电子鼻系统毕业论文
材料的重量发生变化，由于涂敷在石英振子上裁量重量的变化，引起石英振子的共振频率变化，通过测量共振频率来测量气体浓度。主要材料有氨基十一烷基硅烷和三乙醇胺等材料，用来测量醋酸蒸汽和SO2等气体。????
石英振子式气体传感器高分子气敏材料吸附气体时，材料的重量发生变化，由于涂敷在石英振子上裁量重量的变化，引起石英振子的共振频率变化，通过测量共振频率来测量气体浓度。主要材料有氨基十一烷基硅烷和三乙醇胺等材料，用来测量醋酸蒸汽和SO2等气体。???? ??
综上所述，气敏传感器的种类繁多，不同类型气敏传感器具有不同的选择性、灵敏度和稳定性，但是表征农产品品质的特征气体之间存在一定相关性，因此需要构建合理的传感器阵列，这样可以排除千扰，保证检测结果的正确性和有效性。
1.4本课题的研究内容和主要工作
本选题来源于国家科技支撑计划子课题-农产品物流动态过程品质监测技术研究。主包括电子鼻系统开发和识别算法设计。
本课题主要针对现有电子鼻系统一般价格较高体积较大的问题进行的改进，目的是使电子鼻系统得到更广泛的应用。研究的台式电子鼻系统，以嵌入式平板电脑作为系统的控制处理核心.使用大量和多种类型的气体传感器组成传感器阵列，结合优化的算法，能够进行多种复杂气味的定性和定量分析。对成本和体积进行了合理的控制，具有较高的性价比。 本课题的主要工作有:
(1)电子鼻系统传感器阵列的设计，传感器信号提取电路的设计和部分传感器的标定:
(2)基于平板电脑的台式电子鼻设计，包括信号采集电路软硬件设计和气路控制软硬件设计:
(3)系统测试和实验结果分析。
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第2章传感器阵列研究
电子鼻是一种对人类等哺乳动物嗅觉系统的模拟，一般由气体传感器阵列、数据采集设备和模式识别系统三部分构成 。气体传感器阵列对应生物嗅觉系统的初级神经元，是电子鼻系统中最关键的部件，通常由多个气敏传感器构成，选择合理的传感器组成传感器阵列能够显著提高电子鼻系统的性能.研究表明，单个的气敏传感器功能十分有限，目前还没有发现对单一气体敏感的传感器材料.解决这个问题的一个可行的办法就是利用多个气体传感器的交叉敏感性构成传感器阵列，同时提取多个传感器的信号进行判断识别.传感器阵列的主要优点有:能够从多个侧面反映气味的信息，这样测试系统就可以得到气味的全面信息描述，使分析结果更加可靠；提高测试系统的选择性，单个气敏传感器一般选择性较差，然而利用气敏传感器的交叉敏感性，可以提高系统的选择性，可以提高系统的可靠性和重复性。研究难点在于传感器阵列的敏感性可以履盖目标气体，阵列中的传感器之间也有明显的选择性差异，即兼顾传感器的灵敏性、广谱性和交叉敏感性.本章主要讲述传感器阵列相关的内容。
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2.1传感器的选型
电子鼻系统中的传感器阵列由多个不同种类或型号的传感器组成，一个测试过程要读入多个数据，如果传感器阵列设计不合理，所得信息中将会有大量的重叠.大量冗余的信息不但影响运算的速度，也会降低计算的精度，还会增加系统的成本。
由于人工嗅觉的测试对象的气味或挥发出的气体往往由多种成分构成，并且有些物体的气味组成成分还不完全清楚，甚至还包含一些微量或痕量的重要气体成分。因此在确定传感器阵列时一定要体现传感器自身的灵敏度和广谱响应特性以及各气敏传感器间的交叉敏感特性。这样，气敏传感器阵列中的各传感器对待测物品气味的响应既有区别、又有联系，表现出一定的相关性;传感器阵列的输出结果也更能较为全面地反映出待测物品气味的化学组成，以使对待测物品的评价结果更为可信.选用的气体传感器应满足一下基本要求 :
(1)气敏传感器应具有很高的灵敏度，能够对痕量级的气体成分进行响应; (2)气敏传感器的选择性不应很高，以便能够对多种气体成分进行综合响应 但又要具有一定的选择性，使气体传感器阵列中的每个传感器的响应值有所不同;
(3)传感器的性能要稳定，传感器不随环境温湿度的变化而发生变化: (4)传感器的响应速度要快，重复性要好。
鉴于传感器阵列选择的重要性。针对果蔬生理呼吸强度指标气体、畜产品和水产品腐败气体等特性.本系统选用半导体气敏传感器、电化学气敏传感器、原电池式氧气传感器、PM
(光离子)传感器、红外吸收式二氧化碳传感器和数字式温湿度传感器组成传感器阵列。下 面简要介绍各传感器的特性: (1)半导体气敏传感器
半导体气敏传感器选用日本费加罗TGS系列传感器和国产MQ系列传感器，这两种传感器的特性大至相同，这类传感器是厚膜金属氧化物半导体型的.金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时，晶体表面的供与电子被转移到吸附在带一个负电荷的晶体的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷.这样，表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动.如图2.1所示:
?? EMBED AutoCAD.Drawing.18 ?????? 图2.1半导休传感器氧化反应示意图
还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低.导致晶粒边界的势垒降低，降低了的势垒使传感器的阻值减小了.
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1/2O2+(SnO2x)﹡→0ˉad(Sn02x ) （2.1） CO+Oˉad(Sn02x)→C02+(Sn02x)* （2.2） .
?? EMBED AutoCAD.Drawing.18 ??????
图2.2半导体传感器还原反应示意图
在一定范围气体浓度中传感器阻值的变换和还原性气体浓度变化之间的关系方程可表示为:
Rs=A[C]ˉɑ
上式中:Rs是传感器电阻，A为常数，[C]是气体浓度，ɑ为Rs曲线的斜率。 这类传感器的基本测试回路如图2.3所示:
?? EMBED AutoCAD.Drawing.18 ??????
图2.3半导体传感器测试回路
如图2.3所示，传感器要施加两个电压:测试用的回路电压(Vc)和加热电压侧（Vh）施加加热电压的主要目的是维持敏感体处于一定的温度上，加热电压要求为5.0±0.2DC/AC。由于这种传感器具有极性，所以回路电压Vc必须是直流电压。 传感器电阻值的变化反应气体浓度的变化，传感器电阻的计算如下式所示:
传感器敏感体消耗的功率Ps可由下式计算:
Ps=（Vc2 *RS）/(RS+RL)2 （2.5）
台式电子鼻系统中半导体气敏分别为:MQ135、 TGS825、 TGS824、 MQ3、 TGS880、 TGS800, TGS822。各传感器的敏感气体及负载电阻如表2.1所示: 表2.1传感器特性表
传感器行列??敏感特性??负载电阻????MQ3??对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性??22K????MQ135??空气污染气体气敏元件，对氨、苯、等较高的敏感性??22K????TGS825??对硫化氢气体有较高的敏感性 ??22K????TGS824??对氨气等有较高的敏感性度??22K????TGS826??对氨气等有较高的敏感性度??22K????TGS880??对乙醇等有机溶剂有较高的敏感性??22K????TGS800??瓦斯气体，烟雾气体传感器??22K????TGS822??对乙醇等有机溶剂有较高的敏感性??22K????
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Rs=[（Vc／Vr）-l]*RL (2.4)
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