基于傳感器陣列的氣體檢測(cè)與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喻璐，譚志文，鄒望輝

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

作為工業(yè)上常用的有機(jī)溶劑，乙醇與丙酮在橡膠、纖維、制革等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但乙醇和丙酮的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，不僅易燃、易揮發(fā)，而且具有一定的毒性，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷人的呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，達(dá)到爆炸下限時(shí)，甚至可能發(fā)生劇烈爆炸，危及人體生命。因此，設(shè)計(jì)一種能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的、可以有效鑒別乙醇和丙酮的氣體識(shí)別系統(tǒng)具有重要的意義。

電子鼻是一種模擬動(dòng)物嗅覺器官開發(fā)的氣體分析系統(tǒng)，主要通過對(duì)氣味進(jìn)行分析來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的種類區(qū)分和濃度測(cè)量。在工業(yè)生產(chǎn)方面，對(duì)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度要求很高，采用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行氣體識(shí)別時(shí)，數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性以及識(shí)別的精度都達(dá)不到要求。因此，該文設(shè)計(jì)了一種基于傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)，通過STM32 與數(shù)字式萬用表進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)的采集，采用非線性支持向量機(jī)（Supported Vector Machine，SVM）模型來實(shí)現(xiàn)混合氣體的分類，可以有效解決時(shí)效與精度問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搭建了氣體檢測(cè)與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由采樣氣路模塊、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊和模式識(shí)別模塊3 個(gè)部分組成[1]。標(biāo)準(zhǔn)氣體通過質(zhì)量流量控制器（Mass Flow Controller,MFC）由進(jìn)氣口進(jìn)入氣室，通過控制MFC 得到某一濃度下的單一氣體（或混合氣體），單一氣體（或混合氣體）與固定在氣室中的傳感器陣列模塊板反應(yīng)，使用安捷倫數(shù)字式萬用表34450A 進(jìn)行陣列數(shù)據(jù)讀取，使用LabVIEW 與STM32 進(jìn)行通信向傳感器陣列板上的模擬多路復(fù)用芯片ADG1607 寫入命令，實(shí)現(xiàn)陣列不同傳感器之間的通道切換，同時(shí)，使用LabVIEW 與34450A 進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，將提取到的特征值作為輸入進(jìn)行模式識(shí)別[2]，模式識(shí)別部分在MATLAB 平臺(tái)中編程實(shí)現(xiàn)，識(shí)別結(jié)果在上位機(jī)輸出。氣體檢測(cè)與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 氣體檢測(cè)與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 采樣氣路模塊

氣體配置容器選用上海偉創(chuàng)標(biāo)準(zhǔn)氣體分析技術(shù)有限公司配置的標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶，清洗氣為以高純氧氣與氮?dú)馀浔鹊母呒兛諝猓渲懈呒冄鯕夂透呒兊獨(dú)獾臐舛染鶠?9.999%。乙醇和丙酮的配置濃度一致，均為200 ppm，采用高純空氣稀釋。流量計(jì)選用北京七星華創(chuàng)流量計(jì)有限公司的CS200 系列產(chǎn)品，乙醇、丙酮和空氣各使用一個(gè)MFC，通過設(shè)定不同的氣體流速比例進(jìn)行混合來達(dá)到改變氣體濃度的目的。

3 數(shù)據(jù)采集與顯示

3.1 傳感器陣列

常見的氣體傳感器類型有金屬氧化物半導(dǎo)體型（Metal Oxide Semiconductor,MOS）、電化學(xué)型、表面聲波型等[3]。其中MOS 型傳感器具有成本低、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中使用最為廣泛[4]。其敏感材料在空氣中會(huì)發(fā)生對(duì)氧的吸附反應(yīng)，導(dǎo)致電阻上升，在還原性氣體中會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致電阻下降，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的識(shí)別[5]。目前，在諸多敏感材料中，n 型氧化物如SnO2、In2O3、WO3、ZnO 和p型氧化物如CuO、NiO、Co3O4表現(xiàn)出顯著的氣體敏感特性[6]，該設(shè)計(jì)中使用的均為MOS 型傳感器，敏感材料為SnO2。

由于單一傳感器存在交叉敏感性，可能對(duì)工業(yè)環(huán)境中的多種氣體均敏感，導(dǎo)致識(shí)別的精度達(dá)不到預(yù)期。因此，構(gòu)建傳感器陣列來采集數(shù)據(jù)，使用陣列形成的響應(yīng)譜進(jìn)行分析，可以避免使用單一傳感器采集數(shù)據(jù)帶來的偶然性。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中乙醇與丙酮濃度的特點(diǎn)，在市售的氣體傳感器產(chǎn)品中選擇了4種不同的對(duì)乙醇和丙酮具有交叉敏感性的傳感器組成陣列，傳感器型號(hào)及檢測(cè)濃度范圍如表1 所示。

表1 傳感器型號(hào)與檢測(cè)濃度范圍

依據(jù)氣體組成和傳感器性能構(gòu)建了如表1 所示的傳感器陣列后，為了實(shí)現(xiàn)陣列中不同傳感器的通道切換，引入了模擬多路復(fù)用芯片ADG1607，并將傳感器陣列與ADG1607 集成在一起，組成了傳感器陣列模塊。最后使用Altium Designer 20 繪制了陣列模塊設(shè)計(jì)圖并制作了實(shí)物，其中陣列模塊設(shè)計(jì)圖如圖2所示，陣列模塊實(shí)物圖如圖3 所示。

圖2 陣列模塊設(shè)計(jì)圖

圖3 陣列模塊實(shí)物圖（置于氣室中間）

如圖2 所示，TGS1-TGS4 對(duì)應(yīng)4 個(gè)傳感器，ADG1607 為模擬多路復(fù)用芯片，內(nèi)置8 個(gè)差分通道，將根據(jù)3 位2 進(jìn)制地址線（A0、A1 和A2）所確定的地址作為公共差分輸出。

3.2 檢測(cè)氣室設(shè)計(jì)

因?yàn)榭諝庵写嬖诘乃捌渌s質(zhì)氣體會(huì)影響傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的響應(yīng)特性，故反應(yīng)氣室應(yīng)該嚴(yán)格密閉。依據(jù)要求，設(shè)計(jì)了不銹鋼密閉氣室，氣室內(nèi)壁光滑，可以減少氣體吸附在氣室表面導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的情況[7]。考慮到實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的乙醇與丙酮濃度設(shè)定在0～200 ppm 之間，氣室體積過大或者過小都會(huì)影響氣體在氣室內(nèi)達(dá)到平衡的時(shí)間和與傳感器充分響應(yīng)的時(shí)間，又考慮到陣列電路板的大小和傳感器的高度，最終設(shè)定氣室的體積為500 mL。氣室內(nèi)壁嵌有兩個(gè)四芯接頭，用于陣列電路板信號(hào)線的連接。氣室出氣口連接一個(gè)擋板閥，采樣過程中閥門關(guān)緊，使氣體充滿氣室，與傳感器充分反應(yīng)，脫附過程中閥門打開，通過波紋管與真空泵相連，將廢氣排出至室外。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

氣體實(shí)驗(yàn)通常分為靜態(tài)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種類型，靜態(tài)檢測(cè)過程需要關(guān)閉氣室，得到的是某一具體濃度下的響應(yīng)曲線，動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程不關(guān)閉氣室，氣室內(nèi)氣體的濃度隨時(shí)變化，得到的是不同濃度的響應(yīng)譜。相對(duì)于動(dòng)態(tài)檢測(cè)，靜態(tài)檢測(cè)過程中傳感器的響應(yīng)更穩(wěn)定，因此，該文采用靜態(tài)檢測(cè)方式。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，上位機(jī)界面以波形圖表形式實(shí)時(shí)顯示傳感器的阻值變化。

實(shí)驗(yàn)開始前需要對(duì)傳感器和MFC 進(jìn)行預(yù)熱，傳感器預(yù)熱時(shí)間為2 h，MFC 預(yù)熱時(shí)間為10～15 min。首先進(jìn)行基線過程，去除氣路中的雜質(zhì)氣體，時(shí)間為180 s。隨后進(jìn)行采樣過程，使用MFC 控制配比濃度，同時(shí)通入空氣和乙醇（丙酮），觀察真空計(jì)，其示數(shù)達(dá)到1×105pa 時(shí)，關(guān)閉MFC，停止通氣，靜置一段時(shí)間等待傳感器阻值平穩(wěn)后打開真空泵進(jìn)行脫附，真空計(jì)示數(shù)達(dá)到5 pa 及以下時(shí)，認(rèn)為氣室內(nèi)已經(jīng)達(dá)到真空狀態(tài)，氣體脫附過程結(jié)束。最后進(jìn)行清洗過程，使傳感器恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一次測(cè)量[8]。

該文針對(duì)乙醇與丙酮進(jìn)行分析，分別獲取了傳感器TGS2620 以及傳感器陣列隨乙醇、丙酮濃度變化的阻值數(shù)據(jù)，共得到了398 組數(shù)據(jù)。其中TGS2620采集到的數(shù)據(jù)為158 組（乙醇88 組，丙酮70 組），傳感器陣列采集到的數(shù)據(jù)為240 組（每個(gè)傳感器60 組，乙醇30組，丙酮30組）。采取簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的方法[9]，將數(shù)據(jù)樣本分為訓(xùn)練集與測(cè)試集，抽取270 組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，對(duì)SVM 模型進(jìn)行訓(xùn)練，剩余128 組數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，對(duì)訓(xùn)練得到的模型進(jìn)行性能檢驗(yàn)。

4 特征提取與SVM模型建立

4.1 特征提取

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同傳感器之間的數(shù)據(jù)量級(jí)差別較大，需要進(jìn)行歸一化處理。同時(shí)，注意到當(dāng)前提取的主要是原始曲線的幾何特征[10]，提取效果容易受操作誤差的影響，因此選擇采用分段擬合曲線的方式進(jìn)行特征提取[11]，將氣體響應(yīng)曲線分為采樣部分和脫附部分，每個(gè)部分提取兩個(gè)特征值，WSP2110在34 ppm 乙醇濃度下的響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 WSP2110在34 ppm乙醇濃度下的響應(yīng)曲線

整個(gè)采樣階段，傳感器響應(yīng)可以等效為一階線性模型，其傳遞函數(shù)為：

對(duì)輸入（激勵(lì)）函數(shù)做拉普拉斯變換后與傳遞函數(shù)相乘，可以得到輸出函數(shù)的S域表達(dá)式為：

再對(duì)Y(S)作拉普拉斯逆變換，得到：

針對(duì)式（3），分別提取反應(yīng)階段與脫附階段的幅值A(chǔ)和反應(yīng)速率，得到的特征提取結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 TGS2620數(shù)據(jù)特征提取結(jié)果

圖6 陣列數(shù)據(jù)特征提取結(jié)果

圖5、圖6 中，橫坐標(biāo)為特征向量維度，對(duì)應(yīng)每條響應(yīng)曲線提取的4 個(gè)特征值。縱坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)次序，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)量。由圖5 可知，TGS2620 對(duì)乙醇和丙酮的響應(yīng)規(guī)律不同，對(duì)乙醇和丙酮的響應(yīng)不夠穩(wěn)定，出現(xiàn)了個(gè)別差異大的特征值。由圖6 可知，陣列不同，傳感器之間遵循的響應(yīng)規(guī)律就有明顯差別，同一傳感器同一氣體條件下的特征值基本穩(wěn)定，氣體濃度變化時(shí)，傳感器的特征值變化不大，陣列數(shù)據(jù)下特征提取的效果更好。該特征提取方式有效地削弱了氣體濃度的影響，適用于氣體定性分析實(shí)驗(yàn)。

4.2 基于SVM的氣體分類

支持向量機(jī)基于統(tǒng)計(jì)的方法[12]，其核心思想是把輸入向量映射到高維特征空間中，將在低維空間中線性不可分的問題轉(zhuǎn)化為在高維空間中線性可分的問題[13]。應(yīng)用該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線性可分樣本和非線性可分樣本的分類，針對(duì)非線性可分的情況，為了減少計(jì)算量，通常需要選擇核函數(shù)。常用的核函數(shù)有線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、徑向基函數(shù)（RBF）等[14]。其中線性核函數(shù)僅適用于線性可分問題，多項(xiàng)式核函數(shù)雖然適用于非線性特征映射，但是在訓(xùn)練中總共有3 個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，而RBF 函數(shù)無論是應(yīng)用在大樣本還是小樣本中都有較好的性能，且僅有一個(gè)可調(diào)參數(shù)[15-16]。因此該文采用RBF 函數(shù)作為核函數(shù)。該設(shè)計(jì)中基于SVM 的氣體分類流程如圖7所示。

圖7 基于SVM的氣體分類流程圖

實(shí)驗(yàn)過程中，為了進(jìn)行分段特征提取，需要將響應(yīng)曲線分為采樣與脫附兩個(gè)部分。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中由于氣體濃度、流速、氣敏反應(yīng)特性不同等原因，采樣過程與脫附過程所持續(xù)的時(shí)間往往不是固定的，而是通過查看上位機(jī)界面判斷阻值波形曲線是否平穩(wěn)來決定的。為了精確地將每一次實(shí)驗(yàn)過程分為兩個(gè)部分，需要提取出每一次實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn)、臨界點(diǎn)和終點(diǎn)，將響應(yīng)曲線分為反應(yīng)與脫附兩個(gè)部分，分別進(jìn)行特征提取后再進(jìn)行模型訓(xùn)練與性能驗(yàn)證，基于TGS2620 數(shù)據(jù)和傳感器陣列數(shù)據(jù)的SVM 模型分類結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 TGS2620數(shù)據(jù)氣體分類結(jié)果

圖9 傳感器陣列數(shù)據(jù)氣體分類結(jié)果

由圖8 和圖9 可以看出，在訓(xùn)練模型不變的情況下，單一傳感器數(shù)據(jù)下的識(shí)別精度僅為77.1%，而傳感器陣列數(shù)據(jù)下的識(shí)別精度提升至92.5%。其中乙醇樣本標(biāo)記為類別“1”，丙酮樣本標(biāo)記類別“2”。TGS2620 對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性較好，27 幀測(cè)試數(shù)據(jù)中僅有1 幀分類錯(cuò)誤。對(duì)丙酮的分類效果不佳，21幀測(cè)試數(shù)據(jù)中有10 幀分類錯(cuò)誤。測(cè)試集的正確分類幀數(shù)僅為37/48，分類正確率較差。在傳感器陣列數(shù)據(jù)下，以不同傳感器對(duì)同一氣體的響應(yīng)情況作為氣體響應(yīng)譜，有效消除了單一傳感器交叉敏感性的影響，乙醇正確分類幀數(shù)上升至39/40，丙酮正確分類幀數(shù)上升至35/40，測(cè)試集的正確分類幀數(shù)上升至74/80。幾種電子鼻系統(tǒng)的性能比較如表2 所示。

表2 幾種電子鼻系統(tǒng)的性能比較

5 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)并搭建了一種用于快速檢測(cè)乙醇和丙酮?dú)怏w的電子鼻系統(tǒng)。依據(jù)氣體特性和傳感器敏感特性構(gòu)建了傳感器陣列，通過實(shí)驗(yàn)獲取了單一傳感器與傳感器陣列在不同乙醇（丙酮）氣體濃度下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過分段提取特征結(jié)合SVM 對(duì)樣本進(jìn)行了分類。比較發(fā)現(xiàn)，傳感器陣列數(shù)據(jù)條件下，分類正確率達(dá)到了92.5%，相比單一傳感器來說性能更優(yōu)，這表明采用傳感器陣列對(duì)氣體信息進(jìn)行獲取可以顯著提升分類正確率。后續(xù)為了提升分類的精確度，將嘗試更換不同的傳感器組合，規(guī)范實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)一步改進(jìn)特征提取與模式識(shí)別方式。