电子鼻动态模式信息采集电路设计

  本文关键词：电子鼻动态模式信息采集电路设计，由笔耕文化传播整理发布。

第 18 卷 第 4 期 2005 年 12 月

传 感 技 术 学 报
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

电子鼻动态模式信息采集电路设计
戴洪德, 杨建华, 杜新虎, 王 晗, 王米娜

( 西北工业大学自动化学院 , 西安 710072)

摘 要 : 动态检测技术在电子鼻中的应用 是国内外电子鼻研究 的一个 前沿热点 , 实 现动态 检测的关 键是能 使电子 鼻的环 境
参数能动态变化的硬件电路。为了满足动态测量的需要 , 设计 了能对 半导体 氧化物 气体传 感器阵列 进行动 态加热 的自动 温 控模块和气体传感器的信号拾取模块 , 以便满 足动态测量的 需要 , 把该动 态加热 电路应 用到电 子鼻实 验系统 中 , 对 三种不 同 的饮料样本在不同的条件下进行反复实验 , 识 别的准确率均达到 100% 。

关键词: 电子鼻; 脉宽调制; 气体传感器阵 列; 模式识别 中图分类号: TP277 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 29490( 2005) 0420722 204 传统的电子鼻气味识别的基本原理是: 气体传 感器 i 对气味 j 的响应是一个与 时间相关的电信 号 , 工作时采 集气体传感器的稳态响 应值 vij , 由 n 个传感器组成的阵列对气味的响应是 n 维状态空间 的一个向量 v( n) = ( v1 j , v 2j , vnj ) , 实验 m 次, 则得到 一个 m @n 的矩阵。利用这组数据即可进行气味的 识别。此方法最大的缺陷是 : 当电子鼻系统确定后, 每次实验所得到的关于被测气体的信息就是一个确

基于集成气体传感器阵列和多传感器信息融 合技术的气体/ 气味识别系统 ) ) ) 电子鼻, 又称人工 嗅觉系统 , 是利用单一气体传感器对气体响应的非 专一性和对特定气体 / 气味的择优响应特性, 根据实 际应用, 将多个单一气敏元件优化组合 , 构成气体传 感器阵列 , 利用阵列的多维空间气体响应模式 , 结合 先进的信息融合算法对气体/ 气味进行定性定量识 别 。
收稿日期 : 20052 012 24
[ 1]

基金项目 : 西北工业大学英才计划和 2003~ 2004 本科毕业设计重点扶持项目资助。 作者简介 : 戴洪德 ( 19812) , 男 , 硕士研究生 , 主要从事智能检测与虚拟仪器方面的研究 , dihod@ 126. com; 杨建华 ( 19672) , 女 , 副教授 , 博士 , 主要从事计算机测量与控制 , 气体与光学传感器等方面的研究 , yangjianhua@ hotmail. com 1

第4期

戴洪德 , 杨建华等 : 电子鼻动态模式信息采集电路设计

723

定的 n 维向量 , 只能提供很有限的被测气味的信息, 制约了识别精度的进一步提高 , 如想加大信息量, 必 须增加阵列中传感器数量, 而这必然使得电子鼻系 统硬件的复杂性增加、 成本上升、 可靠性下降。 研究表明: 在不增加阵列气体传感器个数的条 件下 , 充分利用气体传感器动态工作条件下的非线 性响应特性, 可以极大的增加传感器阵列获取的样 本信息量, 从而增强电子鼻的识别能力。而这一思 想得以实现的关键是能使气体传感器工作的环境参 数( 本文选用了传感器的工作温度 ) 动态改变的硬件 电路和相应的动态数据采集处理软件。基于这一思 想, 电子鼻动态信息识别方法的基本原理是: 设计动 态加热电路, 使得气体传感器工作在一个不断改变 的温度范围( t 1 , t 2 ) 内, 实时采集气体传感器在动态 变化的温度下的响应值, 同时采集与之对应的温度 值, 因为气体传感器的响应值和温度之间的关系是 非线性的, 这样一次 测量就可以得到一个 s @n 距 阵。这极大的增加了被测气体的有用信息量。本文 设计了能使气体传感器的工作温度实时改变的动态 加热电路 , 搭建了基于这一电路的电子鼻实验系统 , 并结合有效的模式识别方法, 对三种常见饮料进行 了定性识别实验 , 结果表明基于该电路的电子鼻系 统具有更高的识别准确率和识别效率。

成 , 气体传感器为基于 SnO 2 的金属半导体敏感层, 敏感机理为被检测气体吸附造成的半导体敏感层电 导率的变化。加热器及电极由铂层组成, 同时, 加热 器也可分别作为温度传感器使用 [ 2] 。

2

集成气敏传感器信号拾取模块
由于气体传感器对不同气体 , 以及同种气体不

同浓度的响应具有较大的差异, 因此要求系统具有 较大的动态响应范围 , 同时 , 对确定位数的 A/ D 转 换系统 , 动态响应范围增大, 又会降低分辨率 , 因此 设计准确、 有效的气体传感器信号拾取电路是电子 鼻系统分析的前提和关键。图 2 为本系统单路气体 传感器信号拾取电路原理示意图。

图2

单路气体传感器信号拾取电路原理图

1

电子鼻系统的组成结构
根据电子鼻的工作原理 , 采用了如图 1 所示的

图 2 中 Rsensor 为气体传感器的电阻, R1 为一 定值反馈电阻 , R2 表示三端可调电阻的有效电阻, R3 、 C1 构成低通滤波器 , 给气敏传感器两端施加的 是由稳压二极管提供的参考电压 V ref 。模拟输出信 号 Vani 引入数据采集卡。图中 R1 、 R2 以及运算放大 器构成反向放大电路。由图 2 根据 / 虚断、 虚短0 原 理 , 有: 整理得 : V ref Vani =RSensor R1 + R2 R1 + R 2 V ref RSen sor ( 1) ( 2) ( 3)

电子鼻实验系统。

进一步整理可得: V ani = 定义: S =
图1 电子鼻系统结构

RSensor Vref = R1 + R2 Vani

S 为气体传感器响应信号 , 则 S 值与气敏传感 器电阻值 R Sensor 成正比。因为 R1 , R 2 给定, 测得 V ani 就可得到气体传感器对被测气体产生的响应值。

该系统由集成气体传感器阵列、 集成气体传感 器阵列信号预处理模块、 NI 数据采集卡、 计算机( 完 成加热电路数据采集的控 制, 数据的 存储, 模 式识 别) 等几部分组成。 集成气 体 传 感器 阵 列 采 用德 国 U mweltsen2 sort echnik 公司生产的 GGS 系列。该集成气 体传 感器阵列由集成在 Al2 O 3 基底 上的三个单一 气体 传感器和两个用于保证传感器工作温度的加热器构

3

集成气体传感器加热电路设计
由于气体传感器的 SnO 2 薄膜敏感层的工作特

性和温度有关, 而且在一定的高温下才对气体特别 敏感
[ 3, 4]

所以需要对气体传感器的工作温度进行控

制。在我们所选用的气体传感器阵列中集成了两个

724

传

感

技

术

学

报

2005 年

铂电阻( Pt 500) , 它一方面作为 气体敏感层的 加热 器, 在铂电阻的两端加上一定的电压时 , 铂电阻的温 度就会上升, 对气体敏感层进行加热, 以使气体敏感 层获得所需的工作温度。另一方面铂电阻还可作为 温度传感器使用。其工作原理是 : 温度变化时金属 铂自身电阻值也随之改变而且有很好的线性对应关 系, 以此来测量温度, 也就是说 , 测出铂电阻的电阻 值就可以得到所对应的温度值。当被测介质中存在 温度梯度时, 所测得的温度是感温元件所在范围内 介质层中的平均温度。 3. 1 铂电阻特性介绍 因为金属铂易于提纯 , 在氧化性介质中、 甚至在 高温下其物理、 化学性能都非常稳定, 所以常被用于 制作热电阻, 在温标以及各种非电量电测量中得到 广泛应用。使用最广的是薄膜铂电阻 : 用真空沉积 的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上, 膜厚在 2 Lm 以 内, 用玻璃烧结料把 Ni( 或 P d) 引线固定 , 经激光调 阻制成薄膜元件。铂电阻的一些关键性能参数是 : ( 1) 铂电阻元件的温度系数 ( TCR) [ TCR ] = R100 - R 0 R0 ( 4)

3. 2 加热电路设计 由于工作的需要, 铂电阻必须保持连续加热的 状态, 传统的方法是使用 5 V 电源供电 , 通过一个 3 W 的 15 8 左右的绕线电阻, 串联在传感器加热电 阻回路中作为分压。这种方法势必造成分压电阻上 的功率耗散 , 从而造成不必要的浪费。经实验, 传感 器在正常工作时, 分压电阻上的分压高达 2. 4 V, 也 就是说有将近一半的功率被白白浪费掉了。而且采 用这种方式时, 加热器所能达到的温度由设计时事 先确定 , 在实验中要改变气体传感器的工作温度很 不方便 , 甚至很困难 , 为了解决这些问题 , 本文中采 用了脉宽调制( PWM) 的加热方法给铂电阻提供加 热电压 , 通过改变加热脉冲的占空比来调节铂电阻 上的有效电压。由计算机产生一个频率为 10 H z 的 占空比 可调的方波 H E1、 H E2, 通过开关管 MOS2 FET IN7000 驱 动 功 率 管 MOSFET IRF9530. IRF 9530 作为功率开关管为传感器加热电阻供电。 由于 IRF9530 的导通电阻只有 0. 20 8 , 功率耗散很 小 , 所以使用这种方法极大的提高了铂电阻的加热 效率和气体传感器工作温度改变的灵活性 , 很好的 适应了动态测量的要求 , 加热电路原理图如图 3 所 示。

其中 : R100 为器件在 100 e 时的电阻值 R0 为器件在 0 e 时的电阻值 ( 2) 铂电阻的加热特性 当在铂电阻 R 的两端加上电压 U 时, 由焦耳定 律可得经过时间 T 铂电阻上产生的热量为 : U2 Q= T R ( 3) 铂电阻的电阻 ) 温度特性: R = R0 [ 1 + at - b t 2 - ct 3 ( t - 100 ) ] t 为铂电阻的温度, 当 t E 0 时 : a = 3 . 90802 @10 b= 5. 80195 @10- 3 7 12

( 5) ( 6)

c= 0 ( t F 0 时 c= 4 . 27351 @10其中 : Rt ( 8 ) ) 铂电阻的工作电阻 ;

)

R0 ( 8 ) ) 铂电阻在 0 e 时的电阻 t( k) ) 铂电阻的工作温度 a, b, c ) 为铂电阻温度系数。 一般场合可略去 b、 c 的影响 , 则: Rt = R0 ( 1 + at ) 即铂电阻的电阻 2温度特性接近线性。 由公式( 7) 可得 : t= R t - R0 aR 0 ( 8) ( 7)

图3

气体传感器加热电路原理图

图中 ME1、 ME2 为温度测 量控制信 号, H E1、 H E2 为加热控制信号。 ANI1 为采集的温度模拟信 号。由图 3 可推得 : ?当 ME1 和 H E1 都是低电平时 T 1 ~ T 6 都处 于断开状态 , 即没 有控制信号时 各管都截止 ; ?当 ME1 为低电平 H E1 为高电 平时, T 1 、 T 3 截止 , T 3 截止则 T 5 截止, T1 截止且 H E1 为高电平则 T 2 、 T6 导通, T 6 导通则模拟输出 ANI1 恒为低电平即没有 温度信号输出, T 2 导通则 T 4 导通, 此时 + VCC 通

测得 R t 就可由上式计算出工作温度 t。

第4期

戴洪德 , 杨建华等 : 电子鼻动态模式信息采集电路设计

725

过 T4 、 Rpt 再到地, + 5 V 的电源电压几乎全加到铂 电阻上, 开 始加 热。 ?当 ME1 为高 电 平时 , 不 管 H E1 的 电平是 高还是 低, T 、 T 导通 , T 导通 则 T2 、 T 6 截止, T 2 截止则 T 4 截止 , T 3 导通则 T 5 导
1 3 1

方波信号 H E1 和温度采样信号 ME1, 在软件中设 定加热器的温度动态变化的范围, 并实时显示所采 集的被测气体的数据, 和当前的温度值。 利用所设计的动态加热电路的电子鼻系统对雪 碧、 酷儿和绿茶三种饮料样本进行定性识别, 采集气 体传感器阵列在动态温度条件下的响应信号 , 再分 别用多 BP 神经网络 [ 7] 和自组织映射神经网络 [ 8] 对 样本数据进行特征提取及模式识别。结果表明, 识 别准确率均达到 100% 。比以往常规加热电路下的 识别准确率有了很大的提高。

通, 此时+ VCC 通过 T 5 、 R5 、 Rpt 再到地 , 在模拟输出 ANI1 上测得 R PT 上的分压: RPT VAN I1 = Vcc , 可以求得此时铂 电阻的 0. 20+ R5 + RP t VA NI1 阻值 : RP t = Vcc - V aN I ( 0. 20+ R5 ) 。 代入式 ( 8 ) 铂电 阻的 电阻 ) ) ) 温度 关系 函 数 ( 8) , 即可求得此时铂电阻加热器的温度, 即为气体 传感器的工作环境温度。 R PT - R 0 VA NI1 ( 0. 20 + R5 ) T= = a R0 a R 0 ( Vcc - V AN I1 ) 其中 : Rt ( 8 ) ) 铂电阻的工作电阻 ; R0 ( 8 ) ) 铂电阻在 0 e 时的电阻; T( k) ) 铂电阻的实时温度 ( 即为气体 传感器 的工作温度) a = 3 . 908 02 @10
- 3

5

结

论

1 ( 9) a

仿真结果表明采用所设计的动态加热电路的电 子鼻系统能够获取被测气体的多维信息 , 结合有效 的模式识别算 法具有比传统方法更高 的识别准确 率。同时验证了利用传感器对样本的动态响应特性 分析识别样本的思路是正确可行的。 参考文献:
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 王磊 , 曲建岭 , 杨建华 1 发展中的 电子鼻技 术 [ J ]1 测控技 术 , 1999, 18( 5)1 杨建华 , 侯宏 1 基 于集成 气体传 感器 阵列的 电子鼻 系统实 现 [ J]1 传感器技术 , 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 杨建华 , 侯宏 1 基于集成气敏传感器阵列的电子鼻系统动态响 应特性分析 [ J]1 西北工业大学学报 , 2003, 21( 4)1 杨建华 , 侯宏等 1 基于集成气敏传感器阵列的电子鼻系统环境 响应特性分析 [ J]1 传感技术学报 , 2002, 15( 3)1 王米娜 1 基于多 BP 子网络的电 子鼻信息 融合技术 [ J ]1 传 感 器技术 , 2003, 22( 11)1 王晗 1 基于传感器温度动态响 应信息和 Kohonen 算法的葡 萄 酒定性识别方法 [ J]1 传感技术学报 , 2004, 17( 2)1 曲建岭 1 人工嗅觉系统中的信息处理技术 [ D]1 西北工业大 学 博士论文 , 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] 邹小波 , 赵文杰 1 电子鼻在饮料识别中的应用 [ J]1 农业工程 学报 , 2002, 12( 5)1 袁曾任 1 人工神经网络及其应用 [ M]1 清华大学出版社 1

0. 20 ( 8 ) 为 MOSFET 管 T 5 的导通电阻 由软件产生占空比可调动方波信号 H E1 作为 铂电阻的加热信号 , 占空比越大则加热电压的有效 值就越大 , 加热器的温度也就越高 , 同时产生很窄的 方波信号 ME1 作为温度采样信号 , 实验前首 先实 验标定 H E1 的不同占空比所对应的铂电阻的温度, 然后每次实验前在程序中设定 H E1 信号的占空比 , 则可以得到相应的气敏传感器工作温度, 或者设定 H E1 信号的占空比在一定的范围内循 环变化, 则 铂电阻的温度也就相应的在一 定的范围内循 环变 化, 这样就可以让气敏传感器在一个循环变化的温 度范围内工作, 实现对被测气体的动态检测。

4

实验验证
参考图 1 所介绍的电子鼻系统结构 , 搭建基于

上文所设计的加热电路的电子鼻实验系统, 采用数 据采集卡 , 结合 NI 公司的虚拟仪器软件设 计平台 Labwindows/ CVI 设计了该电子鼻实验系统的软件 部分。由计算机产生控制加热电路的占空比可调动



  本文关键词：电子鼻动态模式信息采集电路设计，，由笔耕文化传播整理发布。