基于小波特征提取的氣體傳感器溫度調(diào)制模式研究*

孫 晶, 趙寒濤

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所,黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院,黑龍江 哈爾濱 150020)

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,氣體傳感器的選擇性、穩(wěn)定性成為制約其發(fā)展的瓶頸。針對(duì)以上問題有人提出了電子鼻技術(shù),即用多個(gè)不同傳感特性的傳感器組成傳感器陣列,但增加傳感器元件個(gè)數(shù)勢(shì)必會(huì)加大整個(gè)系統(tǒng)的功耗和體積,不利于工程的應(yīng)用以及商用便攜式氣體傳感器的發(fā)展。如何利用一個(gè)傳感器通過自身的傳感特性制定有效的檢測(cè)方法成為研究的熱點(diǎn)。

經(jīng)研究表明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(nèi)對(duì)不同氣體的響應(yīng)有所不同。因此,可將氣體傳感器調(diào)制在不同的溫度模式下,測(cè)試傳感器在給定溫度模式下對(duì)不同氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào),再結(jié)合信號(hào)處理技術(shù),達(dá)到對(duì)氣體識(shí)別、分類和量化的目的[1]。氣體傳感器溫度調(diào)制模式技術(shù)種類繁多,但對(duì)某些氣體溫度調(diào)制模式優(yōu)化選擇問題尚沒有準(zhǔn)確的定論。

本文只選用一個(gè)微熱板式氣體傳感器研究了多個(gè)周期和幅度的正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波等溫度調(diào)制模式對(duì)可燃性氣體的響應(yīng),通過小波變換提取其低頻系數(shù)作為氣體響應(yīng)特征并結(jié)合主成分分析(principal compoent analysis,PCA)和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(probabilistic neural network,PNN)對(duì)氣體進(jìn)行識(shí)別。

1 實(shí) 驗(yàn)

微熱板式氣體傳感器具有加熱功率低,熱響應(yīng)速度快,與集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),在溫度調(diào)制模式研究中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。所以,選取以 Pt/SnO2敏感薄膜的微熱板式氣體傳感器作為測(cè)試對(duì)象。使用氣體傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[2],為了使氣體傳感器響應(yīng)平穩(wěn),測(cè)試開始之前需要先對(duì)微熱板式傳感器進(jìn)行預(yù)熱。然后使用程控電源配置傳感器的加熱電源,調(diào)制電壓和調(diào)制波形?？刂普{(diào)制電壓波形為正弦波、矩形波、三角波和鋸齒波等4種常見波形,選擇200～300 ℃,100～300 ℃,0～300 ℃,150～350 ℃等4種溫度調(diào)制范圍,8種調(diào)制周期分別設(shè)計(jì)為4,10,20,30,40,50,60,80 s,共128種溫度調(diào)制模式[3]。

實(shí)驗(yàn)1相同體積分?jǐn)?shù)下,氣體不同溫度調(diào)制模式研究,即在多種不同溫度調(diào)制模式下分別測(cè)試傳感器對(duì)3 000×10-6的甲烷(CH4),150×10-6的一氧化碳(CO),15×10-6的乙醇以及清潔空氣的響應(yīng)。

表1 溫度調(diào)制模式實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

實(shí)驗(yàn)2不同體積分?jǐn)?shù)氣體相同溫度調(diào)制模式研究。通過實(shí)驗(yàn)1尋找最優(yōu)溫度調(diào)制模式,并在此模式下對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的CO、CH4和乙醇之間進(jìn)行分類,每種氣體分別選擇了4種體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)試。具體氣體體積分?jǐn)?shù)設(shè)置:CO體積分?jǐn)?shù)分別為20×10-6,40×10-6,60×10-6,80×10-6；CH4分別為500×10-6,1000×10-6,1500×10-6,2000×10-6；乙醇分別為4×10-6,8×10-6,12×10-6,16×10-6。

氣體測(cè)試流程：首先通入潔凈空氣清洗測(cè)試腔12 min,然后依次通入不同濃度CH4各6 min,潔凈空氣清洗測(cè)試腔 9 min,依次通入不同濃度CO各6 min,潔凈空氣清洗測(cè)試腔9 min,依次通入不同濃度乙醇各6 min,潔凈空氣清洗測(cè)試腔9 min。對(duì)以上步驟重復(fù)性測(cè)試4組。

圖1 CH4、CO、空氣、乙醇四種氣體溫度調(diào)制模式原始信號(hào)

如圖1,為幾種溫度調(diào)制模式下4種氣體響應(yīng)曲線。可以看出,在4種不同溫度調(diào)制模式下4種氣體響應(yīng)曲線差異明顯。

2 算法設(shè)計(jì)

首先對(duì)氣體測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,然后依次對(duì)預(yù)處理好的每個(gè)周期的不同氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行4層db4小波分解,然后提取小波系數(shù)作為氣體的初步特征。提取的初步特征數(shù)據(jù)量大,勢(shì)必影響整個(gè)算法的效率。因此對(duì)氣體初步特征進(jìn)行PCA,根據(jù)主元的貢獻(xiàn)率大小值進(jìn)行排序并選取前三個(gè)主元作為氣體新的特征[4]。其中,若前三個(gè)主元貢獻(xiàn)率之和小于85 %,則表明這三個(gè)主元不能充分表達(dá)出原氣體響應(yīng)數(shù)據(jù)的信息,故舍去這組氣體測(cè)試數(shù)據(jù)。最后把新組成的特征向量輸入進(jìn)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即可得出被測(cè)氣體的識(shí)別率。

本文選用的是具有正交性的db4小波,不僅可以將信號(hào)分解到無(wú)重疊的子頻帶上,而且可以高效進(jìn)行離散小波變換,同時(shí)具有較好的平滑性和數(shù)值穩(wěn)定性,有利于后續(xù)的小波分析[4]。

圖2顯示了CH4,CO,清潔空氣以及乙醇4種氣體最后100 s樣本在0～300 ℃正弦波、三角波、方波、鋸齒波10 s周期溫度調(diào)制下4層db4小波分解的12個(gè)低頻系數(shù)?？梢钥闯?分解后其低頻小波系數(shù)在要區(qū)分的氣體之間差異明顯,因此只需要把這12個(gè)小波特征提取出來(lái)作為氣體的初步特征再結(jié)合PCA和PNN算法進(jìn)行分析。

圖2 小波分解低頻系數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 相同體積分?jǐn)?shù)氣體不同溫度調(diào)制模式分析

首先選取表2實(shí)驗(yàn)1中的氣體體積分?jǐn)?shù)配置,然后對(duì)表1所列的包括 4 種波形( 正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波),4 種幅度( 200～300 ℃,100～300 ℃,0～300 ℃,150～350 ℃),8種周期[5](T=4,10,20,30,40,50,60,80 s) 共128種模式調(diào)制設(shè)置下得到的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,繪制PNN識(shí)別率差異圖,結(jié)果見圖3～圖6。

圖3給出了傳感器在正弦波模式調(diào)制下對(duì)CH4、CO、清潔空氣和乙醇4種氣體在8個(gè)周期下的PNN識(shí)別率?？梢钥闯?在0～300 ℃和200～300 ℃溫度范圍具有相似之處,在10s周期后隨著周期的增長(zhǎng)識(shí)別率逐漸降低。其中,在0～300 ℃溫度范圍對(duì)4種氣體的識(shí)別率明顯高于其他溫度范圍,在100～300 ℃和150～350 ℃溫度范圍對(duì)四種氣體識(shí)別率隨著周期的增長(zhǎng)識(shí)別率逐漸升高并趨于平穩(wěn)。

圖3 4種氣體正弦波調(diào)制下PNN識(shí)別率

圖4給出了傳感器在方波模式調(diào)制下對(duì)CH4、CO、清潔空氣和乙醇4種氣體在8個(gè)周期下的PNN識(shí)別率。可以看出,在200～300 ℃和0～300 ℃溫度范圍隨周期的增長(zhǎng)對(duì)4種氣體的識(shí)別率走勢(shì)相似且呈下降之勢(shì),其中在200～300 ℃溫度范圍對(duì)4種氣體的識(shí)別率明顯高于其他溫度范圍,而在0～300 ℃溫度范圍對(duì)4種氣體的識(shí)別率低于其他溫度范圍。在100～300 ℃和150～350 ℃溫度范圍對(duì)4種氣體的識(shí)別率也具有相似之處,在40 s周期之前呈下降趨勢(shì),在40 s周期之后呈上升趨勢(shì)。

圖4 4種氣體方波調(diào)制下PNN識(shí)別率

圖5給出了傳感器在三角波模式調(diào)制下對(duì)CH4、CO、清潔空氣和乙醇4種氣體在8個(gè)周期(T=4,10,20,30,40,50,60,80s)下的PNN識(shí)別率。

圖5 4種氣體三角波調(diào)制下PNN識(shí)別率

可以看出,在0～300 ℃的溫度范圍對(duì)4種氣體的識(shí)別率明顯高于其他溫度范圍,且隨著周期的增長(zhǎng)識(shí)別率逐漸增高,而在150～350 ℃的范圍對(duì)4種氣體識(shí)別率隨著周期的增長(zhǎng)識(shí)別率逐漸降低。在100～300 ℃的范圍對(duì)4種氣體識(shí)別率較低且隨周期增長(zhǎng)逐漸趨于平穩(wěn)。在200～300 ℃的范圍對(duì)4種氣體識(shí)別率較低且隨周期增長(zhǎng)呈現(xiàn)不同的走勢(shì)[4]。

圖6給出了傳感器在鋸齒波模式調(diào)制下對(duì)CH4、CO、清潔空氣和乙醇4種氣體在8個(gè)周期下的PNN識(shí)別率差異圖?？梢钥闯?在4種溫度范圍內(nèi)對(duì)4種氣體的平均識(shí)別率均高于正弦波、三角波和方波調(diào)制的結(jié)果[6～8]。其中,在200～300 ℃溫度范圍對(duì)4種氣的識(shí)別率明顯高于其他3種溫度范圍,且隨著周期的增長(zhǎng)識(shí)別率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在100～300 ℃溫度范圍對(duì)4種氣體的識(shí)別率隨著周期的增長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。在0～300 ℃和150～350 ℃溫度范圍對(duì)4種氣的識(shí)別率相比另外2種溫度范圍略低一些,且隨著周期的增長(zhǎng)識(shí)別率趨于下降趨勢(shì)。

圖6 四種氣體鋸齒波調(diào)制下PNN識(shí)別率差異

3.2 相同溫度調(diào)制模式不同濃度氣體分析

由圖7可知,3種可燃性氣體在100～300 ℃鋸齒波80 s周期調(diào)制下識(shí)別率較高。所以控制傳感器在100～300 ℃對(duì)3種不同濃度可燃性氣體使用鋸齒波80 s周期溫度調(diào)制來(lái)進(jìn)行測(cè)試。如圖7,可以看出3種可燃性氣體在不同濃度下依舊可以分類。

圖7 三種可燃性氣體不同濃度氣體間分類結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于小波特征提取的溫度調(diào)制信號(hào)處理技術(shù)。通過對(duì)CH4,CO以及乙醇3種可燃性氣體溫度調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了幾種最佳溫度調(diào)制模式。本文提出的小波特征提取方法易于實(shí)現(xiàn),結(jié)合幾種最佳溫度調(diào)制模式,可以推廣到其他氣體的識(shí)別和研究。