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1、测控技术990503测控技术MEASUREMENT&CONTROLTECHNOLOGY1999年第18卷第5期Vol.18No.51999发展中的电子鼻技术王 磊 曲建岭 杨建华 摘 要：介绍了电子鼻的概念和研究意义,详细地阐述了电子鼻的系统组成及其关键技术,最后对电子鼻的应用和前景做了总结。 关键词：电子鼻,气敏传感器阵列,模式识别TheDevelopingTechnologyinElectronicNose Abstract：Thedefinitionandsignificanceoftheelectronicnoseareintroduced.Itssystem
2、structureandtechnologyaredetailed.Theapplicationandprospectoftheelectronicnosearesummedupatlast. Keywords：electronicnose,gas/odorsensorarray,patternrecognition “电子鼻(electronicnose)是一种仪器,由具备部分专一性的气敏传感器构成的阵列和适当的模式识别系统组成,用来识别简单和复杂气味”［1］。当然,从广义上讲,电子鼻不仅仅限于那些模仿人类嗅觉感受气味分子的智能测试系统,电子鼻的体系结构也适用于测量单一
3、组分或气体/蒸汽混合物的气体敏感系统［2］。 电子鼻在饮料、食品、化妆品、临床诊断、环境检测、海关公安、油气报警等行业均有着广阔的应用前景,因此目前各发达国家都把电子鼻的开发与应用列为跨世纪的关键技术,并给予特别的重视和支持。1 系统组成 电子鼻系统是对哺乳动物嗅觉系统的模拟。生物解剖学表明,动物和人的嗅觉系统的结构有3个层次:①初级嗅觉神经元,它由嗅觉传感器和嗅觉神经组成,对气味有很高的敏感性,但交叉灵敏度也高;②二级嗅觉神经元(嗅泡),具有对初级嗅觉神经元传递过来的信息进行调节、抑制和模式特征提取的功能;③大脑,经过初步处理的嗅觉信息传到大脑的高级信息处理中心,经过
4、分析,做出判断。 模拟动物和人的嗅觉系统,电子鼻的构造也有3个层次,如图1所示。万方数据file:///E
5、/qk/ckjs/ckjs99/ckjs9905/990503.htm（第1／6页）2010-3-2216:13:11测控技术990503图1 电子鼻的系统组成 (1)气敏传感器阵列,相当于初级嗅觉神经元。由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气味/气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常,气敏传感器阵列可以采用数个单独的气敏传感器组合而成;也可以采用集成工艺制作专用的气敏传感器阵列,这种阵列体积小,功耗低,便于信号的集中采集与处理。单个气敏传感器与传感器阵列在特性
6、上有质的区别,单个气敏传感器对气味/气体的响应可用强度来表示,而气敏传感器阵列除了各个传感器的响应外,在全部传感器组成的多维空间中形成响应模式,而这正是电子鼻能对多种气味和气体进行辨识的关键所在。 (2)信号预处理单元,它对传感器阵列的响应模式进行预加工,完成特征提取。如在气味/气体的定性辨识中,采用归一化算法可在一定程度上消除浓度对传感器输出响应的影响。 (3)模式识别单元,相当于动物和人类的大脑,它运用一定的算法完成气味/气体的定性定量辨识。电子鼻中,模式识别算法有:相关方法、最小二乘法、聚类方法、主成分分析法、偏最小二乘法、人工神经网络法、模糊逻辑法等［3］。
7、作为测量气味和气体的电子仪器,电子鼻是气敏传感技术与信息处理技术的有效结合,因此,加强对气敏传感器技术与模式识别技术的研究就显得尤为重要。2 电子鼻技术2.1 气敏传感器 对于阵列上所用的气敏传感器,不要求它有很强的选择性而要求它具有广谱响应特性,并且对特定种类的气味或气体具有某种程度的择优响应。使用这些具有重叠响应特性的气敏传感器阵列可获得对特定气味或气体的专一性,从而产生描述单一刺激物的特征模式。适合于组成阵列的气敏传感器有: (1)金属氧化物半导体型气敏传感器。金属氧化物,如SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2、WO3等做成的半导体气敏元件是目前应用最多的一种气
8、敏传感器,它对气味和气体(尤其是可燃性气体和某些有毒气体)具有较高的灵敏度,传感器制作简单,价格便宜,响应速度快,但对气味/气体选择性差,元件参数分散,且必须加热,易中毒。利用薄膜技术、超粒子薄膜技术制造的金属氧化物气敏传感器具有灵敏度高(可达ppb级)、一致性好、小型化、易集成等优点,将超微粒子膜技术与集成技术相结合制作集成化超微粒子气敏传感器,并与模式识别技术相结合，可研制冷化学电阻型电子鼻。 (2)电化学型气敏传感器。电化学型气敏传感器有两种:一种是液体电解质气敏传感器(气体直接氧化或还原产生电流,或气体溶
