提高CO傳感器抗H2干擾能力的研究

　　李 熙，何秀麗，張 陽(yáng)，李建平

　　(中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080)

　　1 引 言

　　金屬氧化物氣體傳感器的選擇性通常較差，具體來(lái)說(shuō)，基于SnO2的CO傳感器對(duì)H2，CH4等多種還原性或易燃性氣體的交叉響應(yīng)非常明顯。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，目前常用的方法是對(duì)傳感器進(jìn)行溫度調(diào)制。在這種工作方式下，傳感器對(duì)不同的氣體呈現(xiàn)不同的響應(yīng)特性，利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理就有可能對(duì)被測(cè)氣體的類別和濃度給出判定。Haifeng Ge等人對(duì)單個(gè)氣體傳感器進(jìn)行溫度調(diào)制，利用支持向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2，CO及其混合氣體的定性識(shí)別，但是沒(méi)有給出定量分析的結(jié)果；太惠玲等人利用4個(gè)SnO2氣體傳感器構(gòu)成的陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO和H2混合氣體的定量分析。

　　支持向量機(jī)是近年來(lái)模式識(shí)別領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，它解決了在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中無(wú)法避免的局部極值問(wèn)題，具有很好的泛化能力，此外，它在學(xué)習(xí)速度方面的性能也優(yōu)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　本文利用周期加熱電壓對(duì)單個(gè)SnO2氣體傳感器進(jìn)行溫度調(diào)制，結(jié)合支持向量機(jī)算法，對(duì)CO／H2混合氣體進(jìn)行定量分析，估算CO／H2混合氣體或空氣中CO的濃度。

　　2 實(shí) 驗(yàn)

　　傳感器型號(hào)為MQ307A，其敏感部分是一個(gè)微型小球，內(nèi)嵌加熱絲和金屬電極。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采樣后，發(fā)送到計(jì)算機(jī)(PC)進(jìn)行處理。由于氣體傳感器的性能易受環(huán)境溫、濕度的影響，整個(gè)測(cè)試過(guò)程在溫度為25℃、相對(duì)濕度為30％的環(huán)境中完成。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 加熱電壓波形對(duì)傳感器響應(yīng)的影響

　　圖1(a)，(b)，(c)分別是傳感器在正弦波、占空比為40％的方波以及三角波調(diào)制下對(duì)5×10-4單一CO和5×10-4單一H2的響應(yīng)曲線，其中加熱電壓周期都為30 s，幅值為1 V。對(duì)這三種響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行主成分分析(PCA)，結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)，在正弦波或三角波電壓的調(diào)制加熱下，傳感器對(duì)CO和H2的響應(yīng)曲線更易于區(qū)分。

　　圖3給出了傳感器分別在正弦電壓和三角波電壓的調(diào)制下，對(duì)不同濃度CO的響應(yīng)靈敏度。此處，靈敏度的定義為

　　式中：VP為傳感器在被測(cè)氣體中的響應(yīng)峰值；VP(CO，10-4)為傳感器在10-4 CO中的響應(yīng)峰值。

　　可以看出，利用正弦加熱電壓獲得的靈敏度高于利用三角波電壓得到的結(jié)果。O．R．Gutierrez等人也曾指出，在定量分析中，緩慢變化的正弦波有助于分辨一個(gè)周期中可能出現(xiàn)的多個(gè)與靈敏度相關(guān)的峰值。因此，選用正弦波作為傳感器的調(diào)制電壓。

　　3.2 加熱電壓周期對(duì)傳感器響應(yīng)的影響

　　圖4(a)給出了正弦加熱電壓周期分別為20，40，60，80，100 s時(shí)，傳感器對(duì)2×10-4單一CO和6×10-4單一CO的響應(yīng)曲線。由圖4(b)可以看到，響應(yīng)峰值隨加熱電壓周期的增大而增大，因此，增大加熱電壓周期有利于提高傳感器的檢測(cè)下限。圖4(c)顯示了傳感器分別對(duì)6×10-4CO和8×10-4 CO的響應(yīng)靈敏度隨加熱電壓周期變化的趨勢(shì)，由圖可見(jiàn)，傳感器靈敏度與加熱電壓周期為非線性關(guān)系。

　　從檢測(cè)下限、靈敏度以及響應(yīng)速度等多個(gè)方面綜合考慮，最終確定正弦加熱電壓的周期為30 s。

　　3.3 CO／H2混合氣體定量分析

　　圖5給出了傳感器在不同濃度Co／H2混合氣體中的響應(yīng)曲線，其中CO的濃度范圍為2×10-4～1×10-3。可以看到，在響應(yīng)時(shí)間約為24 s處(設(shè)為tf)，在同一濃度的H2背景下，傳感器對(duì)不同濃度CO的響應(yīng)曲線集中于某一個(gè)值附近，而且此響應(yīng)值隨H2濃度的增大而增大。由于這一良好的特性，將傳感器靈敏度S和tf時(shí)刻的響應(yīng)值作為特征向量，用于訓(xùn)練SVM模型。

　　訓(xùn)練過(guò)程如下：

　　對(duì)于被測(cè)氣體為CO／H2混合氣體的情況。首先，將混合氣體中H2的實(shí)際濃度作為期望值，將傳感器在tf時(shí)刻的響應(yīng)值作為一維輸入向量，訓(xùn)練模型SVM1，利用SVM1估計(jì)混合氣體中H2的濃度CH2。其次，將混合氣體中CO的實(shí)際濃度作為期望值，將SVM1估計(jì)的H2濃度CH2傳感器靈敏度S組成二維輸入向量[CH2S]，訓(xùn)練模型SVM2，利用SVM2估計(jì)CO／H2混合氣體中CO的濃度。

　　對(duì)于被測(cè)氣體為單一CO的情況，將CO的實(shí)際濃度作為期望值，傳感器靈敏度作為一維輸入向量，訓(xùn)練模型SVM3，利用SVM3估計(jì)空氣中CO的濃度。

　　圖6是利用SVM模型估計(jì)CO／H2混合氣體和潔凈空氣中CO濃度的過(guò)程?；?5個(gè)訓(xùn)練樣本，對(duì)25個(gè)獨(dú)立的測(cè)試樣本進(jìn)行了定量分析，結(jié)果如圖7所示。

　　由圖7(a)可見(jiàn)，SVM對(duì)混合氣體中CO濃度的估計(jì)值與實(shí)際值接近，平均估計(jì)誤差為10.45％，其中最小估計(jì)誤差為0.31％，最大估計(jì)誤差為23.53％，最大誤差發(fā)生在2×10-4 CO／2.5×10-3H2的測(cè)試樣本中。圖7(b)是對(duì)空氣中CO濃度的估計(jì)，平均估計(jì)誤差為6.03％，其中最小估計(jì)誤差1.88％，最大估計(jì)誤差為8.18％。

　　4 結(jié) 論

　　對(duì)單個(gè)SnO2傳感器進(jìn)行溫度調(diào)制，考察加熱電壓對(duì)傳感器性能的影響。在正弦電壓調(diào)制下，傳感器對(duì)CO和Hz的響應(yīng)曲線易于區(qū)分，且正弦電壓有利于對(duì)CO作定量分析。獲取傳感器在不同濃度的CO／H2混合氣體中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，利用SVM算法估計(jì)混合氣體中CO的濃度，平均估計(jì)誤差為10.45％。本文提出的方法能夠有效地提高CO傳感器抗H2干擾的能力。