氧化碳報警器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

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哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - I - 一氧化碳報警器 摘要 隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴(yán)重的污染，同時在家庭生活中，煤氣的不完全燃燒也將產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w，而一氧化碳?xì)怏w的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在室內(nèi)通風(fēng)條件不大好的情況下，可能引起人體中毒，產(chǎn)生致命后果。因此需要對大氣中的一氧化碳?xì)怏w進行監(jiān)測。 本文主要對一氧化碳報警器的原理進行了分析，其中重點分析了一氧化碳傳感器探測信號的模式分類及識別，其原理是采用溫度調(diào)制模式，基于統(tǒng)計學(xué)原理，采用 貝葉斯公式對各模式進行識別。對于 一氧化碳傳感器的信號處理方法，主要介紹了快速傅立葉變換方法 (離散小波變換方法 (同時還對目前一氧化碳監(jiān)測中存在的主要問題進行了初步的分析。 最后，根據(jù)一氧化碳傳感器的原理，針對家庭中一氧化碳?xì)怏w的監(jiān)測，初步確定一氧化碳傳報警器的設(shè)計要求，根據(jù)當(dāng)前一氧化碳傳感器的發(fā)展?fàn)顩r，選用 司的 片進行一氧化碳報警器的設(shè)計。同時對 感器的結(jié)構(gòu)及工作模式進行了介紹。根據(jù)片的結(jié)構(gòu)及工作模式，設(shè)計了報警器電路，并對報警器的控制軟件進行了初步的設(shè)計，最后完成了對一氧化碳報警器的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該報警器是可以 在實際中使用。 關(guān)鍵詞 一氧化碳報警器；溫度調(diào)制模式；傳感器 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - Co of of is At of O in O is a of is in to is So it is to O in O on of O O is on O At O At on O to O in O to O to O At At O O be in CO 爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 目錄 摘要 ...................................................................................................................... I .............................................................................................................. 1 章 緒論 ........................................................................................................ 1 題背景 ................................................................................................... 1 究的目的和意義 ................................................................................... 1 氧化碳報警器的發(fā)展?fàn)顩r ................................................................... 2 第 2 章 一氧化碳傳感器信號處理技術(shù) ............................................................ 5 體傳感器陣列信號處理技術(shù) ............................................................... 5 號預(yù)處理 ............................................................................................... 5 式分類，識別和量化 ........................................................................... 7 體傳感器溫度調(diào)制及信號處理技術(shù) ................................................. 10 度調(diào)制模式 ......................................................................................... 10 號處理方法 ......................................................................................... 12 在的問題 ............................................................................................. 12 章小結(jié) ................................................................................................. 13 第 3 章 一氧化碳報警器的設(shè)計 ...................................................................... 14 件的結(jié)構(gòu)原理 ..................................................................................... 14 件的工作模式 ..................................................................................... 15 氧化碳報警器的設(shè)計 ......................................................................... 16 路原理 ................................................................................................. 17 制過程 ................................................................................................. 18 于溫度變化的特性處理 (假設(shè) 0 ............. 18 ......................................................................... 19 試和結(jié)果 ............................................................................................. 20 章小結(jié) ................................................................................................. 20 結(jié)論 .................................................................................................................... 21 致謝 .................................................................................................................... 22 參考文獻 ............................................................................................................ 23 附錄 A ................................................................................................................ 26 附錄 B ................................................................................................................ 34 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 1 - 第 1章 緒論 題背景 隨著工業(yè)的發(fā)展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴(yán)重的污染，因此對大氣中有毒氣體的監(jiān)測也成為人們關(guān)心的一個主要問題，而大氣中一氧化碳?xì)怏w對人體的毒害是致命的，因此 ，迫切需要開發(fā)一種儀器來檢測家庭和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一氧化碳?xì)怏w。 究的目的和意義 空氣中的一氧化碳為 無色、無味氣體，相對分子量為 空氣相對密度為 標(biāo)準(zhǔn)狀況 下， 1L 氣體質(zhì)量為 1000?C)，燃燒時為淡 藍 色火焰。 一氧化碳是有害氣體，對人體有強烈的毒害作用。一氧化碳中毒時，使紅血球的血紅蛋白不能與氧結(jié)合，妨礙了機體各組織的輸氧功能，造成缺氧癥。當(dāng)一氧化碳濃度為 ，無自覺癥狀， 會出現(xiàn)頭痛、疲倦、惡性、頭暈 等感覺， 700mg/發(fā)生心悸亢進，并伴隨有虛脫危險， 1250 mg/出現(xiàn)昏睡，痙攣而死亡。有時根據(jù)碳氧血紅蛋白（ 評價室內(nèi)一氧化碳低暴露水平對人體的影響， 3兒童 均飽和度為 12不吸煙人群為 但成年不吸煙人群中 4%的人 過 2室內(nèi)污染所致 和度只有超過2%，才會影響心肺病人的活動能力，加重心血管的缺血癥狀。 燃料不完全燃燒產(chǎn)生的污染物，若沒有室內(nèi)燃燒污染源，室內(nèi)度與室外是相同的。室內(nèi)使用燃?xì)庠罨蛐⌒兔河图訜?器，其釋放 0 倍。廚房使用燃?xì)庠?10平在 于一氧化碳在空氣中很穩(wěn)定，如果室內(nèi)通風(fēng)較差， 會長時間滯留在室內(nèi)。 因此，很容易致人中毒。 同時，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尤其在煤炭生產(chǎn)基地，如果一氧化碳濃度過高，很容易引起火災(zāi)和爆炸，引起嚴(yán)重的事故和后果，造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。因而作好煤炭自燃火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報和防滅火工作顯得尤為重要。因此，人們發(fā)現(xiàn)了測溫法來進行溫度可燃?xì)怏w的監(jiān)測。測溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋高溫點及火源的最直接、最可靠的方法，但煤 體內(nèi)部溫度的測溫技術(shù)尚未完全解決，目前僅作為掌握自燃動態(tài)、確定自燃區(qū)位置的一種有效的補充手段 [1]。測定礦內(nèi)空氣成分變化，是早期預(yù)報自燃火災(zāi)應(yīng)哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 2 - 用最廣而且比較可靠的方法。煤類火災(zāi)的主要指標(biāo)是 乙烯 烯 炔 。它們是按一氧化碳 ->氫 ->乙烯 ->丙烯 ->乙炔的順序生成、釋放并隨溫度而增加的。當(dāng)溫度異常時，首先出現(xiàn) 溫度增高，出現(xiàn) 后是 接著是 后出現(xiàn) 其他氣體 [2]。由于一氧化碳生成溫度低，生成量大，其生成量隨溫度升高按指數(shù) 規(guī)律增加。所以，煤礦井下廣泛以一氧化碳?xì)怏w作為預(yù)報煤炭自燃的指標(biāo)氣體。它的變化一直在煤礦安全生產(chǎn)活動中受到高度重視，特別是煤層有自然發(fā)火傾向的礦井更是如此。在煤礦井下， 來源一般是由于煤自熱或自燃產(chǎn)生的。所以當(dāng)井下出現(xiàn) 體或 體濃度穩(wěn)定地增長時，就認(rèn)為煤炭在自然發(fā)火或有自然發(fā)火的危險。然而，有些礦井，煤層中本身就含有 煤層開采過程中，就逸出到采掘空間的風(fēng)流中來，如果對其逸出量及規(guī)律不能掌握，就會造成煤炭自燃火災(zāi)的誤報，對預(yù)報和防治煤炭自然發(fā)火造成不利影響 [3]。大水頭煤礦是煤層具有自然發(fā)火 傾向性的礦井，經(jīng)過對大水頭煤礦幾十次煤炭自然發(fā)火災(zāi)害有關(guān)參數(shù)的反復(fù)觀察分析認(rèn)為，同樣是煤炭自燃造成的火災(zāi)，但每次其自然發(fā)火期的長短、氧化速度、各種災(zāi)害氣體的濃度等都隨時間、地點的不同有所差異，這其中的原因除一些外在的因素和煤層所處的自然環(huán)境因素外，還有一個不被人們所掌握的內(nèi)在因素 O 成份在起著潛移默化、推波助瀾的作用。雖然確定的煤層自然發(fā)火期是 3月，但實際生產(chǎn)中常常出現(xiàn)一些預(yù)料之外的事例：掘進工作面后巷幾十米處高頂就有 體出現(xiàn)；炮采工作面剛開采，短期內(nèi)上隅角就檢測出 體 :綜放面每月 推進 60m 左右，其支架頂部煤體中仍能查出高濃度 (的 體成份。通過分析表明煤電鉆打的孔內(nèi)實測 而且一氧化碳檢測管變色環(huán)呈血紅色，比火區(qū)測定的還要高。因此要必要開發(fā) 警器來對 行監(jiān)測，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。 氧化碳報警器的發(fā)展?fàn)顩r 1964 年，由 用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了第一個氣敏傳感器， 1982 年英國 學(xué)的 提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) [4]，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用 于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等?，F(xiàn)在各國研究主要針對的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時間以及降低成本和智能化等。 下面簡單介紹各種常用的一氧化碳報警器的工作原理最新的研究進展。一氧化碳報警器主要包括兩部分，一部分是監(jiān)測系統(tǒng)，由各種傳感器組成，另一部分是報警系統(tǒng)，根據(jù)檢測系統(tǒng)的指標(biāo)作出報警判斷。 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 3 - 首先簡單介紹下一氧化碳傳感器的發(fā)展?fàn)顩r。氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位 電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等 [5]。 電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)使其某些特性發(fā)生變化對氣體進行直接或間接的檢測。 接觸燃燒式氣體傳感器是基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理而設(shè)計的。另外與半導(dǎo)體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其 介電常數(shù)發(fā)生改變導(dǎo)致電容變化的原理而設(shè)計。 電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學(xué)電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。電化學(xué)式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關(guān)系進行測量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細(xì)孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。 紅外吸收型傳感器，當(dāng)紅外光通過待測氣體時， 這些氣體分子對特定波長 的紅外光有吸收， 其吸收關(guān)系服從朗伯 收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度。 聲表面波傳感器的關(guān)鍵是 蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩器。 感器自身固有一個振蕩頻率，當(dāng)外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。 對 體檢測的適用方法有比色法、半導(dǎo)體法、紅外吸收探測法、電化學(xué)氣體傳感器檢測法等。 比色法是根據(jù) 體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生 反應(yīng)，因而使化合物顏色改變，通過顏色變化來測定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點是沒有電功耗。 半導(dǎo)體 感器，通過溶膠 — 凝膠法獲得 材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來測定氣體 [6]?，F(xiàn)國外有研究對 材料中摻雜，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器工作在 220?C 時，在 摻雜 2%的，傳感器對 有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應(yīng)，使得 感器對很多氣體如 都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對其他氣體的敏感度下降很多 [7]。 化學(xué)氣體傳感器敏感電極如常 用的金屬材料電化學(xué)電極有 爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 4 - W、 過渡金屬元素，這類元素具有空余的 d、 f 電子軌道和多余的 d、 f 電子，可在氧化還原的過程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物，具有較強的催化能力 [8]。又研制了一種新型的 化學(xué)式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極， 參比電極， 為對比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對 有顯著的電化學(xué)催化效應(yīng)，其響應(yīng)時間短，重復(fù)性好 [9]。 利用 體近紅外吸收機理，研究了 一種光譜吸收型光纖 體傳感器，該儀器檢測靈敏度可達到 100]。另一種光學(xué)型傳感器是用溶膠 — 凝膠鹽酸催化法和超聲制得 膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與 應(yīng)，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化 [11]。 采用超頻率音響增強電鍍鐵酸鹽方法獲得磁敏感膜，磁飽和度和矯頑磁力決定對氣體的響應(yīng)敏感度。當(dāng)溫度加熱到 85?C 時，得到最大響應(yīng)，檢測范圍 33350002]。 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 5 - 第 2章 一氧化碳傳感器信號處理技術(shù) 一氧化碳報警器主要由氣體傳感器和報警電路 組成，而其性能的好壞又取決于氣體傳感器，因此，氣體傳感器所采用技術(shù)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，下面我們重點分析在一氧化碳傳感器中所采用的信號處理技術(shù)。 體傳感器陣列信號處理技術(shù) 與哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)類似，氣體傳感器陣列是一氧化碳傳感系統(tǒng)的“氣味感受細(xì)胞”，感受到氣味時就將信號通過接口電路及一些預(yù)處理電路 (生物嗅覺中對應(yīng)的部位為“嗅球” )然后傳到信息處理中心 (大腦 )，通過“大腦”內(nèi)的嗅覺信號處理，完成對氣味的識別和簡單量化，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號。該系統(tǒng)稱為電子鼻系統(tǒng)。其信息處理中心通常由電腦或微處理器實現(xiàn)，其中的“嗅 覺”信號處理技術(shù)對于電子鼻的性能起著關(guān)鍵作用。 對這一技術(shù)的研究，從氣體傳感器陣列和電子鼻的概念提出后，就一直都沒有間斷過。一個成功的氣體 (氣味 )識別和量化系統(tǒng)通常要涉及到多種多維信號的處理方法，包括信號預(yù)處理、特征提取、特征選擇、分類、回歸、聚類以及驗證等 [13]，基于統(tǒng)計的模式識別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種信號處理方法己在電子鼻領(lǐng)域里得到了應(yīng)用并取得了一些成果。 號預(yù)處理 信號預(yù)處理的主要目的有濾波、基線處理、漂移補償、信息壓縮以及歸一化等。圖 2金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的一般測量電路，其中串聯(lián) 負(fù)載電阻， 氣體傳感器的電阻， 測量電壓， V 為實際傳感器測量電壓。 圖 2微熱板式氣體傳感器的單臂電橋測量電路 傳感器的描述信號可用電壓信號 (V)、電阻信號 (R)和電導(dǎo)信號 (G)等物理量表示，三個物理量互相關(guān)聯(lián)，電阻和電導(dǎo)互為倒數(shù)，其中電壓信號受串聯(lián)電阻的影響，在量程大且需更改串聯(lián)電阻的情況下不宜使用?；€的概念為傳感器在空氣中的信號，處理方法主要有三種 :差值法，比例法和分?jǐn)?shù)比值法。以電導(dǎo)物理量為例，定義其在空氣中的基線值為 被測氣體中的值為 那么對應(yīng)的三種處理方法見 表 2用的處理方法為哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 6 - 分?jǐn)?shù)比值法，因此 為衡量傳感器氣敏性能的一個重要參數(shù)。上述基線的處理方法僅是對氣體傳感器信號的簡單處理，基線漂移的抑制是氣體傳感器領(lǐng)域中的一個重要研究問題。作為一種化學(xué)傳感器，受空氣中多種因素的影響，基線漂移緩慢、隨機，迄今還沒有形成一種統(tǒng)一的理論來描述。小波變換技術(shù)在基線漂移抑制方面取得了較好的效果 [14]。 表 2線處理方法 處理方法 說明 差值法 ?G=除疊加性噪聲和漂移 比例法 除乘積性 噪聲和漂移 分?jǐn)?shù)比值法 是 (，氣體傳感器的特征信號有多種，如穩(wěn)態(tài)信號、瞬態(tài)信號等。特征是直接從傳感器的原始信號提取出來的參數(shù)，各特征之間相互關(guān)聯(lián)，由于交叉敏感的影響，各傳感器之間也相互關(guān)聯(lián)，因此這樣一個原始的特征參數(shù)集是一個富含冗余信息的高維向量。維數(shù)增多引起后續(xù)信號處理的復(fù)雜程度呈指數(shù)上升，也就是所謂的“維數(shù)咒語”問題，使得降維處理成為必要。同時，信息冗余容易導(dǎo)致信號參數(shù)的協(xié)方差矩陣奇異，因此特 征選擇和特征提取成為氣體傳感器陣列信號處理的兩個必要步驟。特征選擇的目的是從 M 個特征中選擇 N 個參數(shù) (不可觀測的隨機變量，稱為誤差項。由實驗觀測到 P 組輸入輸出向量，那么。 C= (m×p， S= (m×p，輸入輸出關(guān)系為 C=。忽略誤差項，當(dāng) c1(t) c2(t) ? cm(t) 傳感器 1 接口 1 信號處理器 1 陣列信號預(yù)處理 傳感器 2 接口 2 信號處理器 2 傳感器 m 接口 m 信號處理器 m 識 判 別 斷 量 決 化 策 y1(t) y2(t) y3(t) ? ym(t) t) 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 9 - 為非奇異陣時參數(shù)矩陣可由 A=算得到，但是作為觀測向量， S 可能為奇異陣。因此在矩陣分析中引入偽逆來解決這一問題。 T ?? ?? 1)( (2S+為 S 的偽逆， S+S=I，上式為正規(guī)的二乘估計算法。 最小二乘法的回歸方程中使用了所有傳感器的輸出項進行估計，由 于交叉敏感和傳感器輸出信號的相似性，信號之間相關(guān)性大，通過 除數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，提取主成分用于回歸方程，該種方法就是主成分回歸法 (主成分的提取法則是沿著觀測數(shù)據(jù)向量方差最大的方向提取，因此它們與被測氣體濃度之間的線性依賴關(guān)系也并非最好 [24]。偏最小二乘法 (夠處理共線性數(shù)據(jù)，在化學(xué)計量的數(shù)據(jù)分析中使用較多。與 同， 次尋找各傳感器與混合氣體濃度之間的最大相關(guān)性。最小二乘法、主成分回歸法和偏最小二乘法的基礎(chǔ)模型都是線性回歸模型，隨著測試氣體濃度范圍的擴展，傳感器響應(yīng)與氣體 濃度之間的非線性關(guān)系逐漸增強，具有非線性擴展能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (函數(shù)逼近網(wǎng)絡(luò) )和遺傳算法在混合氣體分析中得到了廣泛的應(yīng)用 [25]。 聚類分析在電子鼻數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用也較為廣泛，它是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)過程，用于尋找數(shù)據(jù)樣本之間的空間關(guān)系或相似性，主要包括三個基本步驟 :(a) 定義樣本之間的不相似性法則，通常采用歐式距離； (b)定義一種優(yōu)化聚類的法則，通?；陬悆?nèi)和類間結(jié)構(gòu) (如擴展類間距離，壓縮類內(nèi)距離等 )； (c)定義一種搜索算法，用于將某一測試樣本賦給某一類。目前應(yīng)用較多的聚類方法主要有樹狀圖法 (、 C 均值法以及自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (樹狀圖法可以通過自底向上的凝聚算法或者自頂向下的分裂算法形成。 6]等使用樹狀圖法分析了 12 個金屬氧化物氣體傳感器對幾種酒精的識別。將訓(xùn)練樣本隨機設(shè)定為 C 個不相連的類，計算每個類的均值，然后重新分配各樣本到 C 個類中再計算各類的平均值，直到相鄰兩次重新分配的各類均值不變就結(jié)束迭代計算，這種方法就是 C 均值法。隨著模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展，模糊集理論在氣體分析領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用，并在 C 均值算法的基礎(chǔ)上發(fā)展為模糊 C 均值算法。 一種能夠產(chǎn)生拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)的互連接技術(shù)，通常是一個二維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，首先通過競爭機制選擇網(wǎng)格中與數(shù)據(jù)樣本最近的神經(jīng)元及其附近的神經(jīng)元并激活，調(diào)整其在二維網(wǎng)格中的坐標(biāo)使得它們更接近于數(shù)據(jù)樣本 [27]。 聚類、分類和回歸都是氣體分析和氣味識別中的重要問題，聚類是無監(jiān)督的，從廣義上來講，聚類屬于分類。倘若將“類”作為一個變量尋求輸入和這個變量之間的關(guān)系，那么分類實際上又是回歸的一種。因此多種算法都可以同時用于聚類、分類和回歸，比如 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 。無論是何種問題，都需要一些先驗 數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本完成模型的構(gòu)建，最終模型的好壞需要通過一些新的數(shù)據(jù)樣本來說明驗證。驗證哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 10 - 的過程就是使用構(gòu)建的模型對新的樣本進行估計，考察估計的結(jié)果是否令人滿意，這些新的樣本就是測試樣本的選取。測試樣本的選取方法也有多種，如使用新的樣本集或多次交叉驗證法等，在氣體分析中多采用新樣本集進行驗證。 體傳感器溫度調(diào)制及信號處理技術(shù) 作為一種化學(xué)傳感器，在不同的工作溫度下，氣敏材料對不同氣體的吸附選擇性和靈敏度不同。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的氣敏特性受器件溫度的影響和控制，在不同工作溫度范圍內(nèi)對不同氣體的響應(yīng)有所不同。因此，可將半導(dǎo)體氣體傳感器調(diào)制在不同的溫度模式下，測試傳感器在給定溫度模式下對不辰氣體的動態(tài)響應(yīng)信號，結(jié)合信號處理技術(shù)，提取傳感器對不同氣體成分的響應(yīng)特征，用于氣體的識別、量化和分類。 度調(diào)制模式 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最早關(guān)于溫度調(diào)制方面的文獻資料源于美國專利， 1975 8]申請了用于 測的氣體傳感器溫度調(diào)制技術(shù)方面的專利，即控制傳感器低溫檢測、高溫清洗的檢測方法，該技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被司的 感器采用 ;緊接著在 1975 年 請了一個將傳感器控制在高低兩個溫度點而識 別甲烷干擾下的一氧化碳?xì)怏w檢測系統(tǒng)的專利保護； 1980 年 [29]提出了 3 個溫度點的控制系統(tǒng)用于檢測一氧化碳 :之后方波、鋸齒波、三角波等相繼被用于傳感器的控制，試圖識別不同種類的氣體 [30]。氣體傳感器對溫度依賴的一個重要現(xiàn)象為傳感器在升溫和降溫時的滯回現(xiàn)象。 1]是傳感器動態(tài)響應(yīng)的較早研究者之一，它研究了獨立溫度階躍激勵下的傳感器在不同氧分壓下的動態(tài)響應(yīng)特性，并指出當(dāng)傳感器溫度變化的足夠慢時，遲滯效應(yīng)會減弱至最低，他使用了半導(dǎo)體勢壘理論來解釋傳感器的溫度效應(yīng)。 結(jié) 指出，提高氣體檢測系統(tǒng)的選擇性，可以使用工作在不同工作溫度下的傳感器組成陣列，也可以使用一個依次工作在不同溫度下的傳感器來實現(xiàn)。這構(gòu)成了現(xiàn)在氣體檢測領(lǐng)域內(nèi)的兩個主要研究方向。 溫度調(diào)制的一個最簡單方式就是控制傳感器的加熱電壓時通時斷，1992 年， 2]將 體傳感器控制在脈沖加熱電壓下，傳感器首先在 熱電壓下預(yù)熱，當(dāng)響應(yīng)穩(wěn)定時，斷開加熱電壓，監(jiān)測傳感器的響應(yīng)信號，再開啟 熱電壓，依次周期性控制，脈沖電壓的周期為 60s。 [33]每秒鐘給傳感器施加一個持續(xù) 時間為 8加熱脈沖，得到的暫態(tài)響應(yīng)用于定性識別 醇和氫氣。這些都是兩個溫度點之間的階躍 , 但是 5] 等認(rèn)為全量程周期性(熱電壓在傳感器的溫度調(diào)制方面更具有優(yōu)越性和發(fā)展前景。所謂全量程周期性加熱電壓，是指控制傳感器遍歷從室溫到傳感器哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 11 - 容許最高工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度點。原因有三 :1)由于不同氣體對溫度的依賴特性不同，周期性溫度調(diào)制總能控制傳感器針對不同氣體給出典型曲線； 2)低溫時傳感器對氣體的不完全響應(yīng)有累積效應(yīng)，高溫則具有清洗作用； 3)在這個溫度范圍內(nèi)，對應(yīng)某種氣體總有一個最高靈敏度工作溫度點，因而可以提高傳感器的靈敏度。但是，當(dāng)傳感器遍歷所有溫度點時，傳感器電阻本身受溫度的影響極為顯著，很多情況下需要調(diào)整匹配電阻才能準(zhǔn)確測量到傳感器電阻的變化，給測試帶來困難。因此比較合適的方法還是在一定偏壓和幅值下的溫度調(diào)制技術(shù)，而“遍歷”一定范圍內(nèi)的溫度點的思想仍然得到了延續(xù)。迄今為止，應(yīng)用和研究最多的溫度調(diào)制模式是正弦波，因為在正弦加熱電壓控制下，傳感器的溫度變化能夠更好的跟蹤加熱電壓的變化，并且能夠遍歷各個溫度點。 由于燒結(jié)型傳感器以及厚膜傳感器 的加工工藝比較成熟，產(chǎn)品已經(jīng)進入或即將進入市場，產(chǎn)品的可靠性和靈敏度有一定保證，因而它們也成為溫度調(diào)制技術(shù)的主要研究對象，如 司的 型號傳感器。 自 1996 年開始針對 體傳感器進行了一系列溫度調(diào)制方面的研究 [36]，考察了 不同功耗加熱下的 37]，使用每秒鐘高溫 16加熱脈沖調(diào)制傳感器并觀察到傳感器輸出信號在加熱和降溫過程中的遲滯現(xiàn)象，最終確定了正弦溫度調(diào)制模式，頻率 f 為 20間，電壓為V=?考察了該模式下傳感器對高濃度 (1000氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯等氣體的響應(yīng)厚膜氣體傳感器較燒結(jié)型陶瓷傳感器尺寸小，響應(yīng)時間也較快，對氣體的響應(yīng)特征又與燒結(jié)型類似，因此在該領(lǐng)域內(nèi)的溫度調(diào)制技術(shù)研究也較多。 分別考察了厚膜氣體傳感器在正弦溫度調(diào)制模式下的響應(yīng)特征，頻率都為 50度調(diào)制范圍一般低溫 2000?C 至高溫 4000?C 左右。 考察了凝膠溶膠法研制的厚 膜傳感器在 20, 25, 30, 50個頻率以及 20,100,150,200 和 250 幾個溫度范圍調(diào)制下的矩形波的響應(yīng)信號，以及 20率下的幾個波形 (三角波、正弦波、鋸齒波等 )的調(diào)制效應(yīng)，定性分析了各個波形的響應(yīng)，并指出對所使用的傳感器檢測 酮較好的溫度調(diào)制模式為 20250 的矩形波。于鵬等采用高低溫加熱控制下的 4 個傳感器組成陣列用于白酒的識別 ;張正勇等考察了矩形波加熱下的幾種氣體響應(yīng)情況。 微 熱板式薄膜氣體傳感器由于具有尺寸小、溫度響應(yīng)速度快的優(yōu)點，能夠快速跟蹤加熱電壓的變化，在溫度調(diào)制方面應(yīng)更具有優(yōu)越性。 1995 年發(fā)表了溫度調(diào)制模式控制下的傳感器響應(yīng)，考察了以鋸齒波為包絡(luò)的脈沖電壓調(diào)制模式，高溫加熱100降低至室溫，隔 5時間然后采樣傳感器的電阻值，測試了傳感器在丙酮、甲醛、乙醇和甲醇的飽和蒸汽中的響應(yīng)。 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 12 - 號處理方法 溫度調(diào)制擴展了氣體傳感器在時間上的響應(yīng)信號，因此其信號處理方法主要包括了與時間頻率信號處理有關(guān)的快速傅立葉變換 (及離散小波變換 (法，通過 取與氣體有關(guān)的特征信號，再結(jié)合陣列信號處理方法對氣體模式進行識別和量化。 察了換后得到的 2 階諧振信號的實部和虛部隨 1000氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯氣體濃度的變化，并且將 4 個傳感器控制在正弦加熱模式下，提取每個傳感器的 2 階諧振信號實部和虛部組成陣列來識別4 種氣體 于該二階信號比較微弱，他們又提出了使用 2 倍頻的電壓信號對正弦加熱電壓調(diào)制后的信號進行疊加增強二階諧振信號，提高信號的幅度 [38]， 及將考慮的諧頻信號增加到 3 階諧振，提高氣體識別的準(zhǔn)確率。 1995 年報導(dǎo)了氣敏材料受器件溫度的影響，并在1997 年報導(dǎo)了在正弦溫度調(diào)制 (2000?)，頻率為 50式下，傳感器的電阻值經(jīng)過傅立葉變換，然后提取特征值結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了對 使用 及 取頻率信號，結(jié)合 及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對 體響應(yīng)進行了識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為對氣體模式的 01 編碼。之后提出了小波變換與 結(jié)合的信號 處理方法，使用正弦信號或者多個正弦信號疊加后的信號加熱，通過小波變換提取典型頻率特征，然后使用 定出幾種頻率的正弦信號疊加調(diào)制傳感器的識別率中，哪幾種頻率的疊加最好。 入了半導(dǎo)體勢壘模型來分析傳感器受溫度的影響 [39]，該模型的基礎(chǔ)上添加了傳感器表面的化學(xué)反應(yīng)機制，并討論了在材料表面的化學(xué)吸附和反應(yīng)機理，對傳感器的遲滯現(xiàn)象進行了定性的解釋。 該模型的基礎(chǔ)上進行了擴展，采用優(yōu)化的方法，模擬了正弦溫度 調(diào)制模式下的傳感器響應(yīng)，與實際結(jié)果吻合較好。 熱板式薄膜氣體傳感器的溫度調(diào)制基礎(chǔ)上，純粹從信號處理的角度出發(fā)，設(shè)計了溫度調(diào)制下的傳感器響應(yīng)函數(shù)，并在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過比較模型在一定調(diào)制模式下對甲醇和乙醇的響應(yīng)曲線的差值，以兩曲線之間差值的最小均方根最大為目標(biāo)，求解用于區(qū)別該兩種氣體的最佳溫度調(diào)制模式，但是從實驗結(jié)果來看，該方法效果不是很好。 在的問題 從基于統(tǒng)計的模式識別方法到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各種多維信號處理方法在氣體傳感器陣列的信號處理中都有嘗試和應(yīng)用，其中一個主要的應(yīng)用是氣味 的識別。對于多成分氣體的識別和量化技術(shù)，目前較成功的方法是將各個濃度的氣體設(shè)定為一種模式，根據(jù)氣體傳感器陣列的響應(yīng)特征對哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 13 - 各種模式進行識別，要識別的模式數(shù)目依賴于量化的精確程度。精確程度越高，濃度劃分越細(xì)致，模式的數(shù)目就越多，導(dǎo)致訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時間增長，計算量增多，所需測量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)增多，給實際測量帶來不便。有效解決該問題的方法就是建立混合氣體響應(yīng)的回歸模型。作為一種化學(xué)傳感器，氣體傳感器的響應(yīng)受到環(huán)境中溫度、濕度以及各種氣體的影響，諸多干擾因素給氣體傳感器回歸模型的建立增加了很多困難。 溫度調(diào)制模式對傳感器 選擇性的改善程度起著決定性的作用，溫度調(diào)制模式主要由調(diào)制波形、調(diào)制頻率、調(diào)制溫度的幅度以及偏移量等幾個參數(shù)決定，而迄今為止，氣體傳感器的溫度調(diào)制模式的選擇仍處于試錯研究階段，依據(jù)經(jīng)驗根據(jù)實際情況考察適用的溫度調(diào)制模式，其中正弦溫度調(diào)制模式使用最多。目前對溫度調(diào)制模式的研究給出了一些有意義的結(jié)果，但大部分都還局限于定性分析，定量分析以及溫度調(diào)制方面的規(guī)律性的結(jié)論尚未形成。 章小結(jié) 本章主要 分析在一氧化碳傳感器中所采用的信號處理技術(shù) ，對氣體傳感器對信號的預(yù)處理、 模式分類、識別、量化和處理方法做了詳細(xì)的闡述和分 析，同時對這種處理技術(shù)在實際中存在的問題做了記錄并分析其原因，對它的局限性也做了分析。 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 14 - 第 3章 一氧化碳報警器的設(shè)計 設(shè)計一氧化碳報警器，需要根據(jù)其應(yīng)用的場所確定設(shè)計要求，選擇合適的一氧化碳傳感器，確定設(shè)計方案。我們設(shè)計的一氧化碳報警器主要應(yīng)用家庭中，因此選用 氧化碳傳感器進行報警器的設(shè)計，下面我們對該傳感器的原理及設(shè)計進行簡單介紹。 件的結(jié)構(gòu)原理 氧化碳 (傳感器 一種新型的專門用于家庭的 測器。 其結(jié)構(gòu)特點是采用微電子工藝 ,在微型硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱器上制作一層 膜。這種結(jié)構(gòu)不僅使 膜對 體在很寬的溫度范圍內(nèi)都具有敏感性 , 且由于硅膜減少了熱傳導(dǎo)的損失 , 從而大大降低了功耗 ,其結(jié)構(gòu)如圖 3示。 圖 3感器橫截面圖 該傳感器共有 4 個管腳 ,兩個為加熱端 (管腳 1 和 3,腳 3 接地 ),兩個為傳感器輸出端 (管腳 2 和 4 ),等效電路如圖 3示。 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 15 - 圖 3100 等效電路和引腳圖 為使傳感器對 敏感特性處于最佳狀態(tài) , 必須保證 常加熱器及 的溫度與加熱電壓 加熱電流關(guān)。在 體中 ,O 濃度的增大而減小。 件的工作模式 感器實際應(yīng)用時 , 通常采用連續(xù)工作模式 , 此時用周期性脈沖電壓對電阻加熱 ,具體波形參見圖 3 5V,持續(xù) 5 秒 , 1V,持續(xù) 10秒。由于加熱器的電壓為周期性電壓 , 故敏感器的溫度呈現(xiàn)出周期性地變化 ,參見圖 3中在大約 400?C 的高溫時 , 對傳感器的敏感部位進行清潔 (維持 300在小于 100 ?C 的低溫時檢測 圖 3加熱電壓波形圖 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 16 - 圖 3加熱溫度變化圖 在不同的溫度下 ,傳感器的傳感電阻 阻值也不同 ,低值對應(yīng)高溫狀態(tài) ,高值對應(yīng)低溫狀態(tài) 。 在低溫段的最后時刻 , 測量對應(yīng)于 s 阻值。若要得到重復(fù)性較好的 度測量 ,應(yīng)在低溫段的適當(dāng)時刻對 行測量 。 實驗表明 ,如果低溫段時間為 10s ,在 時刻測量最適合。 氧化碳報警器的設(shè)計 設(shè)計的 具有對 敏度高、穩(wěn)定性強等特點 ； 報警器控制部分采用 通過它的A/ 然后進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理 , 其中包括傳感器 (由于在探測 60 環(huán)境濕度的變化對 故忽略對傳感器 。經(jīng)過一定的算法 處理修正后 , 最后通過判斷作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示和報警輸出。 作為一種家用 它主要是測量環(huán)境 判斷該濃度 從而作出相應(yīng)的報警輸出。報警輸出分別采用光報警和聲報警。其功能要求根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定如表 3 表 3度 報警方法 X 400立即報警，亮紅燈，蜂鳴 路原理 一氧化碳報警器電路原理如圖 3 圖 3一氧化碳報警器電路圖 電路的核心部件為 感器 5s(5V,10的方波驅(qū)動。在 很容易利用 但其成本高 , 故可利用圖 3 調(diào)試結(jié)果證明 , 符合器件工作狀態(tài)的 要求。該電路同樣適用于其他公司生產(chǎn)的 僅僅工作周期、驅(qū)動電流大小不同 , 需要加以調(diào)整即可。 本系統(tǒng)所需的直流電源 , 通過 7806、 7805穩(wěn)壓后 ,提供 + 6V 和 + 5中 + 5度傳感器、 + 6境的 分別通過。 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 18 - 圖 3方波產(chǎn)生電路 制過程 一氧化碳報警器的 控制過程 如圖 3 其主要功能是 : 通過控制 輸出電平 , 使方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波 , 去驅(qū)動傳感器 常設(shè)定在 115 同時對溫度傳感器采樣 ,采集當(dāng)時環(huán)境的溫度值 , 實時進行傳感器溫度校正。由于環(huán)境濕度的對 故忽略 , 不進行濕度校正。對于溫度的測量 , 由于使用單片機進行數(shù)據(jù)處理 , 對于傳感器的非線性輸圖出 , 可使用查表法得出最終結(jié)果。它具有程序簡單、執(zhí)行速度快等優(yōu)點。 通常傳感器 而且在 一定溫度下 , 它的靈敏度輸出特性也是非線性的。故對 于溫度變化的特性處理 (假設(shè) 濃度為 60 在溫度 傳感器的輸出電阻 R X, T ) =?·X, 25)， 即 X, 25) = X, T )/ ?， 其中 R s (X, 25)為在一定 度下 (和 25? 根據(jù) 如表 3 哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 19 - 初 始 狀 態(tài) 的 設(shè) 定傳 感 器 檢 查顯 示 故 障 燈預(yù) 加 熱是 否 校 準(zhǔn)產(chǎn) 生 驅(qū) 動 電 壓 9 . 5 樣 ， 校 正判 斷 、 報 警采 集 基 準(zhǔn) 點 并 存 入E E P R O 常 正 常表 3溫度 ?值 0 ?C?5 ?C ?C?15 ?C 5 ?C?35 ?C 1 35 ?C?50 ?C 性濃度分析。 傳感器 6060100200400段 , 經(jīng)分析 , 每一段可哈爾濱理工大學(xué) 遠東學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 - 20 - 作為直線處理近似。 只要預(yù)先記錄 601002004005? 由經(jīng)過溫度校正的電阻值 R s (X, 25?C),的所屬范圍。根據(jù)表 3報警功能設(shè)定 , 由 試和結(jié)果 采用如圖 3 由于 定性好、靈敏度高的特點。加之采用