本書主要內容包括電子鼻系統的基本原理、電子鼻系統的實驗測試平台設計、微熱板式氣體感測器的結構及其性能測試分析、氣體感測器的混合氣體回響機理分析、氣體感測器陣列信號的特徵參數分析和盲分離處理、氣體感測器溫度調製原理和測試及基於傅立葉變換和Hilbert-Huang變換的動態特徵分析技術，以及最新的壓縮感知理論在電子鼻系統中的套用。書中每章包含了大量反映電子鼻和氣體感測器領域的最新研究成果和當前研究熱點的總結，提供了大量有關實驗和算法的詳細分析步驟和測試結果。
基本介紹
- 外文名：Principle and Techniques of Electronic Nose Systems
- 書名：電子鼻系統原理及技術
- 作者：魏廣芬 余雋
- 出版日期：2014年7月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7121231913
- 出版社：電子工業出版社
- 頁數：225頁
- 開本：16
- 品牌：電子工業出版社
內容簡介,作者簡介,圖書目錄,序言,
內容簡介
《電子鼻系統原理及技術》內容豐富新穎，可作為電子鼻系統、氣體感測器相關領域同人的參考，同時也可以為對該領域感興趣的讀者提供幫助
作者簡介
IEEE會員。 山東高等學校優秀科研成果獎三等獎“面向危險化學品安全監測的感測器信號處理研究”，2011.12[2 山東高等學校優秀科研成果獎三等獎“基於人工神經網路的信號處理與智慧型檢測技術研究”, 2008.12 山東省中青年科學家獎勵基金（博士基金）項目“基於氣體感測器溫度調製技術的混合氣體檢測關鍵技術研究
圖書目錄
第1章緒論1
1.1氣體被測對象1
1.2電子鼻系統3
1.2.1電子鼻系統原理3
1.2.2電子鼻套用及發展4
1.2.3集成化電子鼻晶片5
1.3電子鼻系統關鍵技術7
1.3.1氣體感測器7
1.3.2氣體感測器陣列技術9
1.3.3氣體信息特徵參數的提取12
1.3.4模式識別13
1.3.5溫度調製技術14
1.3.6氣敏機理及模型的研究14
1.4當前亟待解決的問題16
1.5主要內容簡介18
第2章電子鼻系統研究測試平台20
2.1實驗平台設計20
2.2配氣系統23
2.2.1動態配氣系統23
2.2.2靜態配氣系統25
2.3控制測試系統26
2.3.1硬體系統設計27
2.3.2軟體界面設計29
2.3.3測試系統的性能32
2.4溫度調製實驗系統33
2.4.1基於DDS技術的氣體感測器溫度調製實驗系統34
2.4.2基於程控電源的氣體感測器溫度調製實驗系統36
2.5測試37
2.6本章小結39
第3章氣體感測器及其性能測試和分析40
3.1半導體氣體感測器的發展40
3.2微熱板式氣體感測器的結構及工藝流程45
3.3微熱板式氣體感測器的性能測試47
3.3.1工作溫度—加熱功耗曲線48
3.3.2靈敏度—工作溫度曲線49
3.3.3微熱板升（降）溫曲線50
3.3.4選擇性51
3.3.5靈敏度—氣體濃度曲線52
3.3.6回響時間和恢復時間52
3.3.7穩定性53
3.3.8預熱時間的影響57
3.3.9環境溫濕度的影響57
3.3.10對混合氣體的回響58
3.4與標準CMOS工藝及氣敏材料的製備工藝兼容的微熱板59
3.4.1微熱板式氣體感測器加熱材料的選取59
3.4.2鎢微熱板式氣體感測器的加工流程59
3.4.3鎢微熱板式氣體感測器性能測試61
3.5本章小結64
第4章氣體感測器的混合氣體回響機制65
4.1SnO2薄膜的敏感機理65
4.1.1敏感機理綜述65
4.1.2SnO2薄膜70
4.2氣敏機理的密度泛函分析73
4.2.1密度泛函理論74
4.2.2計算平台75
4.2.3DFT計算和分析76
4.3微熱板式氣體感測器的電學回響模型82
4.3.1模型描述82
4.3.2參數最佳化84
4.4環境中O2的影響分析87
4.5本章小結90
第5章氣體感測器特徵參數分析92
5.1陣列信號處理方法綜述93
5.1.1信號預處理93
5.1.2特徵參數最佳化94
5.1.3模式分類96
5.2穩態回響特徵參數99
5.3特徵分析101
5.3.1氣體感測器回響測量102
5.3.2回響特徵分析102
5.3.3電阻和電導參數比較103
5.3.4其他特徵分析104
5.4混合氣體識別107
5.4.1神經網路模式識別107
5.4.2氣體量化識別111
5.5本章小結112
第6章氣體感測器陣列信號的盲分離113
6.1盲分離模型的建立113
6.1.1混合氣體分析問題描述113
6.1.2盲信號分離問題115
6.1.3混合氣體分析的盲可辨識性117
6.2基於盲分離模型的信號處理算法118
6.2.1主成分分析法（PCA）118
6.2.2獨立成分分析法（ICA）120
6.2.3非線性主成分分析法（NLPCA）122
6.3二元混合氣體的BSS分析124
6.3.1穩態數據的BSS分析124
6.3.2連續測量數據的ICA分析127
6.3.3非線性疊加模型的信號處理探討128
6.4與BP神經網路的結合130
6.4.1特徵選擇130
6.4.2特徵提取和預處理131
6.4.3在二元混合氣體分析問題中的套用133
6.5本章小結134
第7章氣體感測器的溫度調製技術135
7.1溫度調製原理135
7.2溫度調製技術現狀136
7.2.1溫度調製模式的多樣化137
7.2.2氣體感測器動態回響信號處理技術140
7.2.3動態回響機理分析及建模143
7.3溫度調製實驗144
7.3.1實驗設定144
7.3.2測試結果及分析145
7.4調製信號預處理148
7.5虛擬陣列151
7.6本章小結153
第8章基於傅立葉變換的動態特徵分析154
8.1傅立葉變換154
8.2動態信號處理158
8.2.1信號分析158
8.2.2特徵提取160
8.2.3特徵分析依據161
8.3溫度調製模式分析161
8.3.1溫度調製實驗設計161
8.3.2甲烷和一氧化碳氣體特徵差異162
8.3.3乙醇和一氧化碳氣體特徵差異163
8.3.4乙醇和甲烷氣體特徵差異164
8.3.5模式分析結論165
8.4混合氣體檢測167
8.5本章小結170
第9章基於Hilbert—Huang變換的動態特徵參數分析171
9.1Hilbert—Huang變換171
9.1.1經驗模態分解（EMD）172
9.1.2Hilbert譜分析（HSA）173
9.2動態信號處理175
9.2.1信號的HHT分析176
9.2.2瞬時頻譜特徵180
9.2.3調製周期的影響182
9.2.4其他波形中的套用183
9.3混合氣體檢測185
9.4本章小結187
第10章壓縮感知電子鼻系統189
10.1物聯網環境下的新需求190
10.2壓縮感知理論191
10.2.1稀疏變換193
10.2.2測量矩陣194
10.2.3信號重構196
10.3壓縮感知電子鼻系統197
10.3.1原理框架197
10.3.2壓縮感知電子鼻系統模擬仿真198
10.3.3壓縮感知電子鼻系統中的關鍵問題200
10.4本章小結200
總結與展望202
參考文獻206
1.1氣體被測對象1
1.2電子鼻系統3
1.2.1電子鼻系統原理3
1.2.2電子鼻套用及發展4
1.2.3集成化電子鼻晶片5
1.3電子鼻系統關鍵技術7
1.3.1氣體感測器7
1.3.2氣體感測器陣列技術9
1.3.3氣體信息特徵參數的提取12
1.3.4模式識別13
1.3.5溫度調製技術14
1.3.6氣敏機理及模型的研究14
1.4當前亟待解決的問題16
1.5主要內容簡介18
第2章電子鼻系統研究測試平台20
2.1實驗平台設計20
2.2配氣系統23
2.2.1動態配氣系統23
2.2.2靜態配氣系統25
2.3控制測試系統26
2.3.1硬體系統設計27
2.3.2軟體界面設計29
2.3.3測試系統的性能32
2.4溫度調製實驗系統33
2.4.1基於DDS技術的氣體感測器溫度調製實驗系統34
2.4.2基於程控電源的氣體感測器溫度調製實驗系統36
2.5測試37
2.6本章小結39
第3章氣體感測器及其性能測試和分析40
3.1半導體氣體感測器的發展40
3.2微熱板式氣體感測器的結構及工藝流程45
3.3微熱板式氣體感測器的性能測試47
3.3.1工作溫度—加熱功耗曲線48
3.3.2靈敏度—工作溫度曲線49
3.3.3微熱板升（降）溫曲線50
3.3.4選擇性51
3.3.5靈敏度—氣體濃度曲線52
3.3.6回響時間和恢復時間52
3.3.7穩定性53
3.3.8預熱時間的影響57
3.3.9環境溫濕度的影響57
3.3.10對混合氣體的回響58
3.4與標準CMOS工藝及氣敏材料的製備工藝兼容的微熱板59
3.4.1微熱板式氣體感測器加熱材料的選取59
3.4.2鎢微熱板式氣體感測器的加工流程59
3.4.3鎢微熱板式氣體感測器性能測試61
3.5本章小結64
第4章氣體感測器的混合氣體回響機制65
4.1SnO2薄膜的敏感機理65
4.1.1敏感機理綜述65
4.1.2SnO2薄膜70
4.2氣敏機理的密度泛函分析73
4.2.1密度泛函理論74
4.2.2計算平台75
4.2.3DFT計算和分析76
4.3微熱板式氣體感測器的電學回響模型82
4.3.1模型描述82
4.3.2參數最佳化84
4.4環境中O2的影響分析87
4.5本章小結90
第5章氣體感測器特徵參數分析92
5.1陣列信號處理方法綜述93
5.1.1信號預處理93
5.1.2特徵參數最佳化94
5.1.3模式分類96
5.2穩態回響特徵參數99
5.3特徵分析101
5.3.1氣體感測器回響測量102
5.3.2回響特徵分析102
5.3.3電阻和電導參數比較103
5.3.4其他特徵分析104
5.4混合氣體識別107
5.4.1神經網路模式識別107
5.4.2氣體量化識別111
5.5本章小結112
第6章氣體感測器陣列信號的盲分離113
6.1盲分離模型的建立113
6.1.1混合氣體分析問題描述113
6.1.2盲信號分離問題115
6.1.3混合氣體分析的盲可辨識性117
6.2基於盲分離模型的信號處理算法118
6.2.1主成分分析法（PCA）118
6.2.2獨立成分分析法（ICA）120
6.2.3非線性主成分分析法（NLPCA）122
6.3二元混合氣體的BSS分析124
6.3.1穩態數據的BSS分析124
6.3.2連續測量數據的ICA分析127
6.3.3非線性疊加模型的信號處理探討128
6.4與BP神經網路的結合130
6.4.1特徵選擇130
6.4.2特徵提取和預處理131
6.4.3在二元混合氣體分析問題中的套用133
6.5本章小結134
第7章氣體感測器的溫度調製技術135
7.1溫度調製原理135
7.2溫度調製技術現狀136
7.2.1溫度調製模式的多樣化137
7.2.2氣體感測器動態回響信號處理技術140
7.2.3動態回響機理分析及建模143
7.3溫度調製實驗144
7.3.1實驗設定144
7.3.2測試結果及分析145
7.4調製信號預處理148
7.5虛擬陣列151
7.6本章小結153
第8章基於傅立葉變換的動態特徵分析154
8.1傅立葉變換154
8.2動態信號處理158
8.2.1信號分析158
8.2.2特徵提取160
8.2.3特徵分析依據161
8.3溫度調製模式分析161
8.3.1溫度調製實驗設計161
8.3.2甲烷和一氧化碳氣體特徵差異162
8.3.3乙醇和一氧化碳氣體特徵差異163
8.3.4乙醇和甲烷氣體特徵差異164
8.3.5模式分析結論165
8.4混合氣體檢測167
8.5本章小結170
第9章基於Hilbert—Huang變換的動態特徵參數分析171
9.1Hilbert—Huang變換171
9.1.1經驗模態分解（EMD）172
9.1.2Hilbert譜分析（HSA）173
9.2動態信號處理175
9.2.1信號的HHT分析176
9.2.2瞬時頻譜特徵180
9.2.3調製周期的影響182
9.2.4其他波形中的套用183
9.3混合氣體檢測185
9.4本章小結187
第10章壓縮感知電子鼻系統189
10.1物聯網環境下的新需求190
10.2壓縮感知理論191
10.2.1稀疏變換193
10.2.2測量矩陣194
10.2.3信號重構196
10.3壓縮感知電子鼻系統197
10.3.1原理框架197
10.3.2壓縮感知電子鼻系統模擬仿真198
10.3.3壓縮感知電子鼻系統中的關鍵問題200
10.4本章小結200
總結與展望202
參考文獻206
序言
前言
隨著科學技術的發展，工業生產規模逐漸擴大，產品種類不斷增多，在生產中使用的氣體原料和生產過程中產生的氣體種類和數量也不斷增多。這些氣體中有些是易燃易爆氣體，有些是毒性氣體，它們的泄漏不僅污染環境，而且易產生爆炸、火災及使人中毒等惡性事件。同時隨著人類生活水平的不斷提高，石油液化氣、天然氣及城市煤氣作為家庭用燃料也迅速普及，由於這些氣體的泄漏引起的爆炸和火災事故也嚴重威脅人們的生命財產安全。因此，對這些氣體進行快速準確的檢測和監控是十分必要的。另外，隨著科技的發展，氣體感測器可與大規模積體電路、計算機等結合起來，套用於各種檢測和控制等方面，也促進了氣體感測器的發展。
半導體氣體感測器是集物理性能、化學性能、電性能於一體的微電子器件，它能夠實時地對各種氣體（有毒有害、易燃易爆）進行線上檢測及分析，具有廣泛的套用。但半導體氣體感測器的選擇性和穩定性問題是制約其發展的瓶頸。因此，如何改善氣體感測器的選擇性和穩定性成為氣體感測器的研究熱點。再加上仿生技術的發展，如何在已有感測器的基礎上研製各種面向實際套用的電子鼻系統引起了廣大科技人員的濃厚興趣。電子鼻系統的研究涉及物理、化學、電子電路、模式識別及控制等多個學科領域的交叉，具有較強的系統融合性。
本書以金屬氧化物氣體感測器為主，討論由其構成的電子鼻系統的原理、關鍵技術及一些新技術。本書主要章節的內容涉及本人及項目組多位同人的工作，多數內容已在國內外相關的主流刊物上發表。本書中涉及的前期研究成果多取材於國家自然科學基金委信息學部支持的相關課題“基於Hilbert-Huang變換的氣體感測器溫度調製技術研究（60746001）”、“基於壓縮感知的新型電子鼻系統原理研究（61174007）”、“矽基納米多級複合結構集成氣體感測器（61131004）”、“基於形變線上調控技術研究微熱板氣體感測器在應力作用下的穩定性和可靠性（61274076）”和山東省優秀中青年科學家獎勵基金項目“氣體感測器溫度調製關鍵技術研究（BS2010DX022）”等項目的部分內容，以及國家863項目“氣體檢測微系統（2003AA404180）”等項目的支持。
在本書立題和撰寫的過程中，得到了多位專家的關心與支持。感謝大連理工大學電子科學與技術學院的王兢教授、閆衛平教授等多位教授的指導和幫助，尤其要感謝我的導師唐禎安教授和王立鼎院士，正是他們對我的指導才成就了本書的主要內容。感謝學院和項目組的朱智林教授、華臻教授、王永強教授、魏書田副教授、林忠海博士、王平建博士及何愛香老師等多位老師的支持和幫助！
當然，本書中的一些觀點並不成熟，可能僅為本人的一家之言，將本書出版，也希望能夠得到讀者的批評指正。希望本書的出版能夠為電子鼻領域或對該領域感興趣的讀者提供幫助。
魏廣芬
隨著科學技術的發展，工業生產規模逐漸擴大，產品種類不斷增多，在生產中使用的氣體原料和生產過程中產生的氣體種類和數量也不斷增多。這些氣體中有些是易燃易爆氣體，有些是毒性氣體，它們的泄漏不僅污染環境，而且易產生爆炸、火災及使人中毒等惡性事件。同時隨著人類生活水平的不斷提高，石油液化氣、天然氣及城市煤氣作為家庭用燃料也迅速普及，由於這些氣體的泄漏引起的爆炸和火災事故也嚴重威脅人們的生命財產安全。因此，對這些氣體進行快速準確的檢測和監控是十分必要的。另外，隨著科技的發展，氣體感測器可與大規模積體電路、計算機等結合起來，套用於各種檢測和控制等方面，也促進了氣體感測器的發展。
半導體氣體感測器是集物理性能、化學性能、電性能於一體的微電子器件，它能夠實時地對各種氣體（有毒有害、易燃易爆）進行線上檢測及分析，具有廣泛的套用。但半導體氣體感測器的選擇性和穩定性問題是制約其發展的瓶頸。因此，如何改善氣體感測器的選擇性和穩定性成為氣體感測器的研究熱點。再加上仿生技術的發展，如何在已有感測器的基礎上研製各種面向實際套用的電子鼻系統引起了廣大科技人員的濃厚興趣。電子鼻系統的研究涉及物理、化學、電子電路、模式識別及控制等多個學科領域的交叉，具有較強的系統融合性。
本書以金屬氧化物氣體感測器為主，討論由其構成的電子鼻系統的原理、關鍵技術及一些新技術。本書主要章節的內容涉及本人及項目組多位同人的工作，多數內容已在國內外相關的主流刊物上發表。本書中涉及的前期研究成果多取材於國家自然科學基金委信息學部支持的相關課題“基於Hilbert-Huang變換的氣體感測器溫度調製技術研究（60746001）”、“基於壓縮感知的新型電子鼻系統原理研究（61174007）”、“矽基納米多級複合結構集成氣體感測器（61131004）”、“基於形變線上調控技術研究微熱板氣體感測器在應力作用下的穩定性和可靠性（61274076）”和山東省優秀中青年科學家獎勵基金項目“氣體感測器溫度調製關鍵技術研究（BS2010DX022）”等項目的部分內容，以及國家863項目“氣體檢測微系統（2003AA404180）”等項目的支持。
在本書立題和撰寫的過程中，得到了多位專家的關心與支持。感謝大連理工大學電子科學與技術學院的王兢教授、閆衛平教授等多位教授的指導和幫助，尤其要感謝我的導師唐禎安教授和王立鼎院士，正是他們對我的指導才成就了本書的主要內容。感謝學院和項目組的朱智林教授、華臻教授、王永強教授、魏書田副教授、林忠海博士、王平建博士及何愛香老師等多位老師的支持和幫助！
當然，本書中的一些觀點並不成熟，可能僅為本人的一家之言，將本書出版，也希望能夠得到讀者的批評指正。希望本書的出版能夠為電子鼻領域或對該領域感興趣的讀者提供幫助。
魏廣芬
