用于恶臭检测的多传感器系统开发

作     者：王培贤 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张思祥

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：气体检测 恶臭强度 传感器阵列 人工嗅辨 电子鼻 

摘      要：恶臭气体作为大气污染的一种形式,通过人体呼吸系统直接对人们健康及精神状态产生危害和影响,恶臭污染的治理已经引起了全社会的重视。目前通用的恶臭检测方法还是通过传统的人工嗅辨进行主观检测,没有通过恶臭检测仪器实现对恶臭强度等级的客观评价。随着环境监测中科学执法要求的提高,以及对检测仪器快速化、网络化的需要,对恶臭检测提出了更高的要求。因此,开发一种符合人体感官评价的客观检测仪器,并且实现检测数据的平台化是非常必要的。本文分析了国内外恶臭气体检测方法与电子鼻系统的发展趋势,结合恶臭气体的检测需求开发了一种基于传感器阵列的恶臭检测系统。通过对不同类型气体传感器检测原理与性能特点的分析,选取电化学型、光离子化型和金属氧化物型三类传感器组成传感器阵列,并以此为基础根据系统需求完成了电源电路、驱动电路以及信号调理电路的开发。针对气路流向与传感器进样方式等特点设计了一种金属氧化物传感器气室,采用泵吸式的串行连接气路,通过电磁阀和隔膜泵实现气路切换与气体进样。根据传感器阵列输出数据的特点及下位机控制系统需求设计了数据通信中的数据包格式,服务器软件通过与4G透传模块建立TCP/IP长连接的形式获取传感器阵列的响应数据,并将相关数据存储至MySQL数据库中,实现了检测数据的实时上传。客户端软件负责检测数据的显示、保存、处理以及用户控制等功能。针对气体传感器普遍存在的交叉敏感性问题与恶臭检测中感官强度评价需求,提出了一种适用于多传感器系统的恶臭强度模型算法。恶臭模型分为浓度分析与强度计算两部分。采用差分算法完成传感器阵列特征值的提取,通过偏最小二乘法完成多传感器特征值的信息融合,并以此为基础设计了样气浓度的回归分析算法。通过对恶臭异味特性与常用恶臭强度模型的分析,确定了感官评价与恶臭浓度-强度关系模型相结合的恶臭强度模型分析方法。最后对开发的多传感器系统进行了性能测试与实验分析。实验结果表明:传感器阵列中的各传感器输出信号的最大标准偏差为0.0031V,最大相对标准偏差为1.10%,具有良好的稳定性与重复性。以硫化氢与二硫化碳的混合气体为样本气体,建立了传感器阵列特征值与恶臭强度等级的关系算法模型。将检测系统的预测值与人工嗅辨结果进行对比分析,相关性系数为0.986,具有较高的预测准确度,满足检测系统要求。