基于光吸收的电子鼻气体传感方法研究.pdf

中文摘要 摘 要 电子鼻是模拟生物嗅觉器官进行气体识别的电子技术，利用气体传感阵列、 信号预处理单元和模式识别单元实现嗅觉感知，重复性好且能避免人为误差。但 受核心传感单元（气体传感阵列）的限制，电子鼻也存在一些缺陷，如传感阵列 小导致气体检测范围受限、响应/恢复时间较长、易老化/ 中毒、寿命较短等。光吸 收气体传感技术作为气体检测的重要手段，有如下优势：检测范围广、响应速度 快、传感单元具有较强的响应特异性和广谱性等，满足电子鼻对其传感阵列的要 求。因此，将光吸收气体传感技术引入电子鼻具有巨大的潜能。 针对常规电子鼻检测范围窄、响应/恢复时间长的缺陷，本文在课题组前期的 研究基础上对复合光吸收型电子鼻（光学电子鼻）气体传感方法开展了较深入的 研究，完成了光学电子鼻传感平台的实际构建与有效性验证；然后针对光学电子 鼻中光谱分辨率低的问题，引入空间外差光谱技术对光学电子鼻进行优化，提出 改进型光学电子鼻。围绕上述目标，具体研究内容如下： ① 光学电子鼻气体传感方法研究 根据朗伯- 比尔定律建立了光学电子鼻的吸光度检测机制和相应的气体传感模 型，并利用高性能光栅光谱单元构建了实验平台；然后选择不同种类、不同浓度 的气体进行实验，获得气体一维吸光度数据作为传感数据；最后采用预处理和模 式识别算法对传感数据进行分析。结果表明：平台对不同气体的测试集识别率超 过92%，响应时间为30s，可对几十种气体进行检测，验证了光学电子鼻气体传感 方法的有效性。 ② 光学电子鼻气体传感方法优化研究 受光栅光谱技术的限制，光学电子鼻的光谱分辨率不够高，导致其传感性能 降低。针对该问题，引入兼具宽光谱和超高分辨率的空间外差光谱技术对光学电 子鼻进行优化。为此建立了透射比图谱检测机制和相应的气体传感模型，构建了 实验平台对气体进行测试，获得不同波段的气体透射比图谱作为传感数据；然后 针对图谱的干涉叠加特性，提出了基于多方向滤波器组（Directional filter bank, DFB ）的特征提取算法，并利用该算法将传感数据映射到特征空间实现数据筛选； 最后利用模式识别算法对特征数据进行判决。结果表明：本文提出的DFB 特征提 -1 取算法将测试集识别率从74%提升至97%，空间外差技术将光谱分辨率从1.5mm 提升至0.1mm-1 左右，验证了DFB 算法的优越性和光学电子鼻优化方法的有效性。 关键词：光学电子鼻；复合光气体传感；空间外差光谱技术；图像特征提取 I 英文摘要 Abstract Electronic nose (e-nose) is an electronic technology that simulates the function of biological olfactory organs for gas identification. In an e-nose, gas sensor array, signal preprocessing unit and pattern recognition unit are used to realize olfactory perception, which can avoid human error with good repeatability. However, limited by its core unit (gas sensor array), e-nose also has some defects, such as limited detection range caused by small sensor array, long response/recovery time, easy aging/poisoning, short life and so on. As an impo