电子鼻课件(1)
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电子鼻课件(1)
电子鼻技术概况
• 基本上, 电子鼻包括一组传感器和一个数据分析系统。传 感器的作用就像生物受体一样, 而数据分析系统可以将传 感器从气味获得的信息转换为“嗅觉图象”, 类似于我们 的嗅觉。电子鼻的类型很多,其典型的工作程式是：首先， 利用真空泵把空气取样吸取至装有电子传感器阵列的小容 器室中接着，取样操作单元把已初始化的传感器阵列暴露 到气味体中，当挥发性化合物（ＶＯＣ）与传感器活性材 料表面相接触时，就产生瞬时响应这种响应被记录并传送 到信号处理单元进行分析，与数据库中存储的大量ＶＯＣ 图案进行比较、鉴别，以确定气味类型，电子鼻能够将气 味进行区分和比较是因为不同的气味具有不同的嗅觉图象, 这就使得电子鼻有别于其它的分析技术, 比如: 气相色谱, 它可以区分和测量气体混合物中的单分子级别。
S 为气体传感器响应信号, 则S 值与气敏传感 器电阻值RSensor成正比。因为R1 , R2 给定, 测得Vani 就可得到气体传感器对被测气体产生的响应值。
电子鼻课件(1)
3.3集成气体传感器加热电路设计
由于气体传感器的SnO2 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,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 成了两个铂电阻( Pt500) , 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。
电子鼻课件(1)
3.2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 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Vref。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。
单路气体传感器信号拾取电路原理图
电子鼻课件(1)
2020/11/28
电子鼻课件(1)
一.电子鼻技术概况
电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机 能的一门学问。电子鼻是用来区分和辨别复 合气味的, 能够再现嗅觉感官的结构和原理。 随着社会的发展,人的嗅觉器官在日常生活 中的重要性有所下降,但嗅觉在食品工业、 环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、 公安与军事等方面的重要性却与日俱增。
电子鼻课件(1)
3.1电子鼻系统的组成结构
电子鼻课件(1)
电子鼻系统的组成结构
• 该系统由集成气体传感器阵列、集成气体传源自文库器 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。
• 该集成气体传感器阵列由集成在Al2O3 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 温度的加热器构成, 气体传感器为基于SnO2 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。
• 随后, 于1990 年举行了第一届电子鼻国际学术会议。电 子鼻是目前世界上的热点研究课题。第一台商业化的 “电子鼻”于1994 年诞生。
电子鼻课件(1)
三.电子鼻技术原理
➢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 , v2j , 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。
电子鼻课件(1)
二.电子鼻技术发展历程
• 80 年代初期, 在科技文献中出现了“电子鼻”这个技术 术语。“电子鼻”的概念, 最早是1982 年英国Warwick 大学的Persand 和Dodd教授模仿哺乳动物嗅觉系统的结 构和机理, 对几种有机挥发气体进行类别分析时提出来的。
• 1989 年在北太西洋公约组织的一次关于化学传感器信息 处理会议上对电子鼻做了如下定义: “电子鼻是由多个性 能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的 具有识别单一和复杂气味能力的装置。
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集成气体传感器加热电路设计
• 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。
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电子鼻技术概况
• 电子鼻将气味识别为一个整体, 在单个嗅 觉图象中揭示不同分子种类的综合作用。 它与人和动物的鼻子一样, “闻到”的是 目标物的总体气息。电子鼻技术的研究涉 及材料、精密制造工艺、多传感器融合、 计算机、应用数学以及各具体应用领域的 科学与技术,具有重要的理论意义和应用前 景。
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电子鼻技术原理
➢ 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( t1 , t2 ) 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，具有 更高的识别准确率和识别效率。
电子鼻技术概况
• 基本上, 电子鼻包括一组传感器和一个数据分析系统。传 感器的作用就像生物受体一样, 而数据分析系统可以将传 感器从气味获得的信息转换为“嗅觉图象”, 类似于我们 的嗅觉。电子鼻的类型很多,其典型的工作程式是：首先， 利用真空泵把空气取样吸取至装有电子传感器阵列的小容 器室中接着，取样操作单元把已初始化的传感器阵列暴露 到气味体中，当挥发性化合物（ＶＯＣ）与传感器活性材 料表面相接触时，就产生瞬时响应这种响应被记录并传送 到信号处理单元进行分析，与数据库中存储的大量ＶＯＣ 图案进行比较、鉴别，以确定气味类型，电子鼻能够将气 味进行区分和比较是因为不同的气味具有不同的嗅觉图象, 这就使得电子鼻有别于其它的分析技术, 比如: 气相色谱, 它可以区分和测量气体混合物中的单分子级别。
S 为气体传感器响应信号, 则S 值与气敏传感 器电阻值RSensor成正比。因为R1 , R2 给定, 测得Vani 就可得到气体传感器对被测气体产生的响应值。
电子鼻课件(1)
3.3集成气体传感器加热电路设计
由于气体传感器的SnO2 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,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 成了两个铂电阻( Pt500) , 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。
电子鼻课件(1)
3.2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 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Vref。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。
单路气体传感器信号拾取电路原理图
电子鼻课件(1)
2020/11/28
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一.电子鼻技术概况
电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机 能的一门学问。电子鼻是用来区分和辨别复 合气味的, 能够再现嗅觉感官的结构和原理。 随着社会的发展,人的嗅觉器官在日常生活 中的重要性有所下降,但嗅觉在食品工业、 环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、 公安与军事等方面的重要性却与日俱增。
电子鼻课件(1)
3.1电子鼻系统的组成结构
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电子鼻系统的组成结构
• 该系统由集成气体传感器阵列、集成气体传源自文库器 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。
• 该集成气体传感器阵列由集成在Al2O3 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 温度的加热器构成, 气体传感器为基于SnO2 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。
• 随后, 于1990 年举行了第一届电子鼻国际学术会议。电 子鼻是目前世界上的热点研究课题。第一台商业化的 “电子鼻”于1994 年诞生。
电子鼻课件(1)
三.电子鼻技术原理
➢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 , v2j , 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。
电子鼻课件(1)
二.电子鼻技术发展历程
• 80 年代初期, 在科技文献中出现了“电子鼻”这个技术 术语。“电子鼻”的概念, 最早是1982 年英国Warwick 大学的Persand 和Dodd教授模仿哺乳动物嗅觉系统的结 构和机理, 对几种有机挥发气体进行类别分析时提出来的。
• 1989 年在北太西洋公约组织的一次关于化学传感器信息 处理会议上对电子鼻做了如下定义: “电子鼻是由多个性 能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的 具有识别单一和复杂气味能力的装置。
电子鼻课件(1)
集成气体传感器加热电路设计
• 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。
电子鼻课件(1)
电子鼻技术概况
• 电子鼻将气味识别为一个整体, 在单个嗅 觉图象中揭示不同分子种类的综合作用。 它与人和动物的鼻子一样, “闻到”的是 目标物的总体气息。电子鼻技术的研究涉 及材料、精密制造工艺、多传感器融合、 计算机、应用数学以及各具体应用领域的 科学与技术,具有重要的理论意义和应用前 景。
电子鼻课件(1)
电子鼻技术原理
➢ 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( t1 , t2 ) 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，具有 更高的识别准确率和识别效率。