本文關鍵詞：電子鼻動態(tài)模式信息采集電路設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 18 卷 第 4 期 2005 年 12 月

傳 感 技 術 學 報
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACT UATORS

Vol. 18 No. 4 Dec. 2005

Design of Electric Circuit for Dynamic Model Infor

mation Collection in Electronic Nose
DAI H ong 2de, YAN G J ia n2hua , D U X in2hu, WAN G H a n, WAN Mi2na
( Coll eg e of Au tomati on, N or th Western Pol yt echni cal Uni versi ty , Xic an 710072, China)

Abstr act: The dynamic det ection t echnology is a hot direction of elect ronic nose. The circuit of hardware that can change t he par amet er of t he cir cumstance is t he key in dynamic det ect ion. Controlling model of temperature aut omat ically and picking up model of signal are designed in order t o suit for t he dynamic measure. T he first model can heat oxide semiconduct or gas sensor array dynamicall y. Applying t his dy2 namic heat circuit to t he experiment at ion syst em of elect ronic nose, we did t he ident ificat ion experiment of three kinds of soft drinks under differ ent condit ion. Result s show t hat precise rat io of recognition reaches 100% . Key words: electronic nose; pulse widt h modulat ion; gas sensors array; pat t ern recognit ion EEACC: 7230L

電子鼻動態(tài)模式信息采集電路設計
戴洪德, 楊建華, 杜新虎, 王 晗, 王米娜

( 西北工業(yè)大學自動化學院 , 西安 710072)

摘 要 : 動態(tài)檢測技術在電子鼻中的應用 是國內外電子鼻研究 的一個 前沿熱點 , 實 現動態(tài) 檢測的關 鍵是能 使電子 鼻的環(huán) 境
參數能動態(tài)變化的硬件電路。為了滿足動態(tài)測量的需要 , 設計 了能對 半導體 氧化物 氣體傳 感器陣列 進行動 態(tài)加熱 的自動 溫 控模塊和氣體傳感器的信號拾取模塊 , 以便滿 足動態(tài)測量的 需要 , 把該動 態(tài)加熱 電路應 用到電 子鼻實 驗系統(tǒng) 中 , 對 三種不 同 的飲料樣本在不同的條件下進行反復實驗 , 識 別的準確率均達到 100% 。

關鍵詞: 電子鼻; 脈寬調制; 氣體傳感器陣 列; 模式識別 中圖分類號: TP277 文獻標識碼 : A 文章編號 : 1005 29490( 2005) 0420722 204 傳統(tǒng)的電子鼻氣味識別的基本原理是: 氣體傳 感器 i 對氣味 j 的響應是一個與 時間相關的電信 號 , 工作時采 集氣體傳感器的穩(wěn)態(tài)響 應值 vij , 由 n 個傳感器組成的陣列對氣味的響應是 n 維狀態(tài)空間 的一個向量 v( n) = ( v1 j , v 2j , vnj ) , 實驗 m 次, 則得到 一個 m @n 的矩陣。利用這組數據即可進行氣味的 識別。此方法最大的缺陷是 : 當電子鼻系統(tǒng)確定后, 每次實驗所得到的關于被測氣體的信息就是一個確

基于集成氣體傳感器陣列和多傳感器信息融 合技術的氣體/ 氣味識別系統(tǒng) ) ) ) 電子鼻, 又稱人工 嗅覺系統(tǒng) , 是利用單一氣體傳感器對氣體響應的非 專一性和對特定氣體 / 氣味的擇優(yōu)響應特性, 根據實 際應用, 將多個單一氣敏元件優(yōu)化組合 , 構成氣體傳 感器陣列 , 利用陣列的多維空間氣體響應模式 , 結合 先進的信息融合算法對氣體/ 氣味進行定性定量識 別 。
收稿日期 : 20052 012 24
[ 1]

基金項目 : 西北工業(yè)大學英才計劃和 2003~ 2004 本科畢業(yè)設計重點扶持項目資助。 作者簡介 : 戴洪德 ( 19812) , 男 , 碩士研究生 , 主要從事智能檢測與虛擬儀器方面的研究 , dihod@ 126. com; 楊建華 ( 19672) , 女 , 副教授 , 博士 , 主要從事計算機測量與控制 , 氣體與光學傳感器等方面的研究 , yangjianhua@ hotmail. com 1

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定的 n 維向量 , 只能提供很有限的被測氣味的信息, 制約了識別精度的進一步提高 , 如想加大信息量, 必 須增加陣列中傳感器數量, 而這必然使得電子鼻系 統(tǒng)硬件的復雜性增加、 成本上升、 可靠性下降。 研究表明: 在不增加陣列氣體傳感器個數的條 件下 , 充分利用氣體傳感器動態(tài)工作條件下的非線 性響應特性, 可以極大的增加傳感器陣列獲取的樣 本信息量, 從而增強電子鼻的識別能力。而這一思 想得以實現的關鍵是能使氣體傳感器工作的環(huán)境參 數( 本文選用了傳感器的工作溫度 ) 動態(tài)改變的硬件 電路和相應的動態(tài)數據采集處理軟件�；谶@一思 想, 電子鼻動態(tài)信息識別方法的基本原理是: 設計動 態(tài)加熱電路, 使得氣體傳感器工作在一個不斷改變 的溫度范圍( t 1 , t 2 ) 內, 實時采集氣體傳感器在動態(tài) 變化的溫度下的響應值, 同時采集與之對應的溫度 值, 因為氣體傳感器的響應值和溫度之間的關系是 非線性的, 這樣一次 測量就可以得到一個 s @n 距 陣。這極大的增加了被測氣體的有用信息量。本文 設計了能使氣體傳感器的工作溫度實時改變的動態(tài) 加熱電路 , 搭建了基于這一電路的電子鼻實驗系統(tǒng) , 并結合有效的模式識別方法, 對三種常見飲料進行 了定性識別實驗 , 結果表明基于該電路的電子鼻系 統(tǒng)具有更高的識別準確率和識別效率。

成 , 氣體傳感器為基于 SnO 2 的金屬半導體敏感層, 敏感機理為被檢測氣體吸附造成的半導體敏感層電 導率的變化。加熱器及電極由鉑層組成, 同時, 加熱 器也可分別作為溫度傳感器使用 [ 2] 。

2

集成氣敏傳感器信號拾取模塊
由于氣體傳感器對不同氣體 , 以及同種氣體不

同濃度的響應具有較大的差異, 因此要求系統(tǒng)具有 較大的動態(tài)響應范圍 , 同時 , 對確定位數的 A/ D 轉 換系統(tǒng) , 動態(tài)響應范圍增大, 又會降低分辨率 , 因此 設計準確、 有效的氣體傳感器信號拾取電路是電子 鼻系統(tǒng)分析的前提和關鍵。圖 2 為本系統(tǒng)單路氣體 傳感器信號拾取電路原理示意圖。

圖2

單路氣體傳感器信號拾取電路原理圖

1

電子鼻系統(tǒng)的組成結構
根據電子鼻的工作原理 , 采用了如圖 1 所示的

圖 2 中 Rsensor 為氣體傳感器的電阻, R1 為一 定值反饋電阻 , R2 表示三端可調電阻的有效電阻, R3 、 C1 構成低通濾波器 , 給氣敏傳感器兩端施加的 是由穩(wěn)壓二極管提供的參考電壓 V ref 。模擬輸出信 號 Vani 引入數據采集卡。圖中 R1 、 R2 以及運算放大 器構成反向放大電路。由圖 2 根據 / 虛斷、 虛短0 原 理 , 有: 整理得 : V ref Vani =RSensor R1 + R2 R1 + R 2 V ref RSen sor ( 1) ( 2) ( 3)

電子鼻實驗系統(tǒng)。

進一步整理可得: V ani = 定義: S =
圖1 電子鼻系統(tǒng)結構

RSensor Vref = R1 + R2 Vani

S 為氣體傳感器響應信號 , 則 S 值與氣敏傳感 器電阻值 R Sensor 成正比。因為 R1 , R 2 給定, 測得 V ani 就可得到氣體傳感器對被測氣體產生的響應值。

該系統(tǒng)由集成氣體傳感器陣列、 集成氣體傳感 器陣列信號預處理模塊、 NI 數據采集卡、 計算機( 完 成加熱電路數據采集的控 制, 數據的 存儲, 模 式識 別) 等幾部分組成。 集成氣 體 傳 感器 陣 列 采 用德 國 U mweltsen2 sort echnik 公司生產的 GGS 系列。該集成氣 體傳 感器陣列由集成在 Al2 O 3 基底 上的三個單一 氣體 傳感器和兩個用于保證傳感器工作溫度的加熱器構

3

集成氣體傳感器加熱電路設計
由于氣體傳感器的 SnO 2 薄膜敏感層的工作特

性和溫度有關, 而且在一定的高溫下才對氣體特別 敏感
[ 3, 4]

所以需要對氣體傳感器的工作溫度進行控

制。在我們所選用的氣體傳感器陣列中集成了兩個

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鉑電阻( Pt 500) , 它一方面作為 氣體敏感層的 加熱 器, 在鉑電阻的兩端加上一定的電壓時 , 鉑電阻的溫 度就會上升, 對氣體敏感層進行加熱, 以使氣體敏感 層獲得所需的工作溫度。另一方面鉑電阻還可作為 溫度傳感器使用。其工作原理是 : 溫度變化時金屬 鉑自身電阻值也隨之改變而且有很好的線性對應關 系, 以此來測量溫度, 也就是說 , 測出鉑電阻的電阻 值就可以得到所對應的溫度值。當被測介質中存在 溫度梯度時, 所測得的溫度是感溫元件所在范圍內 介質層中的平均溫度。 3. 1 鉑電阻特性介紹 因為金屬鉑易于提純 , 在氧化性介質中、 甚至在 高溫下其物理、 化學性能都非常穩(wěn)定, 所以常被用于 制作熱電阻, 在溫標以及各種非電量電測量中得到 廣泛應用。使用最廣的是薄膜鉑電阻 : 用真空沉積 的薄膜技術把鉑濺射在陶瓷基片上, 膜厚在 2 Lm 以 內, 用玻璃燒結料把 Ni( 或 P d) 引線固定 , 經激光調 阻制成薄膜元件。鉑電阻的一些關鍵性能參數是 : ( 1) 鉑電阻元件的溫度系數 ( TCR) [ TCR ] = R100 - R 0 R0 ( 4)

3. 2 加熱電路設計 由于工作的需要, 鉑電阻必須保持連續(xù)加熱的 狀態(tài), 傳統(tǒng)的方法是使用 5 V 電源供電 , 通過一個 3 W 的 15 8 左右的繞線電阻, 串聯(lián)在傳感器加熱電 阻回路中作為分壓。這種方法勢必造成分壓電阻上 的功率耗散 , 從而造成不必要的浪費。經實驗, 傳感 器在正常工作時, 分壓電阻上的分壓高達 2. 4 V, 也 就是說有將近一半的功率被白白浪費掉了。而且采 用這種方式時, 加熱器所能達到的溫度由設計時事 先確定 , 在實驗中要改變氣體傳感器的工作溫度很 不方便 , 甚至很困難 , 為了解決這些問題 , 本文中采 用了脈寬調制( PWM) 的加熱方法給鉑電阻提供加 熱電壓 , 通過改變加熱脈沖的占空比來調節(jié)鉑電阻 上的有效電壓。由計算機產生一個頻率為 10 H z 的 占空比 可調的方波 H E1、 H E2, 通過開關管 MOS2 FET IN7000 驅 動 功 率 管 MOSFET IRF9530. IRF 9530 作為功率開關管為傳感器加熱電阻供電。 由于 IRF9530 的導通電阻只有 0. 20 8 , 功率耗散很 小 , 所以使用這種方法極大的提高了鉑電阻的加熱 效率和氣體傳感器工作溫度改變的靈活性 , 很好的 適應了動態(tài)測量的要求 , 加熱電路原理圖如圖 3 所 示。

其中 : R100 為器件在 100 e 時的電阻值 R0 為器件在 0 e 時的電阻值 ( 2) 鉑電阻的加熱特性 當在鉑電阻 R 的兩端加上電壓 U 時, 由焦耳定 律可得經過時間 T 鉑電阻上產生的熱量為 : U2 Q= T R ( 3) 鉑電阻的電阻 ) 溫度特性: R = R0 [ 1 + at - b t 2 - ct 3 ( t - 100 ) ] t 為鉑電阻的溫度, 當 t E 0 時 : a = 3 . 90802 @10 b= 5. 80195 @10- 3 7 12

( 5) ( 6)

c= 0 ( t F 0 時 c= 4 . 27351 @10其中 : Rt ( 8 ) ) 鉑電阻的工作電阻 ;

)

R0 ( 8 ) ) 鉑電阻在 0 e 時的電阻 t( k) ) 鉑電阻的工作溫度 a, b, c ) 為鉑電阻溫度系數。 一般場合可略去 b、 c 的影響 , 則: Rt = R0 ( 1 + at ) 即鉑電阻的電阻 2溫度特性接近線性。 由公式( 7) 可得 : t= R t - R0 aR 0 ( 8) ( 7)

圖3

氣體傳感器加熱電路原理圖

圖中 ME1、 ME2 為溫度測 量控制信 號, H E1、 H E2 為加熱控制信號。 ANI1 為采集的溫度模擬信 號。由圖 3 可推得 : ?當 ME1 和 H E1 都是低電平時 T 1 ~ T 6 都處 于斷開狀態(tài) , 即沒 有控制信號時 各管都截止 ; ?當 ME1 為低電平 H E1 為高電 平時, T 1 、 T 3 截止 , T 3 截止則 T 5 截止, T1 截止且 H E1 為高電平則 T 2 、 T6 導通, T 6 導通則模擬輸出 ANI1 恒為低電平即沒有 溫度信號輸出, T 2 導通則 T 4 導通, 此時 + VCC 通

測得 R t 就可由上式計算出工作溫度 t。

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過 T4 、 Rpt 再到地, + 5 V 的電源電壓幾乎全加到鉑 電阻上, 開 始加 熱。 ?當 ME1 為高 電 平時 , 不 管 H E1 的 電平是 高還是 低, T 、 T 導通 , T 導通 則 T2 、 T 6 截止, T 2 截止則 T 4 截止 , T 3 導通則 T 5 導
1 3 1

方波信號 H E1 和溫度采樣信號 ME1, 在軟件中設 定加熱器的溫度動態(tài)變化的范圍, 并實時顯示所采 集的被測氣體的數據, 和當前的溫度值。 利用所設計的動態(tài)加熱電路的電子鼻系統(tǒng)對雪 碧、 酷兒和綠茶三種飲料樣本進行定性識別, 采集氣 體傳感器陣列在動態(tài)溫度條件下的響應信號 , 再分 別用多 BP 神經網絡 [ 7] 和自組織映射神經網絡 [ 8] 對 樣本數據進行特征提取及模式識別。結果表明, 識 別準確率均達到 100% 。比以往常規(guī)加熱電路下的 識別準確率有了很大的提高。

通, 此時+ VCC 通過 T 5 、 R5 、 Rpt 再到地 , 在模擬輸出 ANI1 上測得 R PT 上的分壓: RPT VAN I1 = Vcc , 可以求得此時鉑 電阻的 0. 20+ R5 + RP t VA NI1 阻值 : RP t = Vcc - V aN I ( 0. 20+ R5 ) 。 代入式 ( 8 ) 鉑電 阻的 電阻 ) ) ) 溫度 關系 函 數 ( 8) , 即可求得此時鉑電阻加熱器的溫度, 即為氣體 傳感器的工作環(huán)境溫度。 R PT - R 0 VA NI1 ( 0. 20 + R5 ) T= = a R0 a R 0 ( Vcc - V AN I1 ) 其中 : Rt ( 8 ) ) 鉑電阻的工作電阻 ; R0 ( 8 ) ) 鉑電阻在 0 e 時的電阻; T( k) ) 鉑電阻的實時溫度 ( 即為氣體 傳感器 的工作溫度) a = 3 . 908 02 @10
- 3

5

結

論

1 ( 9) a

仿真結果表明采用所設計的動態(tài)加熱電路的電 子鼻系統(tǒng)能夠獲取被測氣體的多維信息 , 結合有效 的模式識別算 法具有比傳統(tǒng)方法更高 的識別準確 率。同時驗證了利用傳感器對樣本的動態(tài)響應特性 分析識別樣本的思路是正確可行的。 參考文獻:
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 王磊 , 曲建嶺 , 楊建華 1 發(fā)展中的 電子鼻技 術 [ J ]1 測控技 術 , 1999, 18( 5)1 楊建華 , 侯宏 1 基 于集成 氣體傳 感器 陣列的 電子鼻 系統(tǒng)實 現 [ J]1 傳感器技術 , 2003, 22( 8)1 Ju lian . W. Gardner, H andb ook of M achine Ol fact ion: El ec2 t ronic Nose T ech nology[ M]1 Oxford Universit y, 1999 1 楊建華 , 侯宏 1 基于集成氣敏傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)動態(tài)響 應特性分析 [ J]1 西北工業(yè)大學學報 , 2003, 21( 4)1 楊建華 , 侯宏等 1 基于集成氣敏傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)環(huán)境 響應特性分析 [ J]1 傳感技術學報 , 2002, 15( 3)1 王米娜 1 基于多 BP 子網絡的電 子鼻信息 融合技術 [ J ]1 傳 感 器技術 , 2003, 22( 11)1 王晗 1 基于傳感器溫度動態(tài)響 應信息和 Kohonen 算法的葡 萄 酒定性識別方法 [ J]1 傳感技術學報 , 2004, 17( 2)1 曲建嶺 1 人工嗅覺系統(tǒng)中的信息處理技術 [ D]1 西北工業(yè)大 學 博士論文 , 2000 1 M Falcit elli , A Benassi, Flu id dynam ic sim ulati on of a meas2 urem ent chamber for electr on ic nos e[ J ] 1 Sen sors and Act ua2 t ors B 2002, 85: 166 2174 1 [ 10] [ 11] 鄒小波 , 趙文杰 1 電子鼻在飲料識別中的應用 [ J]1 農業(yè)工程 學報 , 2002, 12( 5)1 袁曾任 1 人工神經網絡及其應用 [ M]1 清華大學出版社 1

0. 20 ( 8 ) 為 MOSFET 管 T 5 的導通電阻 由軟件產生占空比可調動方波信號 H E1 作為 鉑電阻的加熱信號 , 占空比越大則加熱電壓的有效 值就越大 , 加熱器的溫度也就越高 , 同時產生很窄的 方波信號 ME1 作為溫度采樣信號 , 實驗前首 先實 驗標定 H E1 的不同占空比所對應的鉑電阻的溫度, 然后每次實驗前在程序中設定 H E1 信號的占空比 , 則可以得到相應的氣敏傳感器工作溫度, 或者設定 H E1 信號的占空比在一定的范圍內循 環(huán)變化, 則 鉑電阻的溫度也就相應的在一 定的范圍內循 環(huán)變 化, 這樣就可以讓氣敏傳感器在一個循環(huán)變化的溫 度范圍內工作, 實現對被測氣體的動態(tài)檢測。

4

實驗驗證
參考圖 1 所介紹的電子鼻系統(tǒng)結構 , 搭建基于

上文所設計的加熱電路的電子鼻實驗系統(tǒng), 采用數 據采集卡 , 結合 NI 公司的虛擬儀器軟件設 計平臺 Labwindows/ CVI 設計了該電子鼻實驗系統(tǒng)的軟件 部分。由計算機產生控制加熱電路的占空比可調動



  本文關鍵詞：電子鼻動態(tài)模式信息采集電路設計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。