流速和湿度对气体传感器及电子鼻的影响研究

论文摘要

电子鼻系统是模仿动物的嗅觉机理研制的用于识别气味成分和浓度的仪器,因其成本低、体积小、灵敏度较高等特点而成为气体检测领域的研究热点之一。然而电子鼻系统的气体识别效果受环境因素影响较大,极大的限制了其推广应用。实验发现电子鼻的动态测试和静态测试结果有较大差异,而两种测试方法的主要差异是气体流速以及湿度不同。本文通过实验测试、气流仿真计算和敏感机理分析等方式,分析了流速和环境相对湿度对气体传感器响应信号的影响程度,并在此基础上给出对电子鼻系统的补偿方法。首先,针对流速对半导体气体传感器响应的影响,设计了能够产生统一方向的稳定气流的测试腔,采用流体仿真软件Fluent仿真分析了测试腔内的流场分布情况,从而确定了被测气体传感器的安放位置以及测试气流的流速范围。实验系统是基于标准气源和质量流量控制器的连续测试系统,采用Labview设计了自动测试软件,从而控制气体流速并实时采集、显示和存储传感器信号。实验测试时,向测试腔内交替通入空气和浓度为0.4%的乙烯,在4.2cm/s～84.9cm/s范围内调节流速,对TGS2610、TGS2620和MP4三种半导体传感器的基线电压、响应电压、响应时间和恢复时间、灵敏度等参数进行了测试。实验结果表明,所测传感器的基线信号和响应信号均不同程度受流速的影响。三种气体传感器的响应时间和恢复时间均随流速增大而减小,而响应灵敏度均随流速增大而略有增加,结合流体仿真结果和气敏机理对此现象进行了探讨。其次,针对湿度对半导体气体传感器响应的影响,在实验系统中引入加湿通路从而产生不同湿度的空气和甲烷,采用SHT11数字温湿度模块测量测试腔内的温湿度情况。实验测试了湿度对TGS2610、TGS2620和TGS813三种半导体传感器的响应影响情况,结果表明,所测传感器的基线信号和响应信号受湿度的影响较大,并结合敏感机理进行了讨论。流速对电子鼻的影响可以通过稳定的采气方式来抑制,而环境湿度的变化难以避免,因此有必要对电子鼻进行湿度补偿。在气体传感器阵列信号中增加湿度传感器信号,采用主成分分析与BP神经网络相结合的方法进行甲烷和乙烯的定量识别,结果表明该方法较好的补偿了湿度引入的误差,改善了电子鼻的识别效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电子鼻的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 2 基于气体传感器阵列的电子鼻系统简介
• 2.1 电子鼻系统结构
• 2.1.1 气体传感器阵列及测试腔
• 2.1.2 信号采集与处理
• 2.1.3 模式识别方法
• 2.2 标定方法
• 2.2.1 静态标定
• 2.2.2 动态标定
• 3 气体流速对传感器的影响分析
• 3.1 实验系统的搭建
• 3.2 测试系统软件设计与实现
• 3.3 测试腔流体仿真分析
• 3.3.1 Fluent软件介绍
• 3.3.2 传感器测试腔建模
• 3.3.3 流场中流速分布情况仿真
• 3.3.4 气体扩散时间仿真
• 3.4 实验测量与结果分析
• 3.4.1 测试电路及方法
• 3.4.2 特征参数描述
• 3.4.3 结果与讨论
• 3.5 结论
• 4 湿度对气体传感器的影响分析
• 4.1 研究现状
• 4.2 实验测量与结果分析
• 4.2.1 实验系统搭建
• 4.2.2 温湿度的测量
• 4.2.3 上位机控制软件
• 4.3 实验测量与结果分析
• 5 电子鼻的湿度补偿
• 5.1 实验样本
• 5.2 特征提取
• 5.3 数据预处理
• 5.4 主成分分析
• 5.5 BP神经网络算法识别
• 5.6 测试结果与分析
• 5.7 混合气体的识别
• 结论
• 参考文献
• 附录A 单一气体的训练样本和测试样本
• 附录B 混合气体的训练样本和测试样本
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢