基于虚拟仪器的智能电子鼻系统的设计

作者:宋海声;赵晓林;苏小芸 刊名:计算机测量与控制 上传者:吴媚

【摘要】智能电子鼻对于有害气体和可燃性气体的检测具有重要意义;以NI公司Labview9.0为测试平台,利用PCI-1710HG数据采集卡、传感器阵列设计构成智能电子鼻系统;采用测量室和气体流量计精密控制气体密度和状态;虚拟仪器开发平台用于实时监测和显示采集得到的曲线和数据,并通过遗传算法改进后的BP神经网络进行分析,得到不同气体的浓度;最后使用不同阻值的精密电阻替代传感器对系统进行测试,结果表明系统对多种气体检测都具有高精度和高稳定性,能够进行高效智能化检测。

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0引言由于有害气体引起的各种事故屡见不鲜,所以检测化学品作业场所或设备内部气中的可燃或有毒气体和蒸气含量对人们的生活工作具有重要意义。基于LABVIEW的智能电子鼻系统,能够有效地检测各种有害气体(CH4,CO等)。气体传感器的种类很多,各类气敏传感器性能差异较大,各自的主要检测对象也不一样,构成的测试系统也不同,然而,几乎所有的都不能用于多种气体检测。用传感器阵列构成电子鼻的前端检测多种气体,气体与传感器的活性材料反应,传感器把化学输入转换为电信号;通过数据采集电路采集到电信号,采用BP神经网络模式识别对这些电信号进行处理,来分析和识别所测的气体[1],这是一种基于测量和分析化学传感器中信号微小变化的新方法。1系统结构图1是传感器阵列气体检测的实验室装置示意图。测量室由不锈钢的密闭的容器构成,测量室需要尽量保证每个传感器或传感器上每个阵列所接触的气体成分完全相同(包括组成物质和浓度)、测量室体积尽可能的小,保证测量室温度不会有很大波动。为了保证气体流速的恒定,选用JY-LUGB气体流量计,可以精确的控制气体的流速与流量。这样一方面可以保证测试的重复性,另一方面也可以保证多路气体混合后的浓度精度。由于系统使用的传感器都是半导体器件,在使用的过程中需要对其进行加热,因此在测量室中传感器到达一定数量后就会形成热量,在测量室设计的时候也要考虑到这一点。图1电子鼻装置结构示意图图2是多种气体检测的自动化系统的结构框图。信号采样采用分压法,其原理为:将传感器与一个正规的电阻(匹配电阻)进行串联,即匹配电阻和传感器同时分配电源电压信号。当传感器吸附气体时,其电阻值会发生变化,而匹配电阻是一个稳定的电阻,它不会发生变化,根据欧姆定律可以知道,两个电阻所分配的电压会发生变化,这个电压的变化在一定程度上就可以反映传感器电阻的变化。由于传感器在测量室内,测试传感器的电压不是很方便,所以转而测试匹配图2基于PCI-1710板卡的控制系统框图电阻的电压。通过换算可以得到传感器的电阻信号。在这个系统中,匹配电阻的选择很重要,一般来说,当金属型氧化物传感器未与待测气体接触,其活性材料未吸附气体分子时,电阻值约为2M20M;当传感器接触到气体并发生吸附时,其电阻值将会下降。下降后的阻值一般为200k2M。匹配电阻的阻值应该与传感器的阻值相适应,以保证测试电路输出的响应信号保持在可测试范围的中间部分,从而便于用户的观察[2]。还要能够使用户方便的更换匹配电阻,这样才能保证传感器电阻与匹配电阻阻值配合恰当[3]。通过测试电路采集的电压信号需要通过数据采集卡进行采集,选用研华公司的PCI-1710HG采集卡和A68D接线子板,并将电压信号转换为计算机可以识别的数字信号。为了减少电源的波动加入滤波器电路。图3是单个传感器的测量电路,气体传感器的电压是(Vc-VRL),其中Vc测量电压,VRL是负载电阻的电压。VH是气体传感器的加热电压。通过调节VH来控制传感器的工作温度。图3单个传感器测试电路等式(1)用来计算气体传感器的敏感度,其中R0是在空气中测得的电阻,Rg是在气体中测得的电阻[4-7]。R0Rg=VRLVC-VRL(1)2软件开发软件部分采用基于Labview的开发平台。主要考虑到:一方面编程简单、易于掌握,界面简洁易操作;另一方面,Lab-view针对数据采集、仪器控制、信号分析与处理等方面,提供了专用节点(函数),使用方便,在数据分析方面,更改数据比Matlab更加方便。整个系统软件的流程图如图4所示,系统软件主要分为以下模块:测量控制模块,数据采集模块和模式识别模块。测

参考文献

引证文献

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