高精度電子鼻采樣電路設(shè)計(jì)與檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王 樂(lè),李 龍,段秋陽(yáng),李華曜,劉 歡

(華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院,武漢光電國(guó)家研究中心,湖北光谷實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430074)

0 引言

半導(dǎo)體氣體傳感器的原理是氣體敏感材料與目標(biāo)氣體發(fā)生表面反應(yīng)或吸附時(shí),會(huì)導(dǎo)致材料電導(dǎo)率、伏安特性發(fā)生規(guī)律性變化,從而反映目標(biāo)氣體的種類(lèi)與濃度關(guān)系,半導(dǎo)體氣體傳感器相較于其他種類(lèi)氣體傳感器具有制作成本低、制造工藝簡(jiǎn)單、響應(yīng)明顯等優(yōu)勢(shì),但同時(shí)也具有電阻值極大、響應(yīng)區(qū)間較寬、受環(huán)境影響大等缺陷[1-2]。電子鼻融合了氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集電路和模式識(shí)別算法,能夠很好地融合半導(dǎo)體氣體傳感器的優(yōu)勢(shì)并通過(guò)氣路與電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)解決缺陷問(wèn)題[3],盡管如此,在電子鼻的研發(fā)過(guò)程中,往往需要針對(duì)多種氣體進(jìn)行測(cè)試,而半導(dǎo)體氣體傳感器與不同的氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)其電阻值變化速度和變化范圍均不相同,對(duì)于阻值高于兆歐級(jí)、響應(yīng)范圍橫跨數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的半導(dǎo)體氣體傳感器來(lái)說(shuō),對(duì)相應(yīng)電子鼻系統(tǒng)的研發(fā)依然缺少能夠精準(zhǔn)測(cè)量的檢測(cè)方法。

針對(duì)此問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一套基于高阻值半導(dǎo)體氣體傳感器的多組分、高精度和寬量程的電子鼻采樣電路與檢測(cè)系統(tǒng),該檢測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)電子鼻的傳感器陣列進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定,包括多組分配氣系統(tǒng)、硬件控制電路和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì),多組分配氣系統(tǒng)能夠針對(duì)多種氣體進(jìn)行穩(wěn)定、精確的自動(dòng)化配氣,保證電子鼻系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中減少環(huán)境因素影響,硬件控制電路能夠針對(duì)高阻值寬范圍的半導(dǎo)體氣體傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量,并采集氣體傳感器陣列在該氣氛下的高精度測(cè)試數(shù)據(jù),上位機(jī)軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示采樣數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn),且具有良好的氣體分類(lèi)判別能力。

1 電子鼻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電子鼻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)嗅覺(jué)理解不斷深入以及傳感器等技術(shù)不斷發(fā)展,為了解決人類(lèi)嗅覺(jué)存在主觀猜測(cè)、敏感性不高以及偏差較大的問(wèn)題,人們通過(guò)模仿生物嗅覺(jué),研發(fā)出了能夠感知并判別氣體種類(lèi)、濃度的智能設(shè)備,也就是電子鼻系統(tǒng)[4]。電子鼻系統(tǒng)主要由氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集電路和模式識(shí)別算法構(gòu)成,也可包含用于氣體進(jìn)樣的氣路[5]。

本文從配氣系統(tǒng)、硬件電路和軟件三方面對(duì)多組分、高精度電子鼻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多組分配氣系統(tǒng)采用FX5可編程控制器(PLC)、數(shù)字MFC和電磁閥組實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分氣體的可控制自動(dòng)混氣。硬件控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分配氣系統(tǒng)的控制和對(duì)多個(gè)通道的氣體傳感器的溫度控制和寬量程采樣并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件采用Qt作為開(kāi)發(fā)工具,通過(guò)WiFi通信的方式可對(duì)硬件控制電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)通信,并在軟件交互界面上實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及可視化圖形。

系統(tǒng)工作流程圖見(jiàn)圖1。硬件電路上電時(shí)開(kāi)始初始化,設(shè)置內(nèi)容包括配置微處理器時(shí)鐘、設(shè)置通信接口參數(shù)、設(shè)置引腳具體功能與信號(hào)方向、設(shè)置電路初始加熱電壓參數(shù)。

圖1 電子鼻系統(tǒng)工作流程

連接上位機(jī)軟件包含完成與上位機(jī)軟件的通信端口連接與接收上位機(jī)軟件的命令兩部分。接收上位機(jī)軟件命令是上位機(jī)軟件設(shè)置好測(cè)試參數(shù)并啟動(dòng)測(cè)試后,微處理器將接收到一個(gè)完整測(cè)試流程所需的所有命令與參數(shù),解析命令與參數(shù)后即可控制其他電路。

多路配氣系統(tǒng)會(huì)在上位機(jī)軟件設(shè)置好每個(gè)氣路的設(shè)定流速后,硬件電路通過(guò)控制常閉電磁閥設(shè)置具體混氣成分與濃度完成多組分氣體的配氣。在對(duì)傳感器的加熱處理上,微處理器將產(chǎn)生幅值在0～3.3 V、脈沖寬度為50 ms的PWM波形,該P(yáng)WM波信號(hào)連接到NMOS管的柵極,且該NMOS管的源極與漏極分別連接到地與傳感器的加熱端口,傳感器的另一加熱端口連接5 V直流電。

硬件控制電路進(jìn)行采樣及數(shù)據(jù)處理可視為1個(gè)采樣周期,其工作流程為:對(duì)ADC芯片的每個(gè)與傳感器連接的信號(hào)輸入端口按順序執(zhí)行信號(hào)采樣動(dòng)作,在采樣動(dòng)作中,微處理器將會(huì)識(shí)別輸入信號(hào)的范圍,據(jù)此調(diào)整ADC芯片的PGA放大倍數(shù),并重復(fù)采樣動(dòng)作,直到調(diào)整到合適的參數(shù)后保存該數(shù)據(jù)。完成對(duì)所有端口的采樣數(shù)據(jù)保存后,微處理器將該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、拼接處理,調(diào)整到合適進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?并上傳該次的采樣數(shù)據(jù)到上位機(jī)軟件中。隨后,微處理器根據(jù)采樣間隔與時(shí)間等參數(shù),進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。

1.2 多組分配氣模塊設(shè)計(jì)

揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic chemicals,VOCs)是在工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室以及家中常見(jiàn)的危害性氣體,例如甲苯、甲醛及乙醛等,對(duì)環(huán)境空氣的污染不容忽視,對(duì)人體健康也存在較大的隱患[6-7],乙醇則是常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室溶劑、消毒劑及酒精成分,基于上述原因,該類(lèi)氣體是氣體傳感器常見(jiàn)的檢測(cè)對(duì)象,多組分配氣系統(tǒng)即是基于此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以三組分配氣系統(tǒng)為例,多組分配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,采用DJ2C-VUG6型的耐蝕常閉電磁截止閥和CS系列數(shù)字式氣體質(zhì)量流量控制器和流量計(jì)組成,電磁截止閥由硬件控制電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制,流量計(jì)通過(guò)串口RS485協(xié)議接入PLC再接入PC端,由上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整控制。

圖2 多組分配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(以三組分為例)

在三組分配氣系統(tǒng)中,輸入氣路共有6路,氣路1、氣路2為干燥空氣輸入氣路,分別流通經(jīng)過(guò)不同流速范圍的2個(gè)流量計(jì);氣路3、氣路4為氣體組分1輸入氣路,同樣設(shè)置為不同流速范圍;氣路5、氣路6為氣體組分2和氣體組分3的輸入氣路,氣體組分是否輸入由常閉電磁閥控制。其中濕度發(fā)生裝置用于控制待測(cè)氣體濕度范圍,最終混氣后通入氣體傳感器陣列所在的氣室中。

本設(shè)計(jì)中氣體濃度均由理論計(jì)算后配比完成,實(shí)際氣體濃度還會(huì)受氣室設(shè)計(jì)、氣路關(guān)系以及溫度濕度等因素發(fā)生小范圍變化,需要在配氣后再次進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量保證配氣精度和測(cè)量精度。

1.3 硬件控制電路設(shè)計(jì)

硬件控制電路結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3,主要包括電源電路、信號(hào)采樣電路和微處理器電路。電源電路輸入電壓為DC 24 V,通過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓模塊降壓后實(shí)現(xiàn)對(duì)各電路模塊的供電。傳感器陣列信號(hào)通過(guò)多通道分壓電路轉(zhuǎn)化為待檢測(cè)的電壓信號(hào),電壓信號(hào)將傳遞給高精度ADC轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)的采集。加熱電路通過(guò)將PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的加熱電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器的加熱控制。微處理器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)其他電路的控制和與上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)通信。

圖3 高精度電子鼻硬件控制電路結(jié)構(gòu)框圖

1.3.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路輸入電壓為DC 24 V,該輸入電壓通過(guò)DC-DC變壓后,再經(jīng)過(guò)電源芯片LM1085和AMS1117依次穩(wěn)定降壓為5 V及3.3 V電壓。其中24 V電壓輸入電源用于多組分配氣系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)閥控制,5 V電壓用于給ADC轉(zhuǎn)換芯片及傳感器加熱模塊等模擬電路供電,3.3 V電壓用于給微處理器電路等數(shù)字電路供電。其中C3～C10等電容用于調(diào)控電源芯片的輸出電壓范圍,電源電路圖如圖4所示。

圖4 直流穩(wěn)壓電源電路圖

1.3.2 采樣電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采樣電路采用電阻分壓式測(cè)量電路,將半導(dǎo)體氣體傳感器采樣電阻作為待測(cè)電阻Rs(sample resistance)與高精度定值電阻串聯(lián),在電路兩端施加固定電壓V,通過(guò)測(cè)量定值電阻的分壓計(jì)算得到待測(cè)電阻阻值,其中固定電壓V由16位ADC芯片(ADS114S08)輸出的穩(wěn)定2.5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓REF25提供,電阻阻值Rs計(jì)算公式如下:

(1)

式中:R0為參考電阻,采用精度為0.1%的1 MΩ電阻;V0為待測(cè)電壓信號(hào)。

采樣電路圖如圖5所示,其中ADS114S08是精度為16位的低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件,該芯片中包含了一個(gè)可編程的增益放大器(PGA),其增益范圍為1～128倍,可用程序自動(dòng)控制,用于放大低電平信號(hào)便于測(cè)量。該芯片支持最多12路電平信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換,其工作原理為,處理器通過(guò)SPI協(xié)議與ADS114S08芯片通信,并按照相關(guān)時(shí)序驅(qū)動(dòng)其工作;REF25為ADS114S08芯片輸出的標(biāo)準(zhǔn)2.5 V電壓,可以作為該芯片是否成功初始化的標(biāo)志;AINx為信號(hào)輸入引腳。

圖5 16位ADC采樣電路設(shè)計(jì)

1.3.3 微處理器電路設(shè)計(jì)

微處理器電路需要將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)軟件,本設(shè)計(jì)中采用型號(hào)為ESP32-WROOM-32的微處理器,其主要功能為:控制采樣電路,實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的自動(dòng)放大,提高采樣精度;控制傳感器加熱溫度;進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的初步處理,便于數(shù)據(jù)傳輸;設(shè)定WiFi,并通過(guò)WiFi通信方式與上位機(jī)軟件進(jìn)行命令接收及數(shù)據(jù)傳輸,其電路圖見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)線(xiàn)通信微處理器電路設(shè)計(jì)

當(dāng)電源電路供電后,微處理器上電,點(diǎn)亮電路上L1號(hào)LED燈,表示電路已正常供電。微處理器通過(guò)設(shè)置產(chǎn)生WiFi,采用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件的通信,上位機(jī)軟件連接上該WiFi后即完成與通信連接,此時(shí)將點(diǎn)亮電路上L2號(hào)LED燈,表示電路已完成通信端口連接。

1.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件運(yùn)行在PC端,采用Qt軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),軟件完成開(kāi)發(fā)后在Windows、Linux系統(tǒng)下均能運(yùn)行,無(wú)需移植。上位機(jī)軟件與微處理器電路采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信,與多組分配氣系統(tǒng)采用串口RS485協(xié)議進(jìn)行通信,上位機(jī)軟件具體通信端口設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 上位機(jī)軟件相關(guān)通信端口設(shè)置

上位機(jī)軟件工作流程如圖7所示,包括測(cè)試通信信道是否通暢、設(shè)置測(cè)試參數(shù)、發(fā)送控制命令、接收流量計(jì)數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)測(cè)試曲線(xiàn),以及根據(jù)需求保存不同格式的測(cè)試結(jié)果。

圖7 上位機(jī)軟件工作流程

上位機(jī)軟件啟動(dòng)后,在開(kāi)始工作前需確保PC端連接上微處理器電路設(shè)置的WiFi信號(hào),確認(rèn)后開(kāi)始設(shè)置本次測(cè)試流程的具體參數(shù),包括設(shè)置穩(wěn)定階段、響應(yīng)階段和系統(tǒng)恢復(fù)階段的時(shí)長(zhǎng)分布、設(shè)置多組分配氣系統(tǒng)的配氣通道與濃度、設(shè)置單個(gè)傳感器的加熱溫度,如圖8所示。

圖8 上位機(jī)軟件測(cè)試參數(shù)設(shè)置

完成本次測(cè)試流程的參數(shù)設(shè)置后,可點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣操作,二次確認(rèn)后,上位機(jī)軟件開(kāi)始實(shí)時(shí)顯示并繪制電子鼻采樣電路上傳的采樣數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中,可點(diǎn)擊“通道選擇”選擇單獨(dú)或者多組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性顯示,該操作只影響根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制的曲線(xiàn)顯示,并不影響采樣數(shù)據(jù)本身的顯示。通過(guò)“顯示模式”可選擇當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示模式,“固定模式”將固定Y軸坐標(biāo),僅顯示該坐標(biāo)內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線(xiàn);“自動(dòng)調(diào)節(jié)模式”將自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前X軸范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)最值,并自動(dòng)調(diào)整Y軸坐標(biāo)保證所有數(shù)據(jù)曲線(xiàn)均可正常顯示,該模式同時(shí)受“通道選擇”功能影響。

在測(cè)試流程完成后,軟件自動(dòng)進(jìn)入結(jié)束階段,等待其他命令,此時(shí)有3種數(shù)據(jù)保存方式,即TXT文本保存、EXCEL表格保存以及GRAPH圖像保存,點(diǎn)擊“保存”選項(xiàng),可根據(jù)需求不同選擇合適的方式保存所有數(shù)據(jù)。碰到非正常情況時(shí),可隨時(shí)點(diǎn)擊“停止采集”按鍵,重新調(diào)整測(cè)試參數(shù)并等待傳感器恢復(fù)后,可重復(fù)測(cè)試流程,軟件交互界面具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖9。

圖9 上位機(jī)軟件交互界面顯示

2 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

2.1 測(cè)試對(duì)象與方法

為了保證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作完成后進(jìn)行整體封裝。在本次測(cè)試中,采用本文自研的電子鼻系統(tǒng)對(duì)乙醇、甲苯和甲醛3種VOCs分別進(jìn)行不同濃度梯度的測(cè)試并保存采樣數(shù)據(jù),本次測(cè)試不使用濕度發(fā)生裝置,假定濕度恒定為0%。3種氣體的原氣濃度為100 ppm(1 ppm=10-6),為了設(shè)置不同濃度的待測(cè)氣體,濃度設(shè)置方法如下,通過(guò)流量計(jì)控制設(shè)定氣體原氣的流速分別為2.5、5、25、50、125 mL/min,設(shè)定干燥空氣流速分別為497.5、495、475、450、375 mL/min,以此設(shè)定氣體測(cè)試時(shí)測(cè)試濃度分別為0.5、1、5、10、20、25 ppm。

整個(gè)測(cè)試過(guò)程分為穩(wěn)定階段和多次的響應(yīng)-恢復(fù)循環(huán)階段,同種氣體測(cè)試流程約11 h。初始2 h為基線(xiàn)穩(wěn)定階段,多組分配氣系統(tǒng)持續(xù)向氣室通入干燥空氣,隨后電子鼻系統(tǒng)進(jìn)入傳感器響應(yīng)階段,氣室通入特定濃度待測(cè)氣體30 min,最后是恢復(fù)階段,配氣系統(tǒng)持續(xù)通入干燥空氣60 min后再次進(jìn)入下一濃度梯度的響應(yīng)-恢復(fù)循環(huán)。配氣系統(tǒng)按濃度由低到高的順序依次進(jìn)行待測(cè)氣體混氣,可減少高濃度待測(cè)氣體對(duì)低濃度測(cè)試時(shí)的影響。在同種氣體測(cè)試完成后,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一種氣體的測(cè)試流程。

2.2 測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)及分類(lèi)結(jié)果

對(duì)測(cè)試氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析,比較傳感器陣列對(duì)同種類(lèi)不同濃度以及同濃度不同種類(lèi)氣體響應(yīng)的差異。作為示例,選取0.5、1、5、10 ppm甲醛氣體在氣體傳感器MP503下的響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制成圖10,同時(shí)選取10 ppm濃度的乙醇、甲苯和甲醛氣體在該傳感器下的響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。從圖10、圖11中可以看出,傳感器在基線(xiàn)穩(wěn)定階段的電阻阻值并不相同,這是傳感器受前一次測(cè)試影響導(dǎo)致并未恢復(fù)到相同的電阻基線(xiàn)處。由圖10可看出,注入不同濃度的待測(cè)甲醛氣體后,隨著濃度升高,氣體傳感器響應(yīng)時(shí)間減小,響應(yīng)程度升高,同時(shí)恢復(fù)時(shí)間增大;由圖11可看出,對(duì)同濃度不同種類(lèi)待測(cè)氣體,傳感器的響應(yīng)程度、恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)均不相同,有較大差異。

圖10 0.5～10 ppm甲醛氣體動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)

圖11 10 ppm乙醇、甲苯及甲醛動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)

硬件控制電路中參考電阻為精度0.1%的1 MΩ電阻,氣體傳感器數(shù)據(jù)由16位ADC芯片進(jìn)行采樣,其參考電壓為2.5 V,則未啟用PGA時(shí)最小分辨電壓為0.076 3 mV。采樣誤差可定義為ADC芯片的最小分辨電壓所對(duì)應(yīng)的氣體傳感器電阻變化值與變化前阻值的比值。若氣體傳感器阻值與參考電阻相同為1 MΩ,可計(jì)算得待測(cè)電壓V0變化最小分辨電壓時(shí),氣體傳感器變化阻值約為122 Ω,此時(shí)PGA無(wú)法啟動(dòng),采樣誤差可計(jì)算得約為0.012%;隨著半導(dǎo)體氣體傳感器阻值變小,當(dāng)氣體傳感器阻值達(dá)到10 kΩ,可計(jì)算采樣誤差達(dá)到0.311%;當(dāng)氣體傳感器阻值增大到100 MΩ,可同樣計(jì)算采樣誤差達(dá)到0.311%,但此時(shí)待采樣電壓值較低,可啟用PGA進(jìn)行放大,放大64倍后采樣誤差可降低為0.013%,采樣誤差見(jiàn)表2。

表2 采樣誤差對(duì)比

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示,其中定義響應(yīng)為氣體傳感器響應(yīng)前基線(xiàn)電阻Ra與發(fā)生響應(yīng)后電阻值Rs的比值,根據(jù)該值可繪制出氣體響應(yīng)曲線(xiàn)(圖12),可看出該傳感器對(duì)乙醇?xì)怏w的響應(yīng)更明顯,對(duì)另外兩種氣體響應(yīng)相似。

表3 實(shí)驗(yàn)特征數(shù)據(jù)

圖12 乙醇、甲苯及甲醛響應(yīng)曲線(xiàn)

根據(jù)氣體傳感器的響應(yīng)曲線(xiàn),可進(jìn)一步對(duì)傳感器的檢測(cè)下限進(jìn)行分析,根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(international union of pure and applied chemistry,IUPAC)關(guān)于傳感器理論檢測(cè)下限(limit of detection,LOD)的定義[8]:

(2)

式中:RMSnoise為傳感器響應(yīng)曲線(xiàn)的噪聲,取基線(xiàn)穩(wěn)定階段的400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差;slope為傳感器在線(xiàn)性工作區(qū)間的響應(yīng)斜率。

取濃度最小的3個(gè)響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合其線(xiàn)性公式,所得斜率即為slope,根據(jù)式(2)可得該傳感器對(duì)乙醇、甲苯及甲醛的檢測(cè)下限分別為22.9、62、16.2 ppb。該檢測(cè)下限代表單個(gè)傳感器對(duì)特定氣體能夠檢測(cè)到的最小濃度,而在系統(tǒng)層面,則需要特定的算法計(jì)算系統(tǒng)能夠檢測(cè)到的特定氣體的最小濃度下限。

包含模式識(shí)別算法的電子鼻系統(tǒng)可根據(jù)氣體傳感器陣列響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)與判別[9-10],本文設(shè)計(jì)的電子鼻系統(tǒng)采用主成分分析(PCA),選擇傳感器基線(xiàn)阻值、響應(yīng)穩(wěn)定阻值、傳感器響應(yīng)值等統(tǒng)計(jì)特征作為PCA分類(lèi)模型的輸入數(shù)據(jù),可獲得傳感器陣列對(duì)氣體種類(lèi)及濃度的分類(lèi)圖,如圖13所示。

圖13 乙醇、甲苯及甲醛PCA分類(lèi)圖

通過(guò)分析PCA分類(lèi)圖可知,氣體種類(lèi)區(qū)分十分明顯,且同種氣體間分類(lèi)點(diǎn)與圖12中氣體響應(yīng)相對(duì)應(yīng),系統(tǒng)具有良好的分類(lèi)判別能力。

3 結(jié)論

本文基于電子鼻系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中氣體傳感器阻值較大且響應(yīng)范圍較寬的問(wèn)題,從高精度采樣電路設(shè)計(jì)出發(fā),結(jié)合配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了寬量程、高精度的檢測(cè)系統(tǒng),能夠在電子鼻研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行多種氣體的自動(dòng)化測(cè)試。硬件控制電路部分采用ESP32微處理器為主要控制核心驅(qū)動(dòng)16位ADC芯片及采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體氣體傳感器的高精度采樣,上位機(jī)軟件采用Qt軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)、C++語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)WiFi通信方式與硬件電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線(xiàn)顯示,并采用PCA對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)判別。

基于該電子鼻系統(tǒng),經(jīng)過(guò)多組分配氣系統(tǒng)的自動(dòng)配氣,對(duì)0.5～25 ppm區(qū)間內(nèi)6個(gè)濃度梯度的乙醇、甲苯及甲醛3種氣體進(jìn)行連續(xù)測(cè)試,基于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)提取傳感器基線(xiàn)阻值、響應(yīng)穩(wěn)定阻值、傳感器響應(yīng)等特征量進(jìn)行PCA分析,對(duì)采樣數(shù)據(jù)和分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行分析,表明本文設(shè)計(jì)的電子鼻系統(tǒng)采樣電路誤差在0.31%以下,且檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的分類(lèi)效果,能夠穩(wěn)定地對(duì)多種氣體進(jìn)行高精度、寬量程的數(shù)據(jù)采樣測(cè)試,在對(duì)高阻值、寬響應(yīng)的半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測(cè)上具備可行性。