电子鼻及其应用研究

【摘要】：电子鼻是一种由具有部分选择性的化学传感器阵列和适当的模式识别系统 组成、能够识别简单或复杂气味的仪器。电子鼻在食品工业、航空航天、环境 监测等方面具有诱人的应用前景，因此，这一研究领域受到广泛关注和普遍重 视，近年来发展迅速。 本论文从生物嗅觉系统的结构和嗅觉机理出发，总结了电子鼻的原理和结 构，研究探讨了传感器阵列的组成、信号预处理电路的设计、模式识别方法的 选择。从随机过程理论出发，提出了传感器阵列的数学模型，探讨了阵列的维 数、信号调节电路、模－数转换器的位数对传感器阵列性能的影响。 在以上工作基础上，设计并用单片机实现了一个电子鼻系统，己成功地应 用于对三种不同标号汽油和五种不同品牌白酒的分类和识别，测试周期小于20 分钟，气体样品进样量小于100微升。 电子鼻硬件系统是一个典型的单片机应用系统，使用了单片机的全部内部 资源和多种外部接口技术。其中，提出了一种新的信号调节电路，可以在气敏 传感器电阻的动态范围内获得较高的灵敏度。在电子鼻系统中，采用一种新的 流气式进样系统，可以保证进样过程的重复性，为记录和利用传感器阵列的动 态响应过程提供了坚实的基础。 电子鼻的软件系统由单片机软件和PC机软件两部分组成。单片机软件用C 语言编写，在系统脱机工作时全面实现对系统的控制、处理、分析和显示功能； 在连机工作时，负责采样、数据传送。PC机软件用Visual C＋＋语言编写，在连 机工作时提供了一个友好的界面，用户可以方便地控制电子鼻，进行实时的数 据处理与结果显示，并能修改单片机系统的数据库。 对电子鼻中的特征提取和模式识别算法进行了研究，提出几种新的特征提 取方法，较好地解决了白酒和汽油的分类识别问题。在用PCA（主成分分析）方 法分类和识别白酒时，提出一种新的特征选择方法，解决了降维变换矩阵的组 成问题。