張嘉琪，冀大選，李杰一，任 遠(yuǎn)

(1.天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津300384;2.天津房信建筑工程總承包有限公司，天津300000)

0 引 言

隨著工業(yè)化的不斷擴(kuò)大，有害氣體引起的各種事故屢見不鮮，CH4，CO 氣體是廠礦企業(yè)廢氣中極具代表性的易燃易爆氣體，CO 中毒可以造成急性腦缺氧，甚至死亡。嚴(yán)重影響了人民的健康和安全［1］。所以，在廠礦企業(yè)中及時(shí)監(jiān)測可燃易爆氣體的含量對員工的安全生產(chǎn)工作具有重要意義。傳統(tǒng)監(jiān)測CH4，CO 的方法普遍存在檢測范圍小、精度低、傳感器使用壽命短、調(diào)校復(fù)雜等問題，且容易出現(xiàn)誤報(bào)錯(cuò)報(bào)等現(xiàn)象［2］?，F(xiàn)代儀器現(xiàn)代分析儀器法也存在價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、分析費(fèi)時(shí)等不足。電子鼻技術(shù)則彌補(bǔ)了這些不足，增強(qiáng)了監(jiān)測能力。

電子鼻系統(tǒng)利用普通傳感器的交叉敏感性現(xiàn)象組成傳感器陣列［3］。氣體與傳感器的活性材料反應(yīng)，傳感器把氣體的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過A/D 轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最終通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別對這些信號(hào)進(jìn)行處理，分析和識(shí)別所測的氣體。本文利用電化學(xué)傳感器構(gòu)建電子鼻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對CH4和CO 氣體的檢測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室檢測裝置示意圖如圖1 所示，電子鼻系統(tǒng)主要由調(diào)理電路、采集電路、控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件構(gòu)成。在測試開始前先用零空氣吹掃氣室，然后用注射器向配體箱按比例注入待測氣體，配氣箱是由有機(jī)玻璃制成的容積8000mL 的正方體氣室。待配氣完畢后，利用空氣泵將待測氣體抽入傳感器陣列氣腔。四通閥門可以使裝置在檢測、調(diào)試、清洗氣腔之間進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換，在N2氣清洗氣腔的作用下有助于延長電化學(xué)傳感器的使用壽命。四通閥門尾部管徑內(nèi)墊著石棉網(wǎng)可以有效地除去來自采樣段的灰塵。

圖1 檢測裝置示意圖Fig 1 Diagram of detecting device

傳感器陣列由6 種MEMBRAPOR 電化學(xué)傳感器(CO/CF—200，NH3/CR—200，SO2/CF—100H2S/C—200，CH2O/C—10，CH3OH/C—1000)組成，每只傳感器緊固在傳感器腔下側(cè)，傳感器單元實(shí)物如圖2 所示。每一只傳感器都有獨(dú)立的氣腔，每一只傳感器氣腔用硅膠管相連構(gòu)成傳感器陣列，傳感器氣腔由有機(jī)玻璃制成，每一個(gè)氣腔容積約為6.28 mL。這種小型獨(dú)立氣腔的設(shè)計(jì)主要是考慮到便于氣流均勻，交換迅速，從而在更短的時(shí)間內(nèi)使測量值穩(wěn)定。

流經(jīng)傳感器陣列的測試氣體最終被收集在與空氣泵相連的集氣袋中以便對廢氣集中處理以免污染大氣。傳感器的采集測試電路的電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路放大濾波后被A/D轉(zhuǎn)換器拾取，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后采用USB 串口的通信方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)PC?？刂葡到y(tǒng)采用32 位微型處理器STM32F103V8T6，在上位PC 運(yùn)用LabVIEW 2012 軟件對傳感器電流信息進(jìn)行分析。

圖2 傳感器單元實(shí)物圖Fig 2 Physical map of sensor unit

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路

圖3 為單只傳感器的測試電路，給傳感器串聯(lián)一只測試電阻器R0，阻值10 kΩ，電化學(xué)傳感器本身可以產(chǎn)生電流，但起電流信號(hào)極為微弱，需要設(shè)置信號(hào)放大電路，電路圖如圖4所示。測試溫度為室溫，當(dāng)待測氣體通入傳感器氣腔時(shí)，電化學(xué)傳感器的活性材料與氣體接觸后，電化學(xué)傳感器產(chǎn)生壓降，電壓U0會(huì)發(fā)生改變，R0的阻值不變，根據(jù)歐姆定律

根據(jù)式(1)可知，流經(jīng)電路電流值I 將會(huì)發(fā)生變化，因此，通過測量流經(jīng)電阻器R0 的電流I 的變化量就可以得到傳感器的敏感度。

圖3 測試電路Fig 3 Test circuit

圖4 信號(hào)放大電路Fig 4 Signal amplifying circuit

2.2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用STM32F103 處理器為核心，它應(yīng)用了ARM公司的Cortex－M3 內(nèi)核，該內(nèi)核能夠滿足電子鼻系統(tǒng)所需要的高性能低功耗的實(shí)時(shí)應(yīng)用，STM32 的工作頻率為72 MHz，片上集成的Flash 最多可達(dá)512 kB，5 個(gè)USART 接口便于串口連接并完成系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信。此外，STM32F103擁有2 個(gè)FC 接口，3 個(gè)SPI 接口，可以對轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行拾取。STM32F103 嵌入了一個(gè)嵌套矢量中斷控制器，同時(shí)還支持3 種低功耗模式和靈活的時(shí)鐘控制機(jī)制［4］。

圖5 為控制系統(tǒng)部分的原理圖。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖Fig 5 Diagram of control system

微型處理器STM32F103V8T6 的PA4/SPI1_NSS，PA5/SPI1_SCK，PA6/SPI1_MISO 接口分別于A/D 轉(zhuǎn)換器ADS8326 的DS/SHDN，DCLOCK，DOUT 相連完成電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于USB 接口在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定快速，電子鼻系統(tǒng)采用CP2103 實(shí)現(xiàn)USB 通信，STM32F103V8T6 的PA9 和PA10 分別于CP2013 的RXD 和TXD 相連完成串口電路。

3 軟件系統(tǒng)

電子鼻系統(tǒng)的軟件部分采用基于LabVIEW 2012 的開發(fā)平臺(tái)［5～7］，其內(nèi)部集成了Matlab 腳本，程序編寫簡單且易于掌握，界面簡潔易于操作。再者LabVIEW 針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)處理與分析等方面，擁有專用控制節(jié)點(diǎn)函數(shù)，相比其他編程軟件更加方便，軟件流程如圖6。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Flow chart of system software

單片機(jī)與PC 上位機(jī)之間的交流是以字符串的形式進(jìn)行的［8］，如果要將單片機(jī)中的數(shù)據(jù)反映在LabVIEW 中的波形顯示函數(shù)中，需要將字符串轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組。在安裝UART－USB 虛擬驅(qū)動(dòng)后，為保證上位機(jī)與下位機(jī)通信正常，首先要在LabVIEW 中正確選擇串口，再通過VISA 函數(shù)庫中的VISA 串口配置、VISA 寫、VISA 讀和VISA 關(guān)閉等函數(shù)實(shí)現(xiàn)USB 通信。在配置VISA 時(shí)波特率設(shè)置成9600，字節(jié)大小為8 bit，1 位停止位，無奇偶校驗(yàn)。

4 系統(tǒng)測試

電子鼻在測試模式下對9 種不同濃度比例的CH4和CO 氣體組分進(jìn)行檢測，將傳感器數(shù)據(jù)輸入到已經(jīng)訓(xùn)練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識(shí)別，表1 是電子鼻系統(tǒng)混合氣體識(shí)別結(jié)果和誤差，由表1 得出CO 的平均誤差為5.52×10－6:CH4的平均誤差為7.15×10－6?？梢钥闯鲈撾娮颖窍到y(tǒng)誤差很小，在實(shí)際工作中具有很好的效果。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于LabVIEW 平臺(tái)，利用電化學(xué)傳感器組成陣列，結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識(shí)別，傳感器數(shù)據(jù)能直觀地顯示在上位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析無縫集成到虛擬檢測平臺(tái)。該系統(tǒng)不僅可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究，也可以用于礦井中對可燃?xì)怏w的含量進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。但是，該系統(tǒng)仍然存在一些問題，如，傳感器響應(yīng)信號(hào)較小，容易被噪聲淹沒，配氣系統(tǒng)的智能操控性能不高，需要人為干預(yù)。

表1 電子鼻系統(tǒng)混合氣體識(shí)別結(jié)果與誤差Tab 1 Results of mixture gas identification of electronic nose system and errors

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