陳秀麗，趙愛(ài)娟，衛(wèi)世乾

(1.鄭州師范學(xué)院化學(xué)系，河南鄭州450000;2.許昌學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，河南許昌461000)

0 引言

近年來(lái)，飛速發(fā)展的電子鼻技術(shù)除了集中在氣敏傳感器器件的開(kāi)發(fā)和選擇上，還在電子鼻信號(hào)預(yù)處理方法和模式識(shí)別方法的提升以及電子鼻技術(shù)的應(yīng)用等方面獲得了長(zhǎng)足發(fā)展［1-7］.其中如何選擇合適的氣敏傳感器器件、信號(hào)預(yù)處理方法和模式識(shí)別方法在整個(gè)電子鼻技術(shù)領(lǐng)域中一直是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題.目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種敏感材料和陣列結(jié)構(gòu)，如張覃軼等［8-9］應(yīng)用納米技術(shù)研制出納米ZnO厚膜氣敏傳感器陣列;借助MEMS工藝，鄧俊泳等［10］研究了新型復(fù)合式微傳感器陣列.相較之下，本文所采用的由金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成的氣體傳感器陣列，容易制作，成本較低，具有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)速度.國(guó)內(nèi)外關(guān)于電子鼻特征值提取方法的研究多有報(bào)道，并提出了一些優(yōu)化方法［11-13］.邵應(yīng)清等［14］從氣體傳感器響應(yīng)曲線中提取4個(gè)特征值，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)不同乙醇溶液進(jìn)行識(shí)別，得到較高的測(cè)試樣本識(shí)別率;史志存等［15］對(duì)傳感器響應(yīng)曲線的上升沿做了多項(xiàng)式擬合，取常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)系數(shù)作為特征，用主成分分析法對(duì)不同品牌白酒進(jìn)行識(shí)別，取得了較好的識(shí)別效果.本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，選取傳感器響應(yīng)曲線上某幾點(diǎn)響應(yīng)值作為靜態(tài)值，將某一段曲線上的弧度信息選作動(dòng)態(tài)值，對(duì)不同白酒的特征值進(jìn)行模式識(shí)別，并通過(guò)優(yōu)化，取得了較佳的識(shí)別效果，進(jìn)而為不同白酒的區(qū)分提供了新的方法與思路.

1 電子鼻系統(tǒng)

電子鼻系統(tǒng)可以分為模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理兩大部分.前者主要包括氣體傳輸系統(tǒng)和氣敏傳感器.氣敏傳感器陣列對(duì)進(jìn)入其小室中的混合氣體產(chǎn)生響應(yīng)，并將氣體的濃度值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨之送入數(shù)字信號(hào)處理部分并做后續(xù)處理;后者主要包括信號(hào)的預(yù)處理、特征提取及模式識(shí)別，通過(guò)模擬信號(hào)采集得到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)濾波，去除一些無(wú)用的信息，然后進(jìn)入特征提取階段，將提取出來(lái)的綜合信息送入模式識(shí)別單元中分析并取得結(jié)果.電子鼻系統(tǒng)的基本構(gòu)造如圖1所示.

圖1 電子鼻系統(tǒng)的基本構(gòu)造

1.1 合適的傳感器陣列

傳感器陣列作為電子鼻系統(tǒng)的核心部件，能顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，要考慮構(gòu)成氣敏傳感器的各單元的選擇性.氣敏傳感器單元組成的陣列如對(duì)特定氣體具有較好選擇性，那么其對(duì)該特定氣體及其混合氣體的識(shí)別能力就比較強(qiáng)，但對(duì)成分更復(fù)雜的混合氣體的識(shí)別能力較弱，并且能夠識(shí)別的氣體種類(lèi)有限.為此，可以采用具有較寬的響應(yīng)范圍和較弱選擇性的傳感器器件，借助模式識(shí)別技術(shù)來(lái)提升系統(tǒng)的選擇性和精度，同時(shí)還要求傳感器陣列在檢測(cè)過(guò)程中器件可以穩(wěn)定可靠地工作來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)用化.

到目前為止，還未出現(xiàn)專(zhuān)門(mén)對(duì)白酒氣味進(jìn)行測(cè)量的氣敏傳感器，而現(xiàn)實(shí)中用于區(qū)別各種不同品牌白酒的主要標(biāo)準(zhǔn)是酒精度和微量有機(jī)物，其中酒精的含量占主要信息.所以在選擇氣敏傳感器時(shí)首先要求傳感器對(duì)酒精氣體敏感，其次要求它能夠?qū)Π拙浦械奈⒘坑袡C(jī)物敏感.

系統(tǒng)中傳感器陣列單元選擇的主要目標(biāo)是:穩(wěn)定的陣列和合理化的陣列規(guī)模.本實(shí)驗(yàn)采用MQ3、MQ4、TGS813、TGS26204個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成的氣體傳感器陣列，這4個(gè)傳感器分別對(duì)酒精可燃?xì)怏w及有機(jī)物敏感.根據(jù)對(duì)半導(dǎo)體氣敏傳感器的研究，本文提出了通過(guò)計(jì)算各傳感器響應(yīng)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)反映傳感器對(duì)被測(cè)氣體的穩(wěn)定程度.對(duì)于某種傳感器，如果它對(duì)某種白酒氣體反應(yīng)較為穩(wěn)定，則反映為傳感器響應(yīng)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差較小，反之亦然.相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差(RSD)計(jì)算公式為

傳感器靈敏度計(jì)算公式為K=Rs/Ro，其中Ro為氣敏傳感器在潔凈空氣條件下的電阻值，Rs為氣敏傳感器在一定濃度下檢測(cè)氣體的電阻值.

1.2 特征提取方法

由氣敏傳感器陣列直接得到的數(shù)據(jù)較多，其中，測(cè)量曲線上的特征參數(shù)如何選擇對(duì)模式識(shí)別非常關(guān)鍵.因此在選擇時(shí)應(yīng)保證等級(jí)間最好的識(shí)別效果模式數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，使特征參數(shù)包含大多數(shù)傳感器最有特征的響應(yīng)信號(hào).為了獲得相對(duì)穩(wěn)定的傳感器信號(hào)，可以在測(cè)試趨于穩(wěn)定的時(shí)刻，選擇相對(duì)合適的數(shù)據(jù)分析點(diǎn);也可以在測(cè)量過(guò)程中，選擇傳感器信號(hào)的均值，以獲得傳感器在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的平均反應(yīng)信號(hào);還可以在測(cè)量過(guò)程中，選擇信號(hào)的高峰值，從而獲得傳感器對(duì)測(cè)量氣體的最大反應(yīng)信號(hào);也可以選擇前幾秒內(nèi)傳感器信號(hào)的均值，來(lái)表示傳感器對(duì)測(cè)量氣體的反映速度的快慢，也可以選擇前幾秒內(nèi)傳感器信號(hào)的均值;或者，為表示傳感器在穩(wěn)定階段的平均反映特性，可以選擇最后幾秒內(nèi)傳感器信號(hào)的均值作為特征參數(shù).

本文選擇提取在測(cè)試趨于穩(wěn)定的時(shí)刻傳感器響應(yīng)值作為靜態(tài)特征值，用于反映傳感器對(duì)不同白酒香氣在氣味方面的穩(wěn)定狀況.同時(shí)為了反映不同白酒揮發(fā)能力的不同，本文用提取傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)值的方法，提取氣敏傳感器響應(yīng)曲線在上升階段近似圓弧的半徑作為特征值進(jìn)行處理.通過(guò)分別提取傳感器靜態(tài)特征值及動(dòng)態(tài)特征值，以全面地反映白酒的狀態(tài).

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別法

模式識(shí)別是指，為獲得混合氣體的組分信息和濃度信息，對(duì)氣敏傳感器陣列的輸出信號(hào)進(jìn)行合適的處理過(guò)程.模式識(shí)別技術(shù)在電子鼻中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的搭建起著尤為關(guān)鍵的作用，通常情況下，模式識(shí)別方法通常采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別和統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別2大類(lèi)［4］.本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別.作為電子鼻領(lǐng)域應(yīng)用最多的算法之一，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-NN)具有易于理解、算法功能強(qiáng)大、訓(xùn)練簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)［2］.其中，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入與輸出數(shù)據(jù)之間的非線性映射，是BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn).因此，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅效果不錯(cuò)，而且算法應(yīng)用廣泛.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差

在實(shí)驗(yàn)中利用 MQ3、MQ4、TGS813、TGS26204個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成的氣體傳感器陣列，樣本采用北京紅星股份公司出品的清香型紅星二鍋頭、北京牛欄山酒廠出品的清香型牛欄山二鍋頭、北京市八達(dá)嶺釀酒廠出品的老獵頭酒.采取液體定量取樣方式，用微量注射器對(duì)3種不同品牌的白酒，分每次定量取樣2，4，6μL酒溶液放入容器內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，記錄每次測(cè)試各個(gè)傳感器的反應(yīng)值(實(shí)驗(yàn)中每組數(shù)據(jù)平行測(cè)10次，去除最大和最小值，其余8個(gè)取均值)，利用公式(1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到表1中4種傳感器響應(yīng)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差.

表1 4個(gè)傳感器響應(yīng)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差

由表1 可以看出，MQ3、MQ4、TGS813、TGS26204種氣敏傳感器對(duì)3種不同品牌白酒在不同濃度下響應(yīng)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差均較小，滿(mǎn)足氣體傳感器陣列對(duì)穩(wěn)定性的要求.通過(guò)對(duì)比表1中4種傳感器對(duì)不同白酒響應(yīng)值的均值大小，可以得出以下結(jié)論:傳感器對(duì)不同品牌的白酒分別具有不同的響應(yīng)值，可以通過(guò)對(duì)傳感器響應(yīng)值的大小進(jìn)行相應(yīng)的處理分析，進(jìn)而區(qū)分不同品牌的白酒.

2.2 響應(yīng)特征曲線

對(duì)3種不同的白酒用微量注射器每次定量取樣4μL放入容器內(nèi)，進(jìn)行重復(fù)測(cè)試.每種酒取30組樣本，則3種酒在4μL濃度下共獲90組樣本.圖2所示為氣體傳感器的響應(yīng)特征曲線.

圖2 氣體傳感器的響應(yīng)特征曲線

2.3 特征值的提取

在實(shí)驗(yàn)中，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)響應(yīng)曲線所包含的信息作充分準(zhǔn)確地提取，分別選取傳感器的每條響應(yīng)曲線穩(wěn)定時(shí)的后20個(gè)點(diǎn)的yiq求平均值，作為后續(xù)的分析數(shù)據(jù)，將其記作最后處理時(shí)，采用差分法，并把進(jìn)行外理后作為通入模式識(shí)別單元的分析值，其中，第i個(gè)傳感器對(duì)環(huán)境的響應(yīng)值記為同時(shí)選取傳感器響應(yīng)曲線50～1000個(gè)點(diǎn)位置所構(gòu)成的弧線的半徑作為動(dòng)態(tài)特征值.

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)3種不同品牌白酒的分類(lèi)識(shí)別結(jié)果

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)已知樣本，從而對(duì)未知的樣本作出判別.把3種白酒響應(yīng)曲線的特征值作為系統(tǒng)的輸入，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值使輸入與相應(yīng)的輸出相對(duì)應(yīng)，從而得到精確的分類(lèi)信息.

由于存在4個(gè)氣敏傳感器，而實(shí)驗(yàn)中需要分類(lèi)識(shí)別的白酒有3種，據(jù)此建立了具有4維輸入和3維輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的每一個(gè)神經(jīng)元分別與一種品牌的白酒相對(duì)應(yīng).本實(shí)驗(yàn)對(duì)3種不同品牌的白酒在同一濃度下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，共獲得90個(gè)樣本.利用穩(wěn)態(tài)特征值提取與動(dòng)態(tài)特征值提取的方法，獲得相應(yīng)的特征值.在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析中，測(cè)試樣本選自每種白酒的20個(gè)樣本值，訓(xùn)練樣本選自每種白酒的其他10個(gè)樣本值，即3種白酒的測(cè)試樣本共計(jì)60個(gè)，訓(xùn)練樣本共計(jì)30個(gè)，用以上樣本進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和測(cè)試.實(shí)驗(yàn)中，選取3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中，要求隱層神經(jīng)元數(shù)取為13，并將 tansig作為隱層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)，將purelin作為輸出層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù).BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的訓(xùn)練函數(shù)采用Moller提出的量化共軛梯度法(SCG).其中網(wǎng)絡(luò)最大訓(xùn)練步長(zhǎng)設(shè)置為20000，目標(biāo)誤差定為10-2，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程如圖3所示.

從圖3可以看出，BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)3種不同品牌白酒經(jīng)過(guò)473步的訓(xùn)練步長(zhǎng)后就收斂，訓(xùn)練速度較快，其訓(xùn)練完成后所得的網(wǎng)絡(luò)的均方差σ=0.00997766＜goal=10-2，因此完全能達(dá)到性能指標(biāo).

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)3種不同品牌白酒定性分析的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特征值提取方法，在4μL濃度下對(duì)3種不同品牌的白酒進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)3種不同品牌白酒的分析結(jié)果

從表2可以看出，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所搭建的電子鼻系統(tǒng)對(duì)不同品牌白酒的分類(lèi)識(shí)別有較好的效果(識(shí)別率為正確識(shí)別的樣本數(shù)與測(cè)試樣本總數(shù)的百分比).在電子鼻系統(tǒng)當(dāng)前的測(cè)試環(huán)境下，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)3種不同品牌白酒的識(shí)別率穩(wěn)態(tài)特征時(shí)達(dá)到90.0%，動(dòng)態(tài)特征時(shí)識(shí)別率達(dá)到83.3%.

4 結(jié)論

建立了一套能夠?qū)Σ煌放瓢拙七M(jìn)行分類(lèi)識(shí)別的電子鼻系統(tǒng).根據(jù)氣敏傳感器的響應(yīng)特性，分析了傳感器的響應(yīng)曲線，提出了傳感器穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特征值的提取方法，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別法，所搭建的電子鼻系統(tǒng)對(duì)于白酒的分類(lèi)識(shí)別實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式試別法對(duì)3種不同品牌白酒進(jìn)行識(shí)別，得到較佳的識(shí)別率，最高可達(dá)90.0%.

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