本文選題：MOS氣體傳感器陣列 + 自確認(rèn)傳感器技術(shù)　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：自確認(rèn)傳感器是一種通過故障檢測與隔離、故障識別和測量不確定度評定等一系列方法,實(shí)現(xiàn)傳感器對自身的異常狀態(tài)監(jiān)測與測量質(zhì)量評估的新型傳感器,可顯著提高傳感器測量過程的可靠性。金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)傳感器陣列是目前機(jī)器嗅覺系統(tǒng)中使用最為普遍的信息獲取裝置。然而,由于氣敏元件自身特性,在使用過程中氣敏傳感器不可避免地會發(fā)生自身故障和受到外界干擾,導(dǎo)致MOS傳感器陣列可靠性下降,進(jìn)而影響系統(tǒng)整體性能。因此,有必要對MOS氣體傳感器陣列進(jìn)行異常狀態(tài)監(jiān)測與測量質(zhì)量評估,以提高機(jī)器嗅覺系統(tǒng)氣體檢測與分析結(jié)果的可信性。鑒于此,本文圍繞著MOS氣體傳感器陣列的自確認(rèn)方法開展了研究。論文完成的主要研究工作如下:針對基于傳統(tǒng)多變量統(tǒng)計分析的故障檢測與隔離方法對MOS氣體傳感器陣列的微小故障檢測率較低的問題進(jìn)行研究。提出了一種基于稀疏非負(fù)矩陣分解(SNMF)的故障檢測方法。該方法利用SNMF的局部特征提取能力對監(jiān)測信號進(jìn)行低秩近似表達(dá),在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型基于系數(shù)向量聚類的C2檢測統(tǒng)計量,提高了對微小故障的敏感性。為了進(jìn)一步隔離故障傳感器,提出了一種基于SNMF平方預(yù)測誤差(SPE)統(tǒng)計量的自適應(yīng)多變量重構(gòu)(SMVR)故障隔離方法,該方法利用故障重構(gòu)信號的SPE統(tǒng)計量作為判定準(zhǔn)則,改善了故障隔離過程中的拖尾效應(yīng)問題,提高了多故障隔離的準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法能夠在保持較低誤報率的同時,顯著提高微小故障檢測率,并且有效地提高了多故障隔離的準(zhǔn)確性,滿足MOS氣體傳感器陣列對自身異常狀態(tài)監(jiān)測的需求。傳感器故障識別是實(shí)現(xiàn)MOS氣體傳感器陣列自確認(rèn)的重要環(huán)節(jié)。本文針對現(xiàn)有基于時—頻分析的故障識別方法存在對故障信號分解結(jié)果不穩(wěn)定、提取的故障特征可分性不強(qiáng),所造成的故障識別準(zhǔn)確率較低的問題進(jìn)行研究。提出了一種基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 快速樣本熵(EEMD FSampEn)特征提取與稀疏表示分類器(SRC)相結(jié)合的傳感器故障類型識別方法。該方法利用EEMD方法對非線性、非平穩(wěn)信號的分析能力,自適應(yīng)地將故障傳感器輸出信號分解為一組包含有故障特征的本征模態(tài)函數(shù)(IMFs),解決小波包分解適應(yīng)性差和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模態(tài)混疊導(dǎo)致的分解結(jié)果不穩(wěn)定的問題;利用不同故障類型下的本征模態(tài)函數(shù)存在復(fù)雜度差異的特點(diǎn),通過樣本熵對信號復(fù)雜度的描述能力提取故障特征向量,并為了提高樣本熵計算效率,采用基于Kd樹的快速樣本熵算法,降低了樣本熵計算的復(fù)雜度。利用不同故障類型下訓(xùn)練樣本的特征向量構(gòu)成SRC超完備字典,再根據(jù)測試樣本對不同故障類型的重構(gòu)誤差確定故障類型的歸屬,實(shí)現(xiàn)故障分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與現(xiàn)有方法相比,該方法提取的故障特征具有更好的可分性,有效地提高了故障識別準(zhǔn)確率,達(dá)到了對MOS氣體傳感器陣列進(jìn)行異常狀態(tài)監(jiān)測的目的。測量不確定度是自確認(rèn)傳感器中評價測量質(zhì)量的重要指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)對MOS氣體傳感器陣列測量質(zhì)量的有效評估,提出了一種基于過程能力指數(shù)(Process Capability Index,Cpk)的傳感器測量質(zhì)量評估方法。該方法在小樣本條件下利用灰色自助法對測量值概率分布函數(shù)進(jìn)行有效估計,實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量狀態(tài)下的不確定度評定。解決傳統(tǒng)的GUM和蒙特卡羅方法難以適用于動態(tài)測量狀態(tài)下的不確定度評定問題;在此基礎(chǔ)上,利用過程能力指數(shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)測量質(zhì)量在線評估。為了進(jìn)一步解決由于MOS氣體傳感器陣列局部故障導(dǎo)致的確認(rèn)測量值精度降低的問題,利用灰色預(yù)測模型GM(1,1)和多傳感器輸出的相關(guān)性,建立MOS氣體傳感器陣列輸出信號可信度評價模型,用于區(qū)分正常氣體響應(yīng)與自身故障。在準(zhǔn)確識別故障狀態(tài)的基礎(chǔ)上,對確認(rèn)測量值進(jìn)行估計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)MOS氣敏傳感器測量質(zhì)量評估,并獲得較高的MOS氣體傳感器陣列確認(rèn)測量值的估計精度。為了驗(yàn)證本文提出的MOS氣體傳感器陣列的自確認(rèn)方法的可行性和有效性,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于自確認(rèn)MOS氣體傳感器陣列的機(jī)器嗅覺系統(tǒng)。完成了MOS氣體傳感器陣列的標(biāo)定與測試,利用目前普遍采用的基于模式識別的氣體分析方法,實(shí)現(xiàn)了甲烷與一氧化碳的二元混合氣體在線識別和檢測。驗(yàn)證了本文提出的用于實(shí)現(xiàn)MOS氣體傳感器陣列異常狀態(tài)監(jiān)測和測量質(zhì)量評估的關(guān)鍵自確認(rèn)方法的有效性以及在提高機(jī)器嗅覺系統(tǒng)可靠性方面的可行性。
[Abstract]:鑷‘璁や紶鎰熷櫒鏄竴縐嶉，

本文編號：1909416