化学传感器及电子鼻技术

1、化学传感器及电子鼻技术主要内容1、化学传感器2、金属氧化物的电子电导传感器3、电子鼻技术4、模式识别 人工神经网络本章小结2022/9/16 1、化学传感器 定义：将一种化学状态（分析信息“pi”如含量、分 压、液体或气体状态中原子、分子、离子 和粒子“i”的放射性和挥发性）转化为一种 电信号 S（传感器响应）的电子元件。 分类：图3.1和表 3.12022/9/162022/9/162022/9/162022/9/16 化学传感器举例及原理简介（1）用于探测空气中 CO 含量 具有液态电解液的电流式 CO传感器；（2）通过固态电解液的电势测量确定平衡氧气分压的探头；（3）基于氧化催化剂上热反

2、应测量还原气体的球状热量传感器；（4）借助于一定的玻璃薄膜确定富水溶液中中子活性的 pH 离子敏感电极；（5）用氧化栅确定质子活性的离子敏感场效应三极管（ISFET）；（6）确定水中氧气含量的 Clark 电极；（7）通过导电率测量探测气体报警系统中还原气体的 Taguchi SnO2 传感器。2022/9/162022/9/162022/9/162022/9/162022/9/162022/9/162、金属氧化物的电子电导传感器 电子电导传感器主要用于检测可燃气体： H2 50 ppm CH4, C3H8, C4H10 500 ppm CO 50 ppm NH3 30 ppm H2S 5 p

3、pm 基于添加SnO2的传感器已批量生产。2022/9/162022/9/162022/9/162022/9/163、电子鼻技术（1）什么是电子鼻？（2）电子鼻技术的发展历史（3）电子鼻技术的基本原理（4）电子鼻技术的研究现状与前景2022/9/16（1）什么是电子鼻？电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，它可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的气味状况。电子鼻主要由气味取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统三种功能器件组成。电子鼻识别的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度。例如：一号气体可在某个传感器上产生高响应，而对其他传感

4、器则是低响应；同样，二号气体产生高响应的传感器对一号气体则不敏感。归根结底，整个传感器阵列对不同气体的响应图案是不同的，正是这种区别，才使系统能根据传感器的响应图案来识别气体。2022/9/16（2）电子鼻技术的发展历史由于气体传感器的交叉敏、选择性差等缺点，单一传感器往往对被测环境中的各种气体敏感，因而很难有选择地测量出某种气体的成分和含量。电子鼻技术是解决这一问题的有效途径，它正是利用各个气敏器件对复杂成分气体都有响应却又互不相同这一特点，借助数据处理方法对多种气味进行识别，从而对气味质量进行分析与评定。1982年，英国学者Persuad和Dodd用3个商品化的SnO2气体传感器（TGS

5、813、812、711）模拟哺乳动物嗅觉系统中的多个嗅感受器细胞对戊基醋酸酯、乙醇、乙醚、戊酸、柠檬油、异茉莉酮等有机挥发气进行了类别分析，开创了电子鼻研究之先河。2022/9/161989年，在北大西洋公约组织的一次关于化学传感器信息处理会议上，对电子鼻做了如下定义: “电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。”随后，于1990年举行了第一届电子鼻国际学术会议。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。电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问。其研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应

6、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。其中传感器技术和计算机技术处于当今科学技术研究和发展的前沿。 2022/9/16商品化的电子鼻2022/9/16 电子鼻的工作可简单归纳为：传感器阵列 信号预处理 神经网络和各种算法 计算机识别（气体定性定量分析）。从功能上讲，气体传感器阵列相当于生物嗅觉系统中的大量嗅感受器细胞，神经网络和计算机识别相当于生物的大脑，其余部分则相当于嗅神经信号传递系统。（3）电子鼻技术的基本原理2022/9/16阵列化气体传感器电子鼻系统中，传感器及其阵列是电子鼻的关键，它的功能是把不同的气味分子在其表面的化学作用转化为可测的电信号。传感器阵

7、列可以采用数个单独的气敏传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作专门的气敏传感器阵列。后者体积小、功耗低、便于信号的集中采集与处理。 A CMOS monolithically integrated gas sensor array with electronics for temperature control and signal interfacing 2002 Spain（4）电子鼻技术的研究现状与前景2022/9/16电子鼻敏感材料必须具备两个基本条件：（1） 对不同的气味均有响应，即通用性要强，要求对成千上万 种不同的嗅味能在分子水平上作出鉴别；（2）与嗅味分子的相互作用或反应必须是

8、快速、可逆的，不产 生任何 “记忆效应” 。2022/9/16 金属氧化物型传感器已被普遍应用在电子鼻中。最常见的材 料有锡、锌、钛、钨和铱的氧化物，并掺入像铂和钯等贵金 属催化剂。 酞菁类聚合物是有机半导体敏感材料的代表，它们所具有的 环状结构使得吸附气体分子与有机半导体之间产生电子授受 关系。不同的酞菁聚合物可选择如真空升华技术、LB膜技 术、旋涂技术和自组织膜技术（SA）等制膜技术在检测器件 上制得薄膜型气敏元件，并可制得传感器阵列，使其与计算 机模式识别技术结合使用。 聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、胡萝卜素等近年来也被用作有 机半导体气敏材料受到人们关注。2022/9/16 传感器阵列的模拟输

9、出经/转换为数字信号，输入计算机中的数据处理和模式识别系统 ，被测嗅觉的强度既可用每个传感器的输出的绝对电压、电阻或电导来表示，也可用相对信号值如归一化的电阻或电导值，即它们的变化率来比较嗅味的性质。 传感器阵列的数据采集系统传感器阵列数据采集系统2022/9/164、模式识别 人工神经网络（1）模式识别处理传感器阵列输出的信号经专用软件采集、加工、处理后，利用多元数据统计分析方法、神经网络方法和模糊方法将多维响应信号转换为感官评定指标值或组成成分的浓度值，得到被测气味定性分析结果的智能解释器。早期的电子鼻多用主成分分析、多元线性拟合、模板匹配、聚类等数据处理方法。2022/9/16（2）模式

10、识别 人工神经网络由于气体传感器的响应与被测气体体积分数之间的关系一般是非线性的，现在的电子鼻系统多用神经网络方法和最小二乘法。近些年发展起来的人工神经网络（artificial neural networkANNs）由于具有很强的非线性处理能力及模式识别能力而得到了广泛的应用。神经网络通过学习自动掌握隐藏在传感器响应和气味类型与强度之间的、难以用明确的模型数学表示的对应关系。许多统计技术和ANNs是互为补充的，所以常常与ANNs联合使用，以得到一组比用单个技术得到的数据更加全面的分类和聚类。这类统计学或化学计量学方法包括主分量分析，部分最小平方法，辨别分析法，辨别因子分析法和聚类分析法等。2

11、022/9/16人 工 神 经 网 络图3. 脑细胞神经元 图4. 人工神经网络神经元The brain uses massively parallel computation 1011 neurons in the brain 104 connections per neuron input Mathematical Functions output2022/9/16 人工神经网络法是接近人类大脑思维方法的一种算法，它通过大量简单的处理单元即神经元广泛地互为连接而形成复杂的网络系统，可以通过训练学习外部环境。 图5.多层神经网络2022/9/16 气 体 定 性 分 析 自组织特征映射网络（

12、Self-organizing Feature Map Network）是一种基于无监督学习方法（没有目标输出）的人工神经网络，只有输入层和输出层两层。自组织特征映射网络经过学习，能够以权的形式记忆输入样本，并将相似的输入样本映射到输出层的邻近节点上，从而完成输入样本的自动分类（聚类）。当未知输入样本应用到训练后的网络时，网络输出层的拓扑映射网络结构可以反映出输入样本的性质或类别。2022/9/16图7. SOM网络学习后输入层 拓扑映射（西北工业大学） 图6. SOM网络基本结构2022/9/16气 体 定 量 分 析混合气体定量分析理论模型2022/9/16 设混合气体中共有 m 种成分，

13、浓度分别为 C1，C2，Cm，气体传感器阵列的维数为 n，则其响应模式为 R = F（C）。前馈神经网络承担模式识别任务，它接受气体传感器阵列的输出模式，经过运算处理，决策出被测介质中各成分的浓度。 设神经网络的映射关系为 Y = H（R）， 显然，要使 Y = C， 必使 H = F-1系统的测量精度取决于神经网络的映射能力。2022/9/16 前馈神经网络是一种基于监督学习（有目标输出）的人工神经网络，它能够通过学习已知样本而掌握经验，从而对未知样本作出判别。前馈神经网络的学习算法通常采用反向传播算法（Back-Propagation)，简称BP算法。该学习算法是用网络的实际输出与目标输出

14、的误差来修改网络的连接权和阈值，使实际输出与要求的值尽可能接近。BP人工神经网络2022/9/16美国 1995 Development of chemical sensors using microfabrication and micromachinig techniques 2022/9/162022/9/162022/9/16 2001 美国 Micromachined polymer-based chemical gas sensor array 2022/9/16 在电子鼻系统的研究中，目前十分引人关注的 3 个方面： 1) 研究对微量气体分子瞬时敏感的检测器，以得 到与气体化学成分相对应的信号； 2) 研究对检测得到的信号进行识别与分类的数据 处理器，以便将有用信号与噪声加以分离； 3) 研究将测量数据转换为感官评定指标的智能解 释器，以得到与人的感官感受相符的结果。2022/9/16电子鼻具有便携及实时、在线、原位分析等特点，可