哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-I-一氧化碳報警器 一氧化碳報警器 一氧化碳報警器 一氧化碳報警器 摘要 摘要 摘要 摘要隨著工業的發展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴重的污染，同時在家庭生活中，煤氣的不完全燃燒也將產生大量的一氧化碳氣體，而一氧化碳氣體的化學性質比較穩定，在室內通風條件不大好的情況下，可能引起人體中毒，產生致命后果。因此需要對大氣中的一氧化碳氣體進行監測。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制模式，基于統計學原理，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(FT)和離散小波變換方法(DWT)。同時還對目前一氧化碳監測中存在的主要問題進行了初步的分析。最后，根據一氧化碳傳感器的原理，針對家庭中一氧化碳氣體的監測，初步確定一氧化碳傳報警器的設計要求，根據當前一氧化碳傳感器的發展狀況，選用MOTROLA公司的MGS100芯片進行一氧化碳報警器的設計。同時對GS100傳感器的結構及工作模式進行了介紹。根據MGS100芯片的結構及工作模式，設計了報警器電路，并對報警器的控制軟件進行了初步的設計，最后完成了對一氧化碳報警器的調試，調試結果表明該報警器是可以在實際中使用。關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞一氧化碳報警器；溫度調制模式；傳感器哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-I-CosannucitorAbstractWiththedevelopingofindustryandexhaustgasexpelingofcars,theatm osphereispolluting.Athesam etim e,theincompletinflam m tionofgaswilproducem uchCOinfam ily,andCOisakindofgaswhichistabilizationinchem iccharacter,wilbringpoisoningtopersonwhenthehouseistuffines.Soitisneedtom onitortheCOinhouse.ThispaperanalyzestheprincipleofCOsannunciator,focusontheanalysiofthem odelclasifcationandrecognitionofCOsensor,theoperationalprincipleofCOsensorisbasedonstaisticsandtem peraturem oderatem odel.Thesignalprocesm ethodofCOsensorincludeFT(FastFourierTransform )andDWT(DiscretWaveTransform ).Atheend,introducethem ainproblem ofCOm onitor.Atheend,basedontheoperationalprincipleofCOsensor,acordingtotherequirem ntofCOm onitorinhouse,decidetheparam etrsofCOsannunciator.AcordingtothedevelopmentofCOsensor,selctMGS100ofMOTLORtodesigntheCOsannunciator.Athesam etim e,introducethestructureandoperationalprincipleofMGS100,anddesignthealrm ciruitandcontrolsoft.Atheend,finishthedebuggingofCOsannunciator,theresultshowtheCOsannunciatorcanbeusedinrealism .K eywordsK K K COsannunciator;tem peraturem oderatem odel;senso哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-I-目錄 目錄 目錄 目錄摘要 .IAbstract.I第 1章 緒論 .11.1課題背景.1.2研究的目的和意義.11.3一氧化碳報警器的發展狀況.2第 2章 一氧化碳傳感器信號處理技術 .52.1氣體傳感器陣列信號處理技術.2.2信號預處理.52.3模式分類，識別和量化.72.4氣體傳感器溫度調制及信號處理技術.102.5溫度調制模式.2.6信號處理方法.122.7存在的問題.2.8本章小結.13第 3章 一氧化碳報警器的設計 .143.1器件的結構原理.3.2器件的工作模式.153.3一氧化碳報警器的設計.163.4電路原理.173.5控制過程.183.5.1對于溫度變化的特性處理(假設CO的濃度為60ppm)。.3.5.2CO線性濃度分析。.193.6調試和結果.203.7本章小結.結論 .21致謝 .22參考文獻 .23附錄 A.26附錄 B.34哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-4-第 第 第 第 1章 章 章 章 緒論 緒論 緒論 緒論1.課題背景 課題背景 課題背景 課題背景隨著工業的發展和汽車尾氣的大量排放，空氣遭到了嚴重的污染，因此對大氣中有毒氣體的監測也成為人們關心的一個主要問題，而大氣中一氧化碳氣體對人體的毒害是致命的，因此，迫切需要開發一種儀器來檢測家庭和工農業生產過程中的一氧化碳氣體。1.2研究的目的和意義 研究的目的和意義 研究的目的和意義 研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28.0，對空氣相對密度為0.967。在標準狀況下，1L氣體質量為1.25g，100ml水中可溶解0.0249mg(20C)，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合，妨礙了機體各組織的輸氧功能，造成缺氧癥。當一氧化碳濃度為12.5mg/m 3時，無自覺癥狀，50.0mg/m 3時會出現頭痛、疲倦、惡性、頭暈等感覺，700mg/m3時發生心悸亢進，并伴隨有虛脫危險，1250m g/m 3時出現昏睡，痙攣而死亡。有時根據碳氧血紅蛋白（COHb）來評價室內一氧化碳低暴露水平對人體的影響，3-1歲兒童b平均飽和度為1.01%；12-74歲不吸煙人群為1.25%。但成年不吸煙人群中4%的人COHb超過2-5%。室內污染所致COHb飽和度只有超過2%，才會影響心肺病人的活動能力，加重心血管的缺血癥狀。CO是燃料不完全燃燒產生的污染物，若沒有室內燃燒污染源，室內C濃度與室外是相同的。室內使用燃氣灶或小型煤油加熱器，其釋放CO量是NO2的10倍。廚房使用燃氣灶10-30min，CO水平在12.5-50.0mg/m 3之間。由于一氧化碳在空氣中很穩定，如果室內通風較差，CO就會長時間滯留在室內。因此，很容易致人中毒。同時，在工農業生產中，尤其在煤炭生產基地，如果一氧化碳濃度過高，很容易引起火災和爆炸，引起嚴重的事故和后果，造成重大經濟損失和人員傷亡。因而作好煤炭自燃火災的預測預報和防滅火工作顯得尤為重要。因此，人們發現了測溫法來進行溫度可燃氣體的監測。測溫法是發現煤炭自熱和探尋高溫點及火源的最直接、最可靠的方法，但煤體內部溫度的測溫技術尚未完全解決，目前僅作為掌握自燃動態、確定自燃區位置的一種有效的補充手段1。測定礦內空氣成分變化，是早期預報自燃火災應用最廣而且比較可靠的方法。煤類火災的主要指標是CO和H2和碳氫化合哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-5-物，如乙烯C2H4、丙烯C3H6、乙炔C2H2等。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。當溫度異常時，首先出現CO，隨溫度增高，出現HZ，然后是CZH4緊接著是C3H6，最后出現2H2和其他氣體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規律增加。所以，煤礦井下廣泛以一氧化碳氣體作為預報煤炭自燃的指標氣體。它的變化一直在煤礦安全生產活動中受到高度重視，特別是煤層有自然發火傾向的礦井更是如此。在煤礦井下，CO的來源一般是由于煤自熱或自燃產生的。所以當井下出現CO氣體或氣體濃度穩定地增長時，就認為煤炭在自然發火或有自然發火的危險。然而，有些礦井，煤層中本身就含有CO，在煤層開采過程中，就逸出到采掘空間的風流中來，如果對其逸出量及規律不能掌握，就會造成煤炭自燃火災的誤報，對預報和防治煤炭自然發火造成不利影響3。大水頭煤礦是煤層具有自然發火傾向性的礦井，經過對大水頭煤礦幾十次煤炭自然發火災害有關參數的反復觀察分析認為，同樣是煤炭自燃造成的火災，但每次其自然發火期的長短、氧化速度、各種災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境因素外，還有一個不被人們所掌握的內在因素-煤層原生的CO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火期是3-6個月，但實際生產中常常出現一些預料之外的事例：掘進工作面后巷幾十米處高頂就有CO氣體出現；炮采工作面剛開采，短期內上隅角就檢測出CO氣體: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(最高達0.064%)的CO氣體成份。通過分析表明煤電鉆打的孔內實測CO濃度高達0.5%，而且一氧化碳檢測管變色環呈血紅色，比火區測定的還要高。因此要必要開發CO報警器來對CO進行監測，指導安全生產。1.3一氧化碳報警器的發展狀況 一氧化碳報警器的發展狀況 一氧化碳報警器的發展狀況 一氧化碳報警器的發展狀況 1964年，由Wickens和Hatm n利用氣體在電極上的氧化還原反應研制出了第一個氣敏傳感器，1982年英國Warwick大學的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統的結構4，自此后氣體傳感器飛速發展，應用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環境檢測等。現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，一部分是監測系統，由各種傳感器組成，另一部分是報警系統，根據檢測系統的指標作出報警判斷。首先簡單介紹下一氧化碳傳感器的發展狀況。氣體傳感器主要有半導哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-6-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、熱傳導型、聲表面波型、氣體色譜法等5。電阻式半導體氣敏元件是根據半導體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導體氣敏元件則是根據氣體的吸附和反應使其某些特性發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隨之變化的原理而設計的。另外與半導體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據敏感材料吸附氣體后其介電常數發生改變導致電容變化的原理而設計。電化學式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學電位差，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。有液體電解質和固體電解質，而液體電解質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孔擴散作為限流措施，獲得穩定的傳質條件，產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，其吸收關系服從朗伯-比爾(Lam bert-Ber)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度。聲表面波傳感器的關鍵是SAW(surfaceacousticwave)振蕩器，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。SAW傳感器自身固有一個振蕩頻率，當外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。對CO氣體檢測的適用方法有比色法、半導體法、紅外吸收探測法、電化學氣體傳感器檢測法等。比色法是根據CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發生反應，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點是沒有電功耗。半導體CO傳感器，通過溶膠凝膠法獲得SnO2基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來測定氣體6。現國外有研究對2基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發現當傳感器工作在220C時，在SnO2中摻雜2%的t時，傳感器對CO具有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應，使得CO傳感器對很多氣體如H2、CO2、H2O等都有感應，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。CO電化學氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過渡金屬元素，這類元素具有空余的d、f電子軌哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-7-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，也可以形成絡合物，具有較強的催化能力8。又研制了一種新型的CO電化學式氣體傳感器，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，Ag/gCl為參比電極，Pt絲為對比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對CO具有顯著的電化學催化效應，其響應時間短，重復性好9。利用CO氣體近紅外吸收機理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣體傳感器，該儀器檢測靈敏度可達到0.210-610。另一種光學型傳感器是用溶膠凝膠鹽酸催化法和超聲制得SiO2薄膜，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CO反應，生成鈀單質，引起吸光度變化1。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敏感度。當溫度加熱到85C時，得到最大響應，檢測范圍333ppm5000ppm12。哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-8-第 第 第 第 2章 章 章 章 一氧化碳傳感器信號處理技術 一氧化碳傳感器信號處理技術 一氧化碳傳感器信號處理技術 一氧化碳傳感器信號處理技術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是整個系統的關鍵，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。2.1氣體傳感器陣列信號處理技術 氣體傳感器陣列信號處理技術 氣體傳感器陣列信號處理技術 氣體傳感器陣列信號處理技術與哺乳動物的嗅覺系統類似，氣體傳感器陣列是一氧化碳傳感系統的“氣味感受細胞”，感受到氣味時就將信號通過接口電路及一些預處理電路(生物嗅覺中對應的部位為“嗅球”)然后傳到信息處理中心(大腦)，通過“大腦”內的嗅覺信號處理，完成對氣味的識別和簡單量化，并發送相應的控制信號。該系統稱為電子鼻系統。其信息處理中心通常由電腦或微處理器實現，其中的“嗅覺”信號處理技術對于電子鼻的性能起著關鍵作用。對這一技術的研究，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)識別和量化系統通常要涉及到多種多維信號的處理方法，包括信號預處理、特征提取、特征選擇、分類、回歸、聚類以及驗證等13，基于統計的模式識別方法、神經網絡等多種信號處理方法己在電子鼻領域里得到了應用并取得了一些成果。2.信號預處理 信號預處理 信號預處理 信號預處理信號預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2-1為金屬氧化物半導體氣體傳感器的一般測量電路，其中RL為串聯負載電阻，Rs為氣體傳感器的電阻，Vc為測量電壓，V為實際傳感器測量電壓。圖2-1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)和電導信號(G)等物理量表示，三個物理量互相關聯，電阻和電導互為倒數，其中電壓信號受串聯電阻的影響，在量程大且需更改串聯電阻的情況下不宜使用。基線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，比例法和分數比值法。以電導物理量為例，定義其在空氣中的基線值為Gair，在被測氣體中的值為Ggas,那么對應的三種處理方法見表2-1。常用的處理方法為哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-9-分數比值法，因此Sg又被稱為電導靈敏度，成為衡量傳感器氣敏性能的一個重要參數。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域中的一個重要研究問題。作為一種化學傳感器，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一的理論來描述。小波變換技術在基線漂移抑制方面取得了較好的效果14。表2-1基線處理方法處理方法說明差值法G=gas-Gair去除疊加性噪聲和漂移比例法rggas/air去除乘積性噪聲和漂移分數比值法是sg=(Ggas-air)/Gair疊加性和乘積性噪聲和飄移都有作用作為一個隨時間變化的量，氣體傳感器的特征信號有多種，如穩態信號、瞬態信號等。特征是直接從傳感器的原始信號提取出來的參數，各特征之間相互關聯，由于交叉敏感的影響，各傳感器之間也相互關聯，因此這樣一個原始的特征參數集是一個富含冗余信息的高維向量。維數增多引起后續信號處理的復雜程度呈指數上升，也就是所謂的“維數咒語”問題，使得降維處理成為必要。同時，信息冗余容易導致信號參數的協方差矩陣奇異，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(N0的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=(cij)m p，S=(sij)m p，輸入輸出關系為C=SA+。忽略誤差項，當S為非混合氣體c1(t)2(t)傳感器接口信號處理陣列信號預處理傳感器接口信號處理傳感器接口信號處理識判別斷量決化策y1(t)y2(t)y3(t)ym (t)ym -1(t)哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-12-奇異陣時參數矩陣可由A=S-1C計算得到，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。CSCSSA TT + =1)( (2-3)S+為S的偽逆，S+=I，上式為正規的二乘估計算法。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，信號之間相關性大，通過PCA去除數據之間的相關性，提取主成分用于回歸方程，該種方法就是主成分回歸法(PCR)。主成分的提取法則是沿著觀測數據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系也并非最好24。偏最小二乘法(PLS)能夠處理共線性數據，在化學計量的數據分析中使用較多。與PCR不同，PLS依次尋找各傳感器與混合氣體濃度之間的最大相關性。最小二乘法、主成分回歸法和偏最小二乘法的基礎模型都是線性回歸模型，隨著測試氣體濃度范圍的擴展，傳感器響應與氣體濃度之間的非線性關系逐漸增強，具有非線性擴展能力的人工神經網絡技術(MLP,RBF等函數逼近網絡)和遺傳算法在混合氣體分析中得到了廣泛的應用25。聚類分析在電子鼻數據處理中應用也較為廣泛，它是一種無監督學習過程，用于尋找數據樣本之間的空間關系或相似性，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)定義一種優化聚類的法則，通常基于類內和類間結構(如擴展類間距離，壓縮類內距離等)；(c)定義一種搜索算法，用于將某一測試樣本賦給某一類。目前應用較多的聚類方法主要有樹狀圖法(Dendrogram )、C均值法以及自組織映射神經網絡(Self=OrganizMap)。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。Gardner26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。將訓練樣本隨機設定為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束迭代計算，這種方法就是C均值法。隨著模糊數學的發展，模糊集理論在氣體分析領域中也得到了應用，并在C均值算法的基礎上發展為模糊C均值算法。SOM是一種能夠產生拓撲分布結構的互連接技術，通常是一個二維的網格結構，首先通過競爭機制選擇網格中與數據樣本最近的神經元及其附近的神經元并激活，調整其在二維網格中的坐標使得它們更接近于數據樣本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BP神經網絡、RBF神經網絡、PCR等。無論是何種問題，都需要一些先驗數據作為訓練樣本完成模型的構建，最終模型的好壞需要通過一些新的數據樣本來說明驗證。驗證的過程就是使用構建的模型對新的樣本進行估計，考察估計的結果是否令哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-13-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。2.4氣體傳感器溫度調制及信號處理技術 氣體傳感器溫度調制及信號處理技術 氣體傳感器溫度調制及信號處理技術 氣體傳感器溫度調制及信號處理技術作為一種化學傳感器，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對不同氣體的響應有所不同。因此，可將半導體氣體傳感器調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響應信號，結合信號處理技術，提取傳感器對不同氣體成分的響應特征，用于氣體的識別、量化和分類。2.5溫度調制模式 溫度調制模式 溫度調制模式 溫度調制模式調查發現，最早關于溫度調制方面的文獻資料源于美國專利，1975年H.D.LeVine28申請了用于CO檢測的氣體傳感器溫度調制技術方面的專利，即控制傳感器低溫檢測、高溫清洗的檢測方法，該技術現已經被Figaro公司的CO傳感器采用;緊接著在1975年Eicker申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氣體檢測系統的專利保護；1980年Owen等29提出了3個溫度點的控制系統用于檢測一氧化碳: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象為傳感器在升溫和降溫時的滯回現象。Cliford31是傳感器動態響應的較早研究者之一，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響應特性，并指出當傳感器溫度變化的足夠慢時，遲滯效應會減弱至最低，他使用了半導體勢壘理論來解釋傳感器的溫度效應。Cliford總結指出，提高氣體檢測系統的選擇性，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。這構成了現在氣體檢測領域內的兩個主要研究方向。溫度調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，Y.Hiranaka32將Figaro氣體傳感器控制在脈沖加熱電壓下，傳感器首先在SV加熱電壓下預熱，當響應穩定時，斷開加熱電壓，監測傳感器的響應信號，再開啟SV加熱電壓，依次周期性控制，脈沖電壓的周期為60s。Am atomo等3每秒鐘給傳感器施加一個持續時間為8ms，電壓為7.5V的加熱脈沖，得到的暫態響應用于定性識別CO，乙醇和氫氣。這些都是兩個溫度點之間的階躍,但是Sears35等認為全量程周期性(cylictem perature)加熱電壓在傳感器的溫度調制方面更具有優越性和發展前景。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容許最高工作溫度范圍內的所有溫度點。原因有三:1)由于不同氣體對溫度哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-14-的依賴特性不同，周期性溫度調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有累積效應，高溫則具有清洗作用；3)在這個溫度范圍內，對應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，很多情況下需要調整匹配電阻才能準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制技術，而“遍歷”一定范圍內的溫度點的思想仍然得到了延續。迄今為止，應用和研究最多的溫度調制模式是正弦波，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。由于燒結型傳感器以及厚膜傳感器的加工工藝比較成熟，產品已經進入或即將進入市場，產品的可靠性和靈敏度有一定保證，因而它們也成為溫度調制技術的主要研究對象，如Figaro公司的TGS813,TGS2611等型號傳感器。S.Nakata等自1996年開始針對Figaro氣體傳感器進行了一系列溫度調制方面的研究36，考察了CO在不同功耗加熱下的Sn02氣體傳感器表面有節律性的化學反應過程37，使用每秒鐘高溫16ms的加熱脈沖調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象，最終確定了正弦溫度調制模式，頻率f為20-40mHz之間，電壓為V=3.5+1.5cos(2ft)，考察了該模式下傳感器對高濃度(1000-10000ppm)一氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯等氣體的響應厚膜氣體傳感器較燒結型陶瓷傳感器尺寸小，響應時間也較快，對氣體的響應特征又與燒結型類似，因此在該領域內的溫度調制技術研究也較多。N.Barsn,A.Fort,E.Llobet等分別考察了厚膜氣體傳感器在正弦溫度調制模式下的響應特征，頻率都為50mHz,溫度調制范圍一般低溫2000C至高溫4000C左右。XingJiuHuang等考察了凝膠溶膠法研制的厚膜傳感器在20,25,30,50mHz幾個頻率以及20-1000C,100-1500C,150-2000C,200-2500C和250-3000C幾個溫度范圍調制下的矩形波的響應信號，以及20mHz頻率下的幾個波形(三角波、正弦波、鋸齒波等)的調制效應，定性分析了各個波形的響應，并指出對所使用的傳感器檢測O.Sppm丙酮較好的溫度調制模式為20mHz，250-3000C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情況。微熱板式薄膜氣體傳感器由于具有尺寸小、溫度響應速度快的優點，能夠快速跟蹤加熱電壓的變化，在溫度調制方面應更具有優越性。NLST在研制成功微熱板式氣體傳感器之后，1995年發表了溫度調制模式控制下的傳感器響應，考察了以鋸齒波為包絡的脈沖電壓調制模式，高溫加熱100ms后降低至室溫，隔5-200ms的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。哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-15-2.6信號處理方法 信號處理方法 信號處理方法 信號處理方法溫度調制擴展了氣體傳感器在時間上的響應信號，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的快速傅立葉變換(FT)以及離散小波變換(DWT)方法，通過FT或DWT，提取與氣體有關的特征信號，再結合陣列信號處理方法對氣體模式進行識別和量化。S.Nakata考察了FT變換后得到的2階諧振信號的實部和虛部隨1000ppm-10000ppm一氧化碳、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teal。由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，提高氣體識別的準確率。N.B1TS1ri在1995年報導了氣敏材料受器件溫度的影響，并在1997年報導了在正弦溫度調制(2000C-4200C)，頻率為50mHz模式下，傳感器的電阻值經過傅立葉變換，然后提取特征值結合神經網絡技術實現了對CO和NO2的識別和量化。E.Llobet等使用FT以及DWT提取頻率信號，結合PCA以及神經網絡技術對CO和NO2氣體響應進行了識別，神經網絡的輸出為對氣體模式的01編碼。之后提出了小波變換與FuzzyARTMAP相結合的信號處理方法，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FuzzyARTMAP分類器對氣體進行分類，確定出幾種頻率的正弦信號疊加調制傳感器的識別率中，哪幾種頻率的疊加最好。Cliford引入了半導體勢壘模型來分析傳感器受溫度的影響39，S.Nakata在該模型的基礎上添加了傳感器表面的化學反應機制，并討論了CO，2等在材料表面的化學吸附和反應機理，對傳感器的遲滯現象進行了定性的解釋。R.Ionescu在該模型的基礎上進行了擴展，采用優化的方法，模擬了正弦溫度調制模式下的傳感器響應，與實際結果吻合較好。T.Kunt在NIST微熱板式薄膜氣體傳感器的溫度調制基礎上，純粹從信號處理的角度出發，設計了溫度調制下的傳感器響應函數，并在該函數的基礎上，通過比較模型在一定調制模式下對甲醇和乙醇的響應曲線的差值，以兩曲線之間差值的最小均方根最大為目標，求解用于區別該兩種氣體的最佳溫度調制模式，但是從實驗結果來看，該方法效果不是很好。2.7存在的問題 存在的問題 存在的問題 存在的問題從基于統計的模式識別方法到人工神經網絡技術，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用，其中一個主要的應用是氣味的識別。對于多成分氣體的識別和量化技術，目前較成功的方法是將各個濃度的氣體設定為一種模式，根據氣體傳感器陣列的響應特征對哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-16-各種模式進行識別，要識別的模式數目依賴于量化的精確程度。精確程度越高，濃度劃分越細致，模式的數目就越多，導致訓練神經網絡的時間增長，計算量增多，所需測量的訓練數據增多，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的回歸模型。作為一種化學傳感器，氣體傳感器的響應受到環境中溫度、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，溫度調制模式主要由調制波形、調制頻率、調制溫度的幅度以及偏移量等幾個參數決定，而迄今為止，氣體傳感器的溫度調制模式的選擇仍處于試錯研究階段，依據經驗根據實際情況考察適用的溫度調制模式，其中正弦溫度調制模式使用最多。目前對溫度調制模式的研究給出了一些有意義的結果，但大部分都還局限于定性分析，定量分析以及溫度調制方面的規律性的結論尚未形成。2.8本章小結 本章小結 本章小結 本章小結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，對氣體傳感器對信號的預處理、模式分類、識別、量化和處理方法做了詳細的闡述和分析，同時對這種處理技術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。哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-17-第 第 第 第 3章 章 章 章 一氧化碳報警器的設計 一氧化碳報警器的設計 一氧化碳報警器的設計 一氧化碳報警器的設計設計一氧化碳報警器，需要根據其應用的場所確定設計要求，選擇合適的一氧化碳傳感器，確定設計方案。我們設計的一氧化碳報警器主要應用家庭中，因此選用MOTROLAMGS100一氧化碳傳感器進行報警器的設計，下面我們對該傳感器的原理及設計進行簡單介紹。3.1器件的結構原理 器件的結構原理 器件的結構原理 器件的結構原理MOTROLA一氧化碳(CO)傳感器MGS100是一種新型的專門用于家庭的C氣體檢測器。其結構特點是采用微電子工藝,在微型硅橋結構中嵌入的加熱器上制作一層SnO2薄膜。這種結構不僅使SnO2薄膜對CO氣體在很寬的溫度范圍內都具有敏感性,且由于硅膜減少了熱傳導的損失,從而大大降低了功耗,其結構如圖3-1所示。圖3-1MGS傳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3-2所示。哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-18-圖3-2MGS100等效電路和引腳圖為使傳感器對CO的敏感特性處于最佳狀態,必須保證SnO2層達到預定的最佳溫度。通常加熱器及SnO2層的溫度與加熱電壓VH、加熱電流IM有關。在CO氣體中,SnO2層電阻會隨CO濃度的增大而減小。3.2器件的工作模式 器件的工作模式 器件的工作模式 器件的工作模式CO傳感器實際應用時,通常采用連續工作模式,此時用周期性脈沖電壓對電阻加熱,具體波形參見圖3-,VhH=5V,持續5秒,VhL=1V,持續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出周期性地變化,參見圖3-4。其中在大約400C的高溫時,對傳感器的敏感部位進行清潔(維持300ms),在小于100C的低溫時檢測CO。圖3-3加熱電壓波形圖哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-19-圖3-4加熱溫度變化圖在不同的溫度下,傳感器的傳感電阻RS的阻值也不同,Rs的低值對應高溫狀態,Rs的高值對應低溫狀態。在低溫段的最后時刻,測量對應于CO濃度的s阻值。若要得到重復性較好的CO濃度測量,應在低溫段的適當時刻對RS進行測量。實驗表明,如果低溫段時間為10s,在9.5s的時刻測量Rs值最適合。3.一氧化碳報警器的設計 一氧化碳報警器的設計 一氧化碳報警器的設計 一氧化碳報警器的設計設計的CO報警器采用MOTROLA半導體公司的CO傳感器MGS100作為敏感元件。MGS100是應用全微電子工藝制成的半導體CO傳感器,具有對CO氣體響應的選擇性好、靈敏度高、穩定性強等特點；報警器控制部分采用MOTROLAMC68HC705P9單片機，通過它的A/D口對溫度傳感器和GS100進行環境溫度及O濃度實時檢測的數據采集,然后進行相關數據處理,其中包括傳感器C靈敏特性非線性的處理、CO濃度的溫度特性的校正。(由于在探測60ppm以上的CO濃度時,環境濕度的變化對CO傳感器特性的影響較小,故忽略對傳感器MGS100的濕度修正)。經過一定的算法處理修正后,最后通過判斷作出相應的數據顯示和報警輸出。作為一種家用CO報警器,它主要是測量環境CO的濃度,判斷該濃度CO對人體的危害性,從而作出相應的報警輸出。報警輸出分別采用光報警和聲報警。其功能要求根據有關標準設定如表3-1所示。表3-1CO報警器的設定CO濃度報警方法X400ppm立即報警，亮紅燈，蜂鳴3.4電路原理 電路原理 電路原理 電路原理一氧化碳報警器電路原理如圖3-5所示。圖3-5一氧化碳報警器電路圖電路的核心部件為MOTROLAMCU的MC68HC705P9作為核心控制元件。傳感器MGS100的工作需要周期為15s(5s的電壓為5V,10s的電壓為1V)的方波驅動。在MCU的控制下,很容易利用DAC0832來產生所需方波,但其成本高,故可利用圖3-6所示電路來產生所需的方波信號。調試結果證明,符合器件工作狀態的要求。該電路同樣適用于其他公司生產的CO傳感器,僅僅工作周期、驅動電流大小不同,需要加以調整即可。本系統所需的直流電源,通過7806、7805穩壓后,提供+6V和+5V的工作電壓。其中+5V電壓主要提供單片機、溫度傳感器、CO傳感器等部分的電源。而6V電壓主要用來提供給報警電路和CO傳感器的加熱元件部分的電源。環境的CO濃度檢測和溫度檢測的數據采集,分別通過MC68HC705P9的有關的A/D口來進行。哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文-21-圖3-6方波產生電路3.5控制過程 控制過程 控制過程 控制過程一氧化碳報警器的控制過程如圖3-7所示。其主要功能是:通過控制PA5的輸出電平,使方波產生電路產生方波,去驅動傳感器MGS100的加熱元件。通常設定在1V的915s時刻對MGS100的CO濃度傳感器進行采樣,同時對溫度傳感器采樣,采集當時環境的溫度值,實時進行傳感器溫度校正。由于環境濕度的對CO傳感器影響相對較小,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據處理,對于傳感器的非線性輸圖出,可使用查表法得出最終結果。它具有程序簡單、執行速度快等優點。通常傳感器MGS100不但受環境溫度的影響,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MGS100進行采集的數據要進行兩步處理。3.5.1對于溫度變化的特性處理 對于溫度變化的特性處理 對于溫度變化的特性處理 對于溫度變化的特性處理 (假設 假設 假設 假設 CO的濃度為 的濃度為 的濃度為 的濃度為 60pm)。 。 。 。在溫度T下,傳感器的輸出電阻Rs為:Rs(X,T)=Rs(X,25)，即Rs(X,25)=Rs(X,)/，其中Rs(X,25)為在一定CO濃度下(ppm)和25C室溫的環境下的傳感器的輸出電阻；A為溫度系數,根據MOTROL