電子鼻{附程序+中英文翻譯}

1、摘要 電子鼻是一種由具有部分選擇性的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)組成、能夠識(shí)別簡單或復(fù)雜氣味的儀器。電子鼻在食品工業(yè)、航空航天、環(huán)境監(jiān)測等方面具有誘人的應(yīng)用前景，因此，這一研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和普遍重視，近年來發(fā)展迅速。 電子鼻硬件系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，使用了單片機(jī)的全部內(nèi)資源和多種外部接口技術(shù)。 電子鼻的軟件系統(tǒng)由單片機(jī)軟件和pc機(jī)軟件兩部分組成。單片機(jī)軟件用c語言編寫，在系統(tǒng)脫機(jī)工作時(shí)全面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制、處理、分析和顯示功能;在連機(jī)工作時(shí)，負(fù)責(zé)采樣、數(shù)據(jù)傳送。pc機(jī)軟件用visual c+語言編寫。 關(guān)鍵字:電子鼻氣 敏傳感器陣列 模式識(shí)別 單片機(jī)特征提取abstract

2、the electronic nose is that one kind is has some alternative chemical sensor arrays and proper mode recognition systems to make up , can discern the instrument of the simple or complicated smell . the electronic nose has a captivating application prospect in such aspects as food industry , aero-spac

3、e , environmental monitoring, so, this research field is paid close attention to extensively and generally pay attention to, develop rapidly in recent years.the hardware system of electronic nose is that a typical one-chip computer uses the system, uses all inside resources of the one-chip computer

4、and many kinds of outside interface technology. the software system of the electronic nose is made up of one-chip computer software and pc software. the one-chip computer software is written in c language, realizes to the control , treatment , analysis of the system and shows the function in an all-

5、round way when the system taking off machine works; responsible for sampling , data transmission when the connecting with machine works. the pc software is written with visual c + language.key word: the electronic nose is angry array of the quick sensor pattern-recognition the characteristic of the

6、one-chip computer is drawn、目錄摘要iabstractii目錄iii第1章 緒論11.1電子鼻研究的背景11.1.1氣敏傳感器的應(yīng)用及其局限性11.1.2電子鼻的提出21.2電子鼻的研究現(xiàn)狀21.3論文的主要工作5第2章 電子鼻的原理和結(jié)構(gòu)62.1電子鼻的生物學(xué)基礎(chǔ)62.1.1嗅覺產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)72.1.2嗅覺信號(hào)的傳遞和處理82.1.3嗅覺中樞的反饋82.2電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)92.3傳感器陣列的組成92.4傳感器陣列的簡單模型102.5信號(hào)預(yù)處理電路102.6模式識(shí)別技術(shù)112.7電子鼻中常用的模式識(shí)別方法122.8輸出方式14第3章 傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型153.1

7、傳感器陣列的響應(yīng)矩陣153.1.1氣敏傳感器的響應(yīng)曲線153.1.2信號(hào)預(yù)處理163.1.3陣列對(duì)混合氣體的響應(yīng)173.2系統(tǒng)的識(shí)別性能183.2.1單個(gè)傳感器能識(shí)別的氣體數(shù)183.2.2陣列可識(shí)別的氣體數(shù)203.2.3響應(yīng)的不確定性對(duì)性能的影響253.2.4傳感器的相關(guān)性對(duì)性能的影響26第4章 電子鼻的硬件284.1電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案284.1.1電子鼻系統(tǒng)的研制目標(biāo)284.1.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能294. 2進(jìn)樣系統(tǒng)304.3單片機(jī)及其外圍電路324.3.1 mcs-51單片機(jī)及片外總線結(jié)構(gòu)334.3.2 mcs-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路364.3.3 mcs-51單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展3

8、64.4傳感器加熱電路384.5采樣電路404.6 鍵盤接口424.7字符型液晶顯示模塊lcm接口434. 8串行通信接口44第5章 電子鼻系統(tǒng)軟件465.1串行通信協(xié)議465. 2單片機(jī)軟件495.2.1連機(jī)子程序515.2.2脫機(jī)子程序525.2.3數(shù)據(jù)采集過程52第6章 結(jié)論54致謝55參考文獻(xiàn)56附錄1:中文資料58附錄2:英文資料63附錄3:程序68第1章 緒論 人類已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代，信息的獲取、傳輸和處理成為人類一切社會(huì)活動(dòng)的中心，與此對(duì)應(yīng)的傳感技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)則構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。作為對(duì)信息的準(zhǔn)確獲取和精密檢測的手段，傳感技術(shù)成為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，受到各國的重視

9、并因此成為發(fā)展最迅速的技術(shù)之一. 電子鼻是近年來迅速發(fā)展起來的一個(gè)研究領(lǐng)域，它是一門涉及傳感技術(shù)、模式識(shí)別、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、神經(jīng)生理學(xué)和數(shù)學(xué)等的交叉學(xué)科，傳感器技術(shù)和模式識(shí)別是其兩大基礎(chǔ)，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為其提供了實(shí)現(xiàn)手段，神經(jīng)生理學(xué)和數(shù)學(xué)為其提供了理論基礎(chǔ)并指明了發(fā)展方向。1.1電子鼻研究的背景1.1.1氣敏傳感器的應(yīng)用及其局限性 傳感器是指能感受規(guī)定的被檢測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感技術(shù)是以傳感器為核心，結(jié)合相關(guān)的學(xué)科(微電子學(xué)、材料科學(xué)等)形成的關(guān)于傳感器材料、設(shè)計(jì)、制造、性能和應(yīng)用的綜合技術(shù) 根據(jù)工作原理的不同，傳感器

10、大體上可以分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類。氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一個(gè)重要分支，它是一種能感受被測氣體，并能根據(jù)氣體濃度，按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的裝置，在工業(yè)生產(chǎn)、軍事工程、環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)報(bào)警、食品檢測、醫(yī)療衛(wèi)生等方面有廣泛的應(yīng)用前景。 氣敏傳感器的種類很多，常用的如固態(tài)電解質(zhì)氣敏傳感器、半導(dǎo)體氣敏傳感器、聲表面波氣敏傳感器等。各類氣敏傳感器性能差異較大，各自的主要檢測對(duì)象也不一樣，但是它們都不同程度地存在著諸如選擇性、穩(wěn)定性、一致性等問題。 因此，單個(gè)的氣敏傳感器雖然能有效地用于特定的場合，但是在檢測成分復(fù)雜的混合氣體或揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)時(shí)，在靈敏性、對(duì)復(fù)雜混合物的分辨能力和對(duì)不斷變化的

11、環(huán)境的適應(yīng)性上遠(yuǎn)遜于人的嗅覺系統(tǒng)，更無法和豬、狗等以嗅覺靈敏著稱的動(dòng)物相比。1.1.2電子鼻的提出 目前，在很多領(lǐng)域仍然應(yīng)用人或動(dòng)物的嗅覺對(duì)氣味進(jìn)行分辨、識(shí)別或評(píng)價(jià)，如利用人的嗅覺評(píng)價(jià)食品(如咖啡、白酒等的質(zhì)量)、利用狗的嗅覺檢測毒品和爆炸物等。動(dòng)物的嗅覺具有靈敏度高、容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有訓(xùn)練、學(xué)習(xí)功能。但是，動(dòng)物，特別是人的嗅覺系統(tǒng)有一定的主觀性，并且在一個(gè)環(huán)境中待久了，嗅覺系統(tǒng)容易疲勞，也就是所謂的“久入芝蘭之室而不聞其香，久入鮑魚之肆而不聞其臭”，更重要的是，在自動(dòng)化程度高的領(lǐng)域，如食品工業(yè)，由于生產(chǎn)過程的其他環(huán)節(jié)己經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，用人工去評(píng)價(jià)原料、成品或半成品的質(zhì)量已經(jīng)成為制約生產(chǎn)效

12、率進(jìn)一步提高的瓶頸。 一個(gè)模擬嗅覺分辨機(jī)理的設(shè)備，如果能克服單個(gè)傳感器的缺點(diǎn)，既能檢測特定的氣體，又能評(píng)價(jià)混合氣體或揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，再加上它不會(huì)疲勞，可以給出客觀的數(shù)據(jù)或結(jié)論，將會(huì)在某些領(lǐng)域中部分或完全替代動(dòng)物的嗅覺，在特殊環(huán)境條件下更將大有用武之地。 雖然生物學(xué)家至今尚未完全理解嗅覺感受和氣味辨別所涉及的生物化學(xué)機(jī)理，但是相關(guān)技術(shù)的發(fā)展使得通過電子方法模擬動(dòng)物的鼻子成為可能。在此過程中，人們主要是模仿生物嗅覺系統(tǒng)的兩個(gè)基本特征：(1)對(duì)多種氣體和氣味敏感；(2)通過必要的處理，能夠識(shí)別所聞到的氣體或氣味。1.2電子鼻的研究現(xiàn)狀 在過去的三十多年中，一些研究人員一直活躍在這一領(lǐng)域，包括wilk

13、ens ,dravnieks, tanyolac, herberhold, persaud, dodd以及abe等人，他們都曾經(jīng)嘗試設(shè)計(jì)和制造包含生物嗅覺系統(tǒng)概念的設(shè)備。1964年，wilkens和hatman提出對(duì)嗅覺過程的電子模擬，這是有關(guān)電子鼻的最早報(bào)道。1982年，英國warwick大學(xué)的persaud和dodd提出了電子鼻的概念，他們的電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)兩部分，而前者由三個(gè)半導(dǎo)體氣敏傳感器組成。這一簡單的系統(tǒng)可以分辨按樹腦、玫瑰油、丁香芽油等21種復(fù)雜的揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的氣味。1994年，英國warwick大學(xué)的gardner和southampton大學(xué)的bar

14、tlett使用了“電子鼻”這一術(shù)語并給出了定義“電子鼻是一種由具有部分選擇性的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)組成，能識(shí)別簡單或復(fù)雜氣味的儀器”。 隨著材料科學(xué)和制造工藝的發(fā)展，經(jīng)過warwick(英國)、southampton(英國)、toulouse(法國)和tuebingen(德國)等大學(xué)的研究人員十幾年的努力，電子鼻的研究達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)高的水平。 目前，電子鼻的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:1.器件方面的研究:包括新型敏感材料，特別是有機(jī)材料、復(fù)合材料和生物敏感材料，以及新型傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝研究。目前已經(jīng)開發(fā)出多種敏感材料和陣列結(jié)構(gòu)。 2.模式識(shí)別方法的研究:包括適合傳感器陣列響應(yīng)信

15、號(hào)的特征提取方法和模式識(shí)別方法兩方面，常用的模式識(shí)別方法有統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的方法(包括主成分分析、判別函數(shù)分析、聚類分析等)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(包括bp網(wǎng)絡(luò)、kohonen網(wǎng)絡(luò)等)的方法，表1. 1給出了電子鼻中常用的模式識(shí)別方法。與統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)模式識(shí)別有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):它本身模擬了神經(jīng)信號(hào)的傳輸和整合機(jī)理，和嗅覺系統(tǒng)最為接近；良好的容錯(cuò)性和很強(qiáng)的適應(yīng)能力；具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力;網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練好后具有快速操作性能。因而ann在電子鼻研究中最具有應(yīng)用前景。表1.1 電子鼻中常用的識(shí)別方法模式識(shí)別方法監(jiān)督參數(shù)線性傳感器主成分分析有無是mos,cp,qmb判別函數(shù)分

16、析(dfa)有有是/否mos,cpbp網(wǎng)絡(luò)有無 無mos,cp,saw歐幾里德聚類分析無無是mos,cp,saw非歐幾里德聚類分析無無否mos,cp,sawkohonen網(wǎng)絡(luò)無無無mos,cp,saw模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fnn)無無無mos 3.應(yīng)用研究，特別是在食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)和航天工業(yè)方面的研究，電子鼻被用來分析肉類、水果等的新鮮度、環(huán)境中有害氣體的含量、航天器中氣體的成分和濃度等。 4.前瞻性研究，如分布式電子鼻網(wǎng)絡(luò)、“nose on a chip”等。國外由于電子鼻研究開展較早，1995就出現(xiàn)了商品化的電子鼻設(shè)備。目前，alpha mos(法國)、airsense(德國)，能夠提供電子鼻設(shè)

17、備。(部分有代表性的產(chǎn)品如表1. 2所示)表1.2 部分商品化的電子鼻產(chǎn)品名稱公司構(gòu)成或應(yīng)用說明 a32/8s英國neotronics使用32個(gè)cp傳感器，與計(jì)算機(jī)聯(lián)用nose英國osmetech plc使用10個(gè)cp傳感器，檢測啤酒 fox5000法國alpha mos4個(gè)帶有各自溫度和濕度傳感器（mos，cp，或qcm）陣列，與計(jì)算機(jī)聯(lián)用bh114英國第一臺(tái)基于電子鼻的質(zhì)譜儀，與計(jì)算機(jī)聯(lián)用smart nose-300瑞士 smart nose使用14個(gè)cp傳感器，與計(jì)算機(jī)聯(lián)用 pen德國wma airsense analsentechnik使用10個(gè)mos氣敏傳感器的臺(tái)式電子鼻mode14

18、100美國 estcal便攜式模塊化電子鼻，包含qmb，mos，溫度，電化學(xué)等多種傳感器 比較而言，國內(nèi)的電子鼻的研究工作起步較晚，研究水平還處在實(shí)驗(yàn)室階段，表1. 3列出了部分研究單位及其成果。表1.3 國內(nèi)部分電子鼻研究單位研究單位陣列構(gòu)成應(yīng)用中科院半導(dǎo)體所石英晶振酒類，醬油，清涼油等浙江大學(xué)生物系laps器件呼吸氣體丙酮含量廈門大學(xué)化學(xué)系聲表面波器件有機(jī)試劑，酒類，香料等解放軍防化研究院金屬氧化物氣敏傳感器有毒氣體，酒類，香水類 1.3論文的主要工作 本論文的主要工作是跟蹤國際先進(jìn)水平，進(jìn)行電子鼻及其應(yīng)用研究，從電子鼻的生物學(xué)原理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及具體應(yīng)用等方面對(duì)電子

19、鼻進(jìn)行系統(tǒng)研究。論文的主要內(nèi)容包括以下三個(gè)部分： 1)電子鼻原理與結(jié)構(gòu)研究。從生物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和嗅覺機(jī)理出發(fā)，全面總結(jié)了電子鼻的原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想。在傳感器陣列的組成、信號(hào)預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)、模式識(shí)別方法的選擇等方面進(jìn)行了總結(jié)和探討。 2)提出了一種傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出傳感器陣列的規(guī)模、信號(hào)量化的位數(shù)與電子鼻識(shí)別能力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，量化了信號(hào)的不確定性對(duì)電子鼻性能的影響。 3)用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)電子鼻系統(tǒng)電路，包括進(jìn)樣系統(tǒng)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和pc機(jī)。 進(jìn)樣系統(tǒng)為一種新型流氣式進(jìn)樣系統(tǒng)，可以保證進(jìn)樣過程的重復(fù)性，為傳感器陣列動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及后續(xù)處理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)使

20、用了單片機(jī)的全部內(nèi)部資源和多種外部接口技術(shù)。其中，提出了一種新的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，很好地解決了采樣電路的靈敏度問題。本文的內(nèi)容安排如下：第二章，電子鼻的原理和結(jié)構(gòu)。第三章，傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型，第四章電子鼻系統(tǒng)的硬件。第五章，電子鼻系統(tǒng)的軟件。第六章，結(jié)論與展望。全面總結(jié)論文工作。第2章 電子鼻的原理和結(jié)構(gòu) 電子鼻是模擬生物嗅覺系統(tǒng)，由傳感器陣列結(jié)合模式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成的。對(duì)生物嗅覺系統(tǒng)的神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)和嗅覺的生物化學(xué)機(jī)理的理解決定了電子鼻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、傳感器陣列的組成和模式識(shí)別方法的使用。 本章從生物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，論述了電子鼻的原理和結(jié)構(gòu)，并提出了自己的理解?？偨Y(jié)出電子鼻設(shè)計(jì)的一些指導(dǎo)思想，如

21、傳感器的選擇、特征提取和模式識(shí)別方法。2.1電子鼻的生物學(xué)基礎(chǔ) 嗅覺是生物的嗅覺系統(tǒng)對(duì)某種氣體或揮發(fā)性物質(zhì)的分子產(chǎn)生的一種生理反應(yīng)。人的嗅覺傳導(dǎo)通路如圖2. 1所示。嗅覺的感受器細(xì)胞是位于嗅上皮上的嗅細(xì)胞，嗅細(xì)胞向嗅球發(fā)出軸突，在那里與僧帽細(xì)胞發(fā)出的樹突相連接。大約有25, 000根軸突進(jìn)入一個(gè)嗅球，與25個(gè)左右的僧帽細(xì)胞相連，再由僧帽細(xì)胞通過嗅束把信號(hào)傳送到中樞。 圖2.1 人的嗅覺傳導(dǎo)通路 圖2.2 嗅上皮的結(jié)構(gòu)2.1.1嗅覺產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn) 刺激感受器的氣味分子首先被黏液吸收，然后擴(kuò)散到纖毛(可能還有小球)處，與膜受體結(jié)合。刺激物與感受器反應(yīng)，增加了嗅纖毛的通透性，改變膜電導(dǎo)，引起膜電位

22、的變化。這樣嗅細(xì)胞就產(chǎn)生感受器電位并導(dǎo)致嗅神經(jīng)纖維產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)。嗅覺感受器能在幾毫秒內(nèi)對(duì)揮發(fā)物質(zhì)起反應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間較一些氣敏元件短得多。 嗅電圖(electro-olfactogram, eog,嗅覺膜上記錄到的生物電反應(yīng))的振幅及嗅神經(jīng)脈沖的發(fā)送頻率在很大范圍內(nèi)均與刺激強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，跨度為2-3個(gè)對(duì)數(shù)范圍。不同的氣體分子的嗅覺閉值相差很大，有些特別低，如每毫升空氣中只要存在1 /25, 000, 000, 000, 000mg的甲基硫醇就能被嗅出。 有時(shí)候，盡管域值低的揮發(fā)性物質(zhì)在混合氣體或氣味中的含量很少，但這類微量雜質(zhì)在特定的環(huán)境中可以對(duì)嗅覺系統(tǒng)感受到的氣味產(chǎn)生顯著的影響，甚至的混合氣

23、決定了復(fù)雜體或氣味的氣味輪廓(odor profile)。很多食物敗味就是因?yàn)槌霈F(xiàn)了這類功能強(qiáng)大的揮發(fā)性物質(zhì)，這樣使得對(duì)氣味的感受無法與氣味的主要成分統(tǒng)一。 這一現(xiàn)實(shí)帶來了兩方面的問題:1.考慮到氣味是一種主觀感受，所以氣味識(shí)別必須要解決這一問題，即不能簡單地根據(jù)各個(gè)氣體成分的濃度來決定混合物的味道。這也是氣味識(shí)別不同與氣體識(shí)別的地方之一。2.在食品檢測，如魚的新鮮度檢測時(shí)可能需要靈敏度較高的傳感器。 雖然有的感受器細(xì)胞很可能只對(duì)狹小范圍內(nèi)的哺乳類動(dòng)物信息素起反應(yīng)，但是總的說來，一個(gè)特定的感受器細(xì)胞對(duì)于一組氣味刺激的反應(yīng)，顯示一種寬廣的響應(yīng)譜，還沒有找到昆蟲那種第一類的氣味“專家”。嗅細(xì)胞可能

24、不同程度地對(duì)11或12種不同的氣味敏感嗅覺系統(tǒng)的專一性是通過將這些帶有部分重合的敏感特性的感受器細(xì)胞組合起來得到的. 參考嗅細(xì)胞的這一特性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)傳感器陣列時(shí)，可以充分利用氣敏元件的“交叉敏”。這樣，一方面變降低了對(duì)傳感器的選擇性的要求，另一方面也有利于提高陣列的效率。2.1.2嗅覺信號(hào)的傳遞和處理 嗅感受器以每秒1-3個(gè)的低頻率發(fā)送脈沖。大多數(shù)氣體使脈沖數(shù)量增加，也有少數(shù)氣體能抑制脈沖發(fā)放。強(qiáng)烈的氣味可以顯著增加脈沖的頻率，最大可增加20倍。電生理學(xué)的研究表明，在沒有氣味刺激時(shí)，僧帽細(xì)胞就有一種持續(xù)的“自發(fā)電位”。當(dāng)受氣味刺激時(shí)，就在這種背景脈沖上引起頻率的增減. 根據(jù)這一現(xiàn)實(shí)，我們可以

25、把嗅覺信號(hào)看作調(diào)頻信號(hào)，準(zhǔn)確地講是調(diào)頻準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。從這種意義上來說，使用聲表面波器件(sawd)氣體傳感器來構(gòu)造傳感器陣列更接近生物學(xué)系統(tǒng)。 嗅覺信號(hào)沿著感受器神經(jīng)元的軸突傳播至嗅球中的幾千個(gè)神經(jīng)纖維球中，經(jīng)過某種處理后由嗅球的傳出神經(jīng)元一僧帽細(xì)胞向神經(jīng)中樞傳送。前面說過，每個(gè)嗅球大約有25, 000個(gè)傳入神經(jīng)元和25個(gè)傳出神經(jīng)元，這種神經(jīng)結(jié)構(gòu)通過對(duì)基本信號(hào)的高度整合提供了巨大的計(jì)算能力，從而也有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。 嗅球呈球狀結(jié)構(gòu)，其中包含了發(fā)生較高層次處理的神經(jīng)纖維球。在嗅球的表面可以觀察到二維活動(dòng)模式。那里表現(xiàn)為氣味和區(qū)域沒有空間關(guān)系，或者說，沒有某個(gè)區(qū)域用于薄菏味而另一個(gè)區(qū)域用于刺鼻的氣味

26、，該處理更多地表現(xiàn)為空間付立葉變換。因而，破壞嗅球的一部分只是限制了氣味感覺的精度而不是其范圍。這種生物學(xué)設(shè)計(jì)有較好的容錯(cuò)性，在信號(hào)處理中有好處。 嗅覺信號(hào)由僧帽細(xì)胞直接或間接傳到腦的有關(guān)區(qū)域。在那里進(jìn)行進(jìn)一步的整合，產(chǎn)生嗅覺的基本反應(yīng)和更復(fù)雜的條件反射。2.1.3嗅覺中樞的反饋 中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)嗅球活動(dòng)還存在著傳出控制。嗅覺中樞發(fā)出的神經(jīng)纖維通過嗅束進(jìn)入嗅球，這是從中樞到外周的傳出。這些神經(jīng)纖維與位于嗅球中央的大量小的顆粒細(xì)胞相聯(lián)系，并通過后者對(duì)僧帽細(xì)胞產(chǎn)生抑制神經(jīng)樹突?？梢哉J(rèn)為，這種對(duì)于嗅球的抑制，是嗅覺中樞的反饋?zhàn)饔?，它可能?duì)產(chǎn)生適應(yīng)和提高區(qū)分各種氣味的能力有關(guān)。2.2電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 典

27、型的電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，它一般由傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)、模式識(shí)別系統(tǒng)組成，由單片機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制、計(jì)算和i/0接口?？疾靾D2.1和圖2.3，我們可以簡單地從結(jié)構(gòu)上將傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理、模式識(shí)別分別與嗅覺膜、嗅小球、神經(jīng)中樞相類比，更重要的是在功能上電子鼻系統(tǒng)在下面兩個(gè)方面也具有生物嗅覺系統(tǒng)的特點(diǎn):(1)對(duì)多種氣體或氣味敏感:(2)通過必要的處理，能夠識(shí)別所感受到的氣體或氣味。結(jié)果輸出模式識(shí)別信號(hào)預(yù)處理傳感器陣列 圖2.3 電子鼻系統(tǒng)2.3傳感器陣列的組成 氣敏傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，合適的陣列對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。陣列可以是由多個(gè)分立元件構(gòu)成，也可以是單片集

28、成的。對(duì)器件的主要要求為： 1.在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器陣列的尺寸都是最重要的。如果需要很多敏感元件，最好使用集成的氣敏傳感器陣列而不是由分立元件構(gòu)造陣列。目前已經(jīng)開發(fā)出多種敏感材料和陣列結(jié)構(gòu)的微型氣敏傳感器陣列。幾個(gè)研究小組己經(jīng)開發(fā)出集成的金屬氧化物傳感器。在保證相同數(shù)量級(jí)的敏感性這一條件下，和tgs器件相比，它們有低得多的功耗和較好的穩(wěn)定性。無機(jī)傳感器制造工藝和硅工藝過程兼容，只要改進(jìn)這些器件的敏感性就可能取得重大進(jìn)展 2.檢測過程是可逆的，器件應(yīng)該性能穩(wěn)定，工作可靠，重復(fù)性好，但考慮到有時(shí)需要更換傳感器，所以更加要求傳感器的一致性。 3.具有廣譜響應(yīng)的特性，但對(duì)于不同種類的氣體，響應(yīng)程度

29、不同?？紤]到在生物嗅覺系統(tǒng)中，一個(gè)感受器細(xì)胞可能不同程度地對(duì)十多種不同的氣味敏感，顯示出一種很寬的響應(yīng)譜，而系統(tǒng)的選擇性是通過整合來自多個(gè)交叉敏感的感受器細(xì)胞的信號(hào)得到的。我們?cè)跇?gòu)造傳感器陣列時(shí)，盡量使各氣敏器件或單元有一定的交叉敏。這樣，不僅降低了對(duì)傳感器的選擇性的要求，而且也有利于提高陣列的效率。電子鼻系統(tǒng)就是利用傳感器陣列的交叉敏感特性，通過模式識(shí)別技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性并提高測量精度的。2.4傳感器陣列的簡單模型 關(guān)于傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型，目前還沒有詳細(xì)完備的描述，常用的說法是:選用m個(gè)器件構(gòu)成一個(gè)陣列，每個(gè)傳感器有n種測試模式，這樣陣列共有p=mxn個(gè)模式。圖2. 4給出了傳感器陣列

30、的測試模型，傳感器陣列對(duì)于被測氣體的響應(yīng)，在不同的測試模式中是不同的。 hc1 cono . . . . 傳感器11傳感器2傳感器m測試1測試2測試n圖2.4 傳感器陣列測試模型2.5信號(hào)預(yù)處理電路 一般而言，信號(hào)預(yù)處理包括信號(hào)調(diào)節(jié)和ad采樣，前者將傳感器對(duì)氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀诇y量的電信號(hào)(電壓或電流)，后者則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號(hào)。二者是相互影響、相互制約的關(guān)系，只有良好配合才能充分發(fā)揮信號(hào)預(yù)處理的作用，獲取關(guān)于被測樣本的足夠多的信息量，為后面的模式識(shí)別打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 a 分壓電路 b電橋 c 反向放大器 信號(hào)調(diào)節(jié)電路本質(zhì)上是一種接口電路，設(shè)計(jì)時(shí)在考慮輸出電信號(hào)本身的

31、精度和動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，也應(yīng)該考慮adc的輸入范圍和量化精度以及后續(xù)處理的進(jìn)一步要求。具體到電子鼻，在定性分析中，如果只關(guān)心穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可以將電路設(shè)計(jì)為在傳感器達(dá)到穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)，測量的靈敏度最大，其余過程就不太關(guān)心。如果想利用整條響應(yīng)曲線，則要將電路設(shè)計(jì)為輸出信號(hào)與傳感器電阻的變化成正比。保證整個(gè)過程的測量精度。如果想進(jìn)一步定量分析樣本，則希望輸出信號(hào)與樣本的濃度成正比。同時(shí)，輸出信號(hào)要滿足adc的動(dòng)態(tài)范圍。 2.6模式識(shí)別技術(shù) 模式識(shí)別是伴隨著計(jì)算機(jī)的研究、應(yīng)用發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，在計(jì)算機(jī)理論、信號(hào)與信息處理、自動(dòng)控制理論等方面得到了廣泛的應(yīng)用。近年來被用于智能嗅敏中，已引起普遍的重視。 按照

32、廣義的定義，模式是一些供模仿用的、完美無缺的標(biāo)本;模式識(shí)別就是識(shí)別出特定客體所模仿的標(biāo)本。具體地說，模式被理解成取自客觀世界有限部分的單一樣本的被測量值的綜合;模式識(shí)別就是試圖確定一個(gè)樣本的類別屬性，即把某一樣本歸屬于多個(gè)類型中的某一類型.圖2.6為模式識(shí)別的過程框圖，其中每一步都關(guān)系到最終的分類結(jié)果模式采集預(yù)處理模式分類特征提取被識(shí)別對(duì)象圖2.6 模式識(shí)別框圖 被識(shí)別的對(duì)象是我們感興趣的電信號(hào)或非電量。在電子鼻系統(tǒng)中為單一或混合氣體或各種氣味。 模式采集是由能測量各種特征的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的，目的是將樣本映射到模式空間(所有樣本觀測數(shù)據(jù)的全體構(gòu)成的n維空間)。 在模式空間中，根據(jù)不同的研究對(duì)象

33、和要求，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同形式的預(yù)處理。預(yù)處理的可以實(shí)現(xiàn)以下功能:1,濾除模式采集過程中引入的噪聲和干擾，提高信噪比;2、消除信號(hào)的模糊和失真，人為地增強(qiáng)有用信號(hào):3、為后級(jí)處理方便，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q為了降低模式空間中數(shù)據(jù)的維數(shù)以減少運(yùn)算量，結(jié)合模式分類時(shí)的判決準(zhǔn)則壓縮數(shù)據(jù)的維數(shù)稱為特征提取。降維后的數(shù)據(jù)構(gòu)成特征空間。通過特征提取不僅可以減少運(yùn)算量，而且往往有利于提高分類的準(zhǔn)確率，盡管降維時(shí)損失了信息量。 模式分類是將特征空間劃分為類型空間。分類的方法有很多，如統(tǒng)計(jì)決策方法、句法結(jié)構(gòu)方法、模糊判決方法和人工智能方法。前兩種發(fā)展的比較成熟，效果也不錯(cuò)。模糊判決法是將模糊數(shù)學(xué)的有關(guān)研究成果引入

34、前兩種方法中發(fā)展起來的。人工智能的方法，特別是其中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法更具有誘人的前景。2.7電子鼻中常用的模式識(shí)別方法 哺乳動(dòng)物的鼻子包含了一些很復(fù)雜的模式識(shí)別的內(nèi)容，它把極端敏感性和寬的選擇性結(jié)合起來。據(jù)信這是通過在集中的神經(jīng)元通路上廣泛地組織調(diào)諧接受器細(xì)胞來獲取的。其中每個(gè)通路發(fā)送與混合氣味中某單個(gè)特征有關(guān)的信息。因而，模擬意味著電子氣體敏感單元必須包含一些類型的特征提取。電子鼻系統(tǒng)中常用的模式識(shí)別方法有以下幾種: 1.統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別 統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別是一類傳統(tǒng)的模式識(shí)別方法，包括幾何分類(線性分類，非線性分類)、統(tǒng)計(jì)分類(bayes決策)和無教師的分類(聚類分析)。 2.模糊模式識(shí)別 模糊數(shù)

35、學(xué)是誕生于1965年的一門新興學(xué)科，它是用來研究模糊現(xiàn)象的定量處理方法。模糊性是指存在于現(xiàn)實(shí)中的不確定性，這種不確定性是由排中律的破缺造成的。如“健康”就是一個(gè)不確定的概念，它與“不健康”之間沒有明確的界限。由于許多客觀事物的特征具有模糊性，所以人們可以采用模糊數(shù)學(xué)得方法對(duì)模糊的客觀事物進(jìn)行識(shí)別和分類，如預(yù)報(bào)天氣、衛(wèi)星偵察軍事設(shè)施等，都屬于f ( fuzzy)模式識(shí)別。 模糊模式識(shí)別大致有兩種方法:一種是直接方法，按“最大隸屬度原則”歸類，主要用于個(gè)體的識(shí)別;另一種是間接方法，按“擇近原則”歸類，一般用于群體模型的識(shí)別。對(duì)于具體的應(yīng)用問題，f模式識(shí)別最重要的是建立f集的隸屬函數(shù)。常用的方法有f

36、統(tǒng)計(jì)方法、三分法、f分布等。 3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)也被廣泛用于電子鼻系統(tǒng)a, zz, zal。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)人腦的基本功能特征，試圖模仿生物學(xué)系統(tǒng)的功能或結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來的一種新型信息處理系統(tǒng)或計(jì)算體系。它不是生物體真實(shí)神經(jīng)系統(tǒng)的拷貝，而僅是其數(shù)學(xué)抽象及粗略的逼近和模仿。 從本質(zhì)上講，這是一類由大量基本信息處理單元通過廣泛聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的動(dòng)態(tài)信息處理系統(tǒng)。其信息處理是并行的，由計(jì)算處理單元間的相互作用來實(shí)現(xiàn);其信息和知識(shí)的表達(dá)是分布的，以網(wǎng)絡(luò)各單元相互之間的物理聯(lián)系作為知識(shí)與信息的存儲(chǔ)形式。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，信息由各單元間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度所編碼表達(dá)

37、。由于用聯(lián)結(jié)強(qiáng)度來表達(dá)知識(shí)，故網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的目的就是尋找一組合適的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，網(wǎng)絡(luò)的記憶存儲(chǔ)行為表現(xiàn)為各單元間聯(lián)結(jié)權(quán)重的動(dòng)態(tài)演化過程. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別提供了氣味識(shí)別的并行分布式處理解決方法。和傳統(tǒng)的模式識(shí)別技術(shù)相比，它們有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):良好的容錯(cuò)性和很強(qiáng)的適應(yīng)能力:具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力:網(wǎng)絡(luò)一旦被訓(xùn)練好后具有快速操作性能。然而網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)和時(shí)間，同時(shí)，和多變量統(tǒng)計(jì)技術(shù)相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)缺點(diǎn)是分類器的不透明。統(tǒng)計(jì)技術(shù)可以提供分類時(shí)的信任度和附加信息以幫助解釋哪些傳感器在辨別時(shí)最有用(不一定是最敏感的元件)。對(duì)于一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，知識(shí)保留在各神經(jīng)元的聯(lián)結(jié)矩陣的元素上。

38、因?yàn)槟呐率且缓苄〉木W(wǎng)絡(luò)也需要大量的聯(lián)結(jié)，所以提取刻劃每個(gè)傳感器對(duì)最終分類的貢獻(xiàn)的信息和信任度是困難的。輸入m輸入1輸出1輸出n 圖2.7 一個(gè)典型的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三層，使用反傳算法(b-p算法)訓(xùn)練，也有人使用多層網(wǎng)或其它類型的網(wǎng)絡(luò)。圖2. 8給出了一個(gè)使用b-p算法的三層網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。這里，輸入層被從傳感器輸出來的信息激勵(lì)，該激勵(lì)將經(jīng)過加權(quán)后傳遞，通過第二層(隱藏層)到達(dá)輸出層。因此，輸入神經(jīng)元的數(shù)量是陣列中所用傳感器數(shù)量的函數(shù)，典型的輸出神經(jīng)元的數(shù)量等于被分成的類別數(shù)。對(duì)某一未知樣本，根據(jù)輸出層神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)的電平可以有效地分類該樣本。在訓(xùn)練時(shí)，從傳感器陣列來的樣本被送到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端，生

39、成一個(gè)可以和己知的目標(biāo)輸出矢量比較的網(wǎng)絡(luò)輸出矢量。可以計(jì)算二者的誤差并據(jù)此修正權(quán)重矩陣的元素，并在隨后的迭代過程中進(jìn)一步地減少誤差。迭代是從輸出層到輸入層反向通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。如果目標(biāo)矢量和輸出矢量沒有差別，就不調(diào)整權(quán)重因而也沒發(fā)生學(xué)習(xí). 模式識(shí)別在氣味辨別上的應(yīng)用仍處于早期階段。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可以使用幾種補(bǔ)充技術(shù)和智能處理來辨認(rèn)傳感器提供的最有用的相關(guān)信息。2.8輸出方式根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，電子鼻有兩種輸出方式:1、直接輸出識(shí)別或分類結(jié)果，適用于完全用電子鼻來做決策的情況 , 2、輸出被測物的數(shù)字指紋(特征值)，供人或分布式電子鼻系統(tǒng)中的主機(jī)系統(tǒng)作為參考依據(jù)。第3章 傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型 在電子鼻系

40、統(tǒng)中，傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)是兩個(gè)基本組成部分，信號(hào)預(yù)處理是二者之間數(shù)據(jù)聯(lián)系的橋梁。傳感器陣列可以是單片集成的，也可以由多個(gè)分立元件組成。傳感器陣列的每個(gè)單元對(duì)一種或多種氣體敏感，整個(gè)陣列對(duì)不同氣體的響應(yīng)構(gòu)成一個(gè)響應(yīng)矩陣。時(shí)間序列的特性和精度直接影響著模式識(shí)別方法的選擇，并最終決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，如分辨率、靈敏度、一致性等。 本文在介紹氣敏傳感器響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上，從概率論和隨機(jī)過程的理論出發(fā)，討論了傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型，包括信號(hào)預(yù)處理和特征提取方法，并探討了傳感器陣列的維數(shù)和adc的位數(shù)等參數(shù)對(duì)電子鼻性能的影響。3.1傳感器陣列的響應(yīng)矩陣圖3.2 氣敏傳感器的響應(yīng)曲線3.1.1氣敏傳感器的

41、響應(yīng)曲線 在電子鼻中應(yīng)用的傳感器種類比較多，常用的如半導(dǎo)體氣敏傳感器、導(dǎo)電聚合物、聲表面波器件等。我們以半導(dǎo)體氣敏傳感器為例來描述氣敏傳感器的響應(yīng)曲線。圖3. 2給出了典型的半導(dǎo)體氣敏傳感器響應(yīng)曲線，測量參數(shù)為傳感器的電阻值。整條曲線分為四段:1.穩(wěn)定狀態(tài)，傳感器加熱后在測試環(huán)境中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2.吸附過程，傳感器吸附待測樣品，電阻值發(fā)生變化。半導(dǎo)體傳感器的響應(yīng)時(shí)間一般在1分鐘以內(nèi)。3.最大響應(yīng)，經(jīng)過一定的時(shí)間，傳感器的響應(yīng)趨于一個(gè)穩(wěn)定值。4.脫附過程，傳感器和樣品脫離接觸，一段時(shí)間后，傳感器的電阻值重新恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。氣敏傳感器響應(yīng)過程的后三個(gè)階段都包含有與樣品有的信息，在實(shí)際應(yīng)用中，人們通

42、常只使用傳感器的最大響應(yīng)，而沒有利用其余兩個(gè)過程的信息。這時(shí)，人們不太關(guān)心脫附過程，只記錄傳感器由穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到最大響應(yīng)，即穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的過程，也就是圖2中由0到t:這一段，一般t2會(huì)取的很大。這樣做，損失了大量的信息，其結(jié)果是降低了識(shí)別效果。在電子鼻設(shè)計(jì)中，可以充分利用整條曲線的信息量，大大提高了識(shí)別效果。 3.1.2信號(hào)預(yù)處理圖3.2 氣敏傳感器的響應(yīng)曲線 一般而言，信號(hào)預(yù)處理包括信號(hào)調(diào)節(jié)和ad采樣，前者將傳感器對(duì)氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足adc量程、容易測量的電信號(hào)(電壓或電流)，后者則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)主要取決于傳感器的響應(yīng)特性和后續(xù)處理要求，信號(hào)調(diào)

43、節(jié)電路的傳輸函數(shù)h(t)和adc的位數(shù)k直接決定了量化后的數(shù)字信號(hào)所包含的信息量，從根本上決定了模式識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別精度。 在圖3. 5中。從圖中可以看出，經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理，傳感器的響應(yīng)由隨機(jī)過程轉(zhuǎn)變成時(shí)間序列。以后，就把這一時(shí)間序列稱作傳感器的輸出信號(hào)。在信號(hào)預(yù)處理過程中，信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的噪聲成分進(jìn)行了變換，并引入了新的噪聲，adc也產(chǎn)生了量化噪聲。這里，我們無意分析具體噪聲，只是將輸出信號(hào)x(n)看作一個(gè)確定信號(hào)r (n)和一個(gè)噪聲序列v (n)信號(hào)之和，為簡單起見，仍然將v(n)看作高斯噪聲。3.1.3陣列對(duì)混合氣體的響應(yīng) 從數(shù)學(xué)上講，構(gòu)造傳感器陣列最簡單的方式是針對(duì)每種待測氣體選擇一種只對(duì)

44、該氣體敏感的傳感器。這時(shí)，m=n，響應(yīng)矩陣退化為對(duì)角陣。在這種情況下，數(shù)據(jù)的處理相對(duì)簡單，用不著采用復(fù)雜的模式識(shí)別方法，只需要分別處理單個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)就可以得到對(duì)應(yīng)氣體的全部信息?？上饷魝鞲衅鳠o法作到只對(duì)某種氣體敏感，它們都程度不同地對(duì)其它氣體具有交叉敏感特性:同時(shí)，如果每種氣體都配一種傳感器，在分析復(fù)雜氣體時(shí)，陣列的規(guī)模也是無法忍受的。所以，上述情況在物理上基本無法實(shí)現(xiàn)。 事實(shí)上，在電子鼻系統(tǒng)中，恰恰是利用了傳感器的交叉敏，這不僅降低了對(duì)器件的選擇性的要求，還達(dá)到使用較小規(guī)模的陣列來分類、識(shí)別較多種類的氣體或氣味的目的。也就是說，傳感器陣列中每個(gè)傳感器都程度不同地對(duì)多種氣體敏感(這一點(diǎn)和動(dòng)

45、物的嗅細(xì)胞的特性也是類似的)。 假設(shè)混合氣體中包含m種氣體成分，則傳感器陣列對(duì)該混合氣體的響應(yīng)為陣列中每個(gè)傳感器對(duì)每種氣體成分響應(yīng)的非線性組合: 這是一個(gè)很復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，簡單的計(jì)算無法求解，只能使用模式識(shí)別技術(shù)，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別。 這里，值得一提的是，如果只是要識(shí)別幾種氣味(或混合氣體)，而不關(guān)心其具體成分的話，也可以將每種氣味等效為一種氣體，處理起來會(huì)簡單一些。3.2系統(tǒng)的識(shí)別性能假設(shè)電子鼻系統(tǒng)中的傳感器陣列由n個(gè)傳感器構(gòu)成，每個(gè)傳感器有v種測試模式，這樣陣列就有p=nxn個(gè)測試模式，給出了系統(tǒng)可識(shí)別的氣體種類和測試模式之間的關(guān)系其中，p為模式數(shù)，j為可識(shí)別的氣體數(shù)，a為在混合氣體中

46、同時(shí)出現(xiàn)的氣體數(shù)目。這一公式在假設(shè)傳感器響應(yīng)信號(hào)是確定信號(hào)的情況下給出了可識(shí)別的氣體數(shù)的上限。 3.2.1單個(gè)傳感器能識(shí)別的氣體數(shù) 對(duì)單個(gè)傳感器而言，adc有n個(gè)量化電平，只有傳感器對(duì)m種氣體的響應(yīng)落在不同的量化電平上，才可能識(shí)別這些氣體。這是一個(gè)古典概率問題，該傳感器可以識(shí)別m種氣體的概率為: 圖3. 6給出了在不同量化位數(shù)的情況下，單個(gè)傳感器可以識(shí)別不同數(shù)量的氣體的概率。從圖中可以看出，隨著量化位數(shù)的增加，傳感器可以識(shí)別同樣數(shù)量的氣體的概率增加，或者說在同樣的概率下識(shí)別的氣體種類增加。 為了更直觀地說明問題，表3. 1中給出了在置信度分別為0.85, 0.90, 0. 95和0. 99的情

47、況下，量化位數(shù)為1, 4, 8, 10, 12, 16時(shí)，單個(gè)傳感器能識(shí)別的氣體的種類。從中可以看出，隨著adc位數(shù)的增加，單個(gè)傳感器可以識(shí)別的氣體數(shù)迅速增加，基本上是adc的位數(shù)每增加兩位，同樣置信度下可以識(shí)別的氣體數(shù)量增加一倍。表3.1adc位數(shù)（k） 能識(shí)別的氣體數(shù)（m）置信度0.85置信度0.90置信度0.95置信度0.99 111114221189752101815105123629209表3.1 不同置信度時(shí)，單個(gè)傳感器采用不同位數(shù)的ad能識(shí)別的氣體數(shù)。表3. 2給出了單個(gè)傳感器采用不同位數(shù)的adc時(shí)，識(shí)別不同種類的氣體的概率。從中可以看出，adc位數(shù)的越多，傳感器識(shí)別同樣數(shù)量氣體

48、的概率越大。例如，采用12位adc，傳感器能識(shí)別出任意20種氣體的概率是0. 9546，而當(dāng)采用8位adc時(shí)，概率則迅速下降為0. 4668。表3.2氣體種類（m）能識(shí)別的概率adc位數(shù)k=1adc位數(shù)k=4adc位數(shù)k=8adc位數(shù)k=10adc位數(shù)k=1220.50000.93570.99610.99900.9998500.49990.96150.99030.99761000.02640.83690.95690.98911500.00000.65830.90210.974720000.46680.82970.954650000.00590.29640.7406100000.00000.00

49、670.29573.2.2陣列可識(shí)別的氣體數(shù) 下面討論含有n個(gè)傳感器的陣列能識(shí)別氣體的概率。假設(shè)這n個(gè)傳感器對(duì)每種氣體的響應(yīng)不相關(guān)。adc的位數(shù)仍為k。 設(shè)陣列能識(shí)別的氣體數(shù)為x;傳感器1識(shí)別的氣體數(shù)為yi，傳感器i在前i-1個(gè)傳感器的基礎(chǔ)上新識(shí)別的氣體數(shù)為y，則陣列能識(shí)別m種氣體的概率p( n為傳感器個(gè)數(shù))可以用遞推如下:其中p(m,)表示第一個(gè)傳感器能從m種氣體中識(shí)別j1種的概率：表示其余n-1個(gè)傳感器能識(shí)別m-j種氣體的概率。p(m,)的計(jì)算公式為：四個(gè)傳感器識(shí)別不同種類氣體的概率圖3.7 n=4時(shí)，傳感器陣列識(shí)別不同氣體的概率 k=8時(shí)，多個(gè)傳感器識(shí)別不同種類的氣體的概率圖3.8 k=

50、8時(shí)，傳感器陣列識(shí)別不同氣體的概率 為了和單個(gè)傳感器進(jìn)行比較，圖3. 7給出了包含4個(gè)傳感器的陣列(n=4)識(shí)別不同氣體的概率。從中可以看出，和單個(gè)傳感器一樣，隨著adc的位數(shù)的增加，陣列可以識(shí)別的氣體種類隨之增加，只是增加的速度比后者快得多。 圖3. 8給出了在k=8時(shí)，傳感器陣列識(shí)別不同氣體的概率(因運(yùn)算量的關(guān)系，n只取1到4)。從中可以看出，隨著陣列的維數(shù)增加，陣列識(shí)別同等數(shù)量的氣體的概率增加，在同樣概率下，可以識(shí)別的氣體種類增加;同時(shí)量化電平數(shù)一定的情況下，在氣體種類很多的時(shí)候，傳感器的維數(shù)達(dá)到一定程度后，再單純地增加傳感器的個(gè)數(shù)效果并不明顯，此時(shí)增加量化電平數(shù)的效果更好。例如在圖3.

51、 8中，當(dāng)氣體種類為60時(shí)，使用3個(gè)傳感器的概率為0. 0123，而使用4個(gè)傳感器概率僅僅增加為0. 0181，使用5個(gè)傳感器也不過增加為0. 0239;而在圖3. 7中，當(dāng)k=10時(shí)，3個(gè)傳感器識(shí)別60種氣體的概率為0. 7$65，當(dāng)k=12時(shí)，概率增加到0. 99840表3.3給出了置信度為0.99時(shí)，包含不同數(shù)量傳感器的陣列在采用不同位數(shù)的adc時(shí)所能識(shí)別的氣體數(shù)。例如當(dāng)n=4, k=12時(shí)，即陣列包含4個(gè)傳感器，adc為12位，陣列能識(shí)別90種氣體的概率是99，而在n=1時(shí)，相同置信度的情況下，單個(gè)傳感器只能識(shí)別9種氣體，從中可以看出，采用傳感器陣列時(shí)，隨著陣列中傳感器個(gè)數(shù)的增加，能識(shí)

52、別的氣體數(shù)增加，但n越大，增加的幅度越小。表3.3傳感器個(gè)數(shù)（n）能識(shí)別的氣體數(shù)k=1k=4k=8k=10k=12n=111259n=212122551n=315193774n=416234590n=5172651101n=6172855109 表3. 4給出了四個(gè)傳感器構(gòu)成的陣列采用不同位數(shù)的adc時(shí)，識(shí)別不同種類的氣體的概率。和表3. 2相比，采用12位adc時(shí)，陣列能識(shí)別100種氣體的概率是0.9735，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)傳感器時(shí)的0.2957;采用8位adc時(shí)，識(shí)別出任意20種氣體的概率達(dá)到0. 9982，也超過一個(gè)傳感器采用8位adc時(shí)的0. 4668,甚至比一個(gè)傳感器采用12位adc時(shí)的

53、0.9546還要大。氣體種類（n） 能識(shí)別的概率adc位數(shù)k=1adc位數(shù)k=4adc位數(shù)k=8adc位數(shù)k=10adc位數(shù)k=1220.93751.00001.00001.00001.000050.05860.99961.00001.00001.00001000.59911.00001.00001.00001500.01081.00001.00001.00002000.00000.99821.00001.00005000.00000.13100.97581.0000100000.00000.13260.9735 表3.4 3.2.3響應(yīng)的不確定性對(duì)性能的影響 前面的討論都將傳感器的響應(yīng)看作確

54、定性信號(hào)，實(shí)際上它是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為一個(gè)隨機(jī)變量。為討論方便，我們將穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化量和adc的量程聯(lián)系起來，將其變化等效為adc位數(shù)的降低，精確點(diǎn)說是adc量化電平數(shù)的減少。 表3.5給出了不同位數(shù)的adc的有效電平數(shù)隨傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化而變化的情況。從中可以看出:1.隨著傳感器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)變化量的增加，adc的有效電平數(shù)減少;2.在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)變化量一定的情況下，不能依靠無限制的增加adc的位數(shù)來提高傳感器陣列的性能。例如，如果穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的相對(duì)變化量為1%，則選用8位和8位以上的adc沒有性能上的差別，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要認(rèn)真加以考慮。具體計(jì)算傳感器陣列識(shí)別不同種類的氣體的概率時(shí)，只需將有關(guān)公式中的n用n，代替即可。表3.5 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化量和adc有效電平數(shù)的關(guān)系穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化量(%)adc有效量化電平數(shù)k=1k=4k=8k=10k=120.01216256102440960