1 9 9 4 英国w a r w i c k 大学的j . w .g a r d n e r 在 s e n s o r s a n d a c t u a t o r s ) 上发表文章， 使用术语 “ 电子鼻” ，并给出如下定义: 年， 正式 “ 由性能彼此重叠的阵列化学传感器( 简称气体传感器阵列) 组成的电子仪 器， 通过传感器的部分专一性和系统的模式识别功能，来识别简单或复杂气味” ( a n e l e c t r o n i c n o s e i s a n i n s t r u m e n t , w h ic h c o m p r i s e s a n a r r a y o f e l e c t r o n ic c h e m i c a l s e n s o r s w i t h p a rt i a l s p e c i f i c i t y a n d a n a p p r o p r i a t e p a t t e m r e c o g n i t i o n s y s t e m c a p a b l e o f r e c o g n i z i n g s i m p l e o r c o m p l e x o d o u r s .) . 电子鼻系统的基本结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1电子鼻的基本结构 2 . 1 . 1常用气体传感器介绍 气体传感器是指能够将被测气体转化为与其成一定关系的电量输出的装置 和器件。 对于阵列上所用的气体传感器，不要求它有很强的选择性，而要求它 西北工业大学硕士学位论文 具有广谱响应特性并且对特定种类的气味或气体具有一定程度的择优响应。使 用这些具有重叠响应特性的气体传感器组成的阵列可以获得对特定气味或气体 的专一性，从而产生描述单一刺激物的特征模式。 阵列中的气体传感器需要具有以下的特性: 对单一气体或气味不需要高度专一性，而是具有广谱响应的特性，但是 对特定种类的化合物要有一定程度的择优响应特性: 使用这些响应特性有差别的，但是有重叠响应特性的非专一性的传感器 组合可以获得对特定化学物质的专一性，这样可以得到描述单一化学物 质的特征模式; 理想条件下对一种化学物质的不同浓度的响应应该是单调的; 。 对被测气体的反应应该是快速的和可逆的， 而且应该稳定、可靠、重复 j性好; 传感器产生的信息应该是单调的，易于处理的。 气体传感器是电子鼻的关键部分，适合于组成阵列的气体传感器有: ( 1 ) 金属氧化物半导体气体传感器。由金属氧化物如s n 0 2 , z n o , f e 2 0 3 , t i 0 2 , wo 。 等作为半导体气敏元件制作的气体传感器，是目前世界上生产和应 用最多的一类气体传感器，它是利用气体与半导体接触引起半导体性质 ( 如电 阻)发生变化而测量气体的。它对气体和气味 ( 尤其是可燃性气体和某些有毒 气体)具有较高的灵敏度，具有制作简单、成本低廉、响应速度快等优点，但 存在对气体和气味选择性差、元件参数分散、使用时要加热等缺点。通过在半 导体内加入少量的p t , p b , a u 等贵金属催化剂，改善制作工艺、改变工作温度 可以在一定程度上提高灵敏度和选择性。 ( 2 )有机半导体气体传感器。利用有机材料如酞化管制作气体传感器己 有 很长一段时间，电子鼻中使用有机材料传感器有以下潜在优点:材料的选择范 围广得多，而且与不同种类气味分子起作用的重要官能团可以嵌入活性材料， 导电聚合物 ( 如聚毗咯和聚苯胺)和生物脂涂层就是两个主要地例子。这些传 西北工业大学硕士学位论文 感器可以在接近室温的条件下工作。 ( 3 )固体电解质气体传感器。这是产量仅次于金属氧化物半导体气体传感 器的一类气敏元件。它以离子占绝对优势的固体电解质为原料，制成各种结构 的电化学电池。如由稳定氧化钻等固体电解质和铁电极构成电化学电池，可以 装在各种窑炉的烟囱里测量氧的浓度，用以分析和改善窑炉燃烧情况。这种传 感器叫l a m b d a 传感器，是最早的固体电解质氧传感器。 ( 4 ) 质量型气体传感器。 振荡电路中的石英压电晶体是灵敏的质量检测器。 如果石英压电晶体的表面涂上可逆的气味/ 气体吸附材料，就可以得到简单的气 味/ 气体检测器，吸附的气体分子增加了 石英的质量，从而降低了振荡频率。因 而振荡频率的变化是特定气味/ 气体浓度的线性函数。但这种气敏传感器测试范 围小，受环境因素影响较大。另一种质量型气敏传感器是声表面波器件，他测 量的是气味/ 气体吸附膜中建立起来的持续波的扰动，具有灵敏度高、信号易于 处理、功耗低等优点。 ( 5 ) l - b膜气敏传感器。l - b技术是一种有机高分子单分子膜堆积技术， 即在水气界面上将分子加以紧密排列， 然后转移到固体载体上的技术。 l - b膜极 薄，用它作为传感器的基质，加上识别系统，可研制出相应速度快、灵敏度高、 性能 优异的气体传感器。 这种传感器可在常温下使用，并能与平面硅微技术兼 容，易于实现小型化、集成化。 随着新材料技术和传感器技术的的发展， 将会不断地有新的性能更优异的 气体传感器被研制出来1 3 1 ; 2 . 1 . 2气体传感器阵列 只对一种气味分子有敏感响应即具有理想选择性能的气敏器件是不存在 的。 假设用两种气体传感器测量由 两种浓度分别为c 1 . c 2 的简单成分组成的混 合气体，随着相对体积分数的变化， 可得到两条不等的响应曲 线。一般地说， 即使有标准参考气体，由单个传感器的响应也不能推断某种气体的存在，而由 西北工业大学硕士学位论文 感器可以在接近室温的条件下工作。 ( 3 )固体电解质气体传感器。这是产量仅次于金属氧化物半导体气体传感 器的一类气敏元件。它以离子占绝对优势的固体电解质为原料，制成各种结构 的电化学电池。如由稳定氧化钻等固体电解质和铁电极构成电化学电池，可以 装在各种窑炉的烟囱里测量氧的浓度，用以分析和改善窑炉燃烧情况。这种传 感器叫l a m b d a 传感器，是最早的固体电解质氧传感器。 ( 4 ) 质量型气体传感器。 振荡电路中的石英压电晶体是灵敏的质量检测器。 如果石英