CC BY
58
УДК: 544.7
В. В. Симаков (д.х.н., проф.)1, Л. В. Никитина (к.т.н., доц.)1, И. В. Синев (вед. инж.)2
Аппаратно-программный комплекс многопараметрического распознавания многокомпонентных газовых смесей на основе мультисенсорных микросистем
1 Саратовский государственный технический университет, кафедра химии
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77; тел. (8452) 998627, e-mail: Lnikitina08@gmail.com 2Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, кафедра материаловедения, технологиии и управления качеством 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83; e-mail: sineviv@gmail.ru
V. V. Simakov1, L. V. Nikitina1, I. V. Sinev2
Hardware-in-the-loop complex of polyvalent recognition of multicomponent gas mixtures based on multisensory microsystems
1 Saratov State Petroleum Technological University 77, Politekhnicheskaya Str., 410054, Saratov, Russia; ph. (8452) 998627, e-mail: Lnikitina08@gmail.com 2Saratov State Petroleum University named N. G. Chernyshevkii 83, Astrakhanskaya Str., 410012, Saratov, Russia; e-mail: sineviv@gmail.ru
Работа посвящена созданию мультисенсорной системы типа «электронный нос» и исследованию ее распознавательной способности. Разработаны новые методы формирования и распознавания образов запахов и сложных газовых смесей, основанных на предварительной математической обработке сигналов мультисенсорных систем; доказано, что сенсорные структуры на основе тонких пленок диоксида олова обладают высокой газочувствительностью и совокупностью параметров (быстродействие, стабильность характеристик, долговечность и др.), обеспечивающей возможность их практического применения в составе газоанализирующих приборов и системах распознавания сложных газовых смесей типа «электронный нос».
Ключевые слова: газочувствительность; диоксид олова; мультисенсорные системы; полупроводники; сопротивление.
В различных областях науки и техники при оптимизации технологических процессов путем анализа химического состава многокомпонентных газовых смесей и запахов с помощью традиционных физико-химических методов, существует проблема формирования целевой функции из большого объема многопараметрической информации. Например, при дезодорации растительного масла на предприятиях пищевой промышленности в ходе технологического процесса необходимо контролировать удаление альдегидов и кетонов, при очистке катализаторов на нефтеперерабатывающих заводах требуется одновременный контроль
Дата поступления 01.11.10
The research deals with creation of multisensory system similar to «electronic nose» and research of its ability to recognize. New methods of formation and recognition of smell images and complex gas mixtures based on preliminary mathematical processing of signals of multisensory systems are worked out. It is proved that sensory structures based on thin firms of tin dioxide have high gas-sensitivity and the scope of parameters (quick-action, stability of characteristics, longevity) that provide possibility of their practical usage consisting of gas-analyzed devices and systems of recognition of complex gas mixtures similar to «electronic nose».
Key words: gas-sensitivity; tin dioxide; multisensory systems; semiconductors; resistance.
содержания целого ряда соединений азота, серы, углеводородных соединений и т. д.
В последние десятилетия интенсивно ведется разработка приборов типа «электронный нос» на основе мультисенсорных систем, которые являются новым типом аналитических приборов, работающих по принципу обоняния животных и насекомых — сбор сигналов от набора неселективных сенсоров и их обработка методами распознавания образов. Такие системы могут найти применение во многих отраслях промышленности, например, в пищевой промышленности (для управления технологическими процессами и контроля качества продукции), в противопожарных системах (с возможностью записи истории возгорания), и др.
Создание систем распознавания запахов позволит выйти на новый качественный уровень управления процессами горения, транспортировки и переработки энергоносителей, топливными технологиями, генерацией электричества, передачей, преобразованием и хранением тепла. Таким образом, применение таких систем в целом окажет положительное влияние на развитие экономики за счет улучшения управляемости и повышения безопасности технологических процессов во всех отраслях деятельности человека, включая энергетику, пищевую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биотехнологии, экологию, службы безопасности и т. д. 1-8, которые, как правило, нуждаются в комплексной оценке запаха, а не в распознавании вида и концентрации конкретного газа.
Мультисенсорные системы типа «электронный нос» могут быть созданы на основе сенсоров, чувствительных к широкому спектру газов 9'10. Системы типа «электронный нос» могут формироваться на основе дискретных сенсоров разного типа, работающих на различных эффектах (резистивный, полевой, приращение массы, акустоволновой и др.). В качестве активных слоев в таких датчиках применяются металлооксидные, полупроводниковые и полимерные слои, сформированные различными методами (спеканием порошков, химическим осаждением, электронно-лучевым распылением, катодным и реактивным магнетрон-ным распылением, пиролизом и др.). Однако наиболее перспективным является формирование мультисенсорной системы на датчиках одного типа в едином технологическом процессе.
В работе представлены результаты исследований распознавательной способности муль-тисенсорной микросистемы, входящей в состав
автоматизированного измерительно-вычислительного информационного комплекса с возможностью удаленного доступа (рис. 1). Использование графической среды программирования LabVIEW 8.5 позволило наглядно представить схему комплекса, отдельные его составные части и взаимосвязи между ними. Наглядность представления измеряемой информации обеспечивает возможность планирования экспериментальных исследований и внесение корректив при их проведении. Универсальность комплекса обеспечивает проведение широкого спектра исследований газочувствительных свойств, электрофизических характеристик полупроводниковых материалов в широком диапазоне рабочих температур.
Результаты экспериментальных исследо-
11
ваний и данные расчетов показывают, что концентрационные зависимости чувствительности тонких пленок широкозонных полупроводников в широком диапазоне концентраций газов-восстановителей подчиняются степенному закону, поэтому в качестве сигнала мульти-сенсорной системы целесообразно использовать логарифм изменения проводимости сенсора при экспозиции в анализируемой пробе.
Распознавание газовых смесей проводилось с помощью мультисенсорной системы, состоящей из 38 датчиков-сегментов (рис. 2). Обработка сигналов сенсорной матрицы (сопротивлений сегментов) проводилась в программе Ма^аЬ с применением метода линейного дискриминантного анализа ^ЭА).
Обработка сигналов мультисенсорной системы на основе тонких пленок диоксида олова методом линейного дискриминантного анализа ^ЭА) позволила установить, что использование в качестве входных параметров распознавания
Рис. 1. Интерфейс измерительно-вычислительного информационного комплекса
факторов, зависящих от сорта газа и практически не зависящих от его концентрации, улучшает распознавательную способность и надежность распознавания, что выражается увеличением среднего расстояния между соответствующими классами / (рис. 3).
(а)
Рте. 2. Фотография мyльтиceиcopиoй ra^eMbi
Таким образом, разработаны новые методы формирования и распознавания образов запахов и сложных газовых смесей, основанных на предварительной математической обработке сигналов мyльтиceнcopныx систем, а применение предварительной обработки сигналов в соответствии с разработанными моделями повышает надежность распознавания.
Показано, что сенсорные структуры на основе тонких пленок диоксида олова обладают высокой газочувствительностью и совокупностью параметров (быстродействие, стабильность характеристик, долговечность и др.), обеспечивающей возможность их практического применения в составе газоанализирующих приборов и системах распознавания сложных газовых смесей типа «электронный нос».
Литература
1. Tan T. T., Schmitt V.O., Lucas O. et al. // LabPlus International.— 2001.— P. 16.
2. Lin Y. J. // Sensors and Actuators В.— 2001.— V. 76.— P. 177.
3. Ohmori S., Ohno Y., Makino T. et al.//European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceu-tics.— 2005.— V. 59.— P. 289.
4. Baby R. E., Cabezas M., Wals^ E. N.// Sensors and Actuators В.— 2000.— V. 69.— P. 214.
(б)
Рис. 3. LDA-график для газовых проб восстановительного и окислительного типов при различных входных параметрах распознавания: a — сопротивления сегментов мультисенсорной системы; б — логарифм изменения проводимости сенсора при экспозиции в анализируемой пробе
5. Martinez-Manez R., Soto J., Garcia-Breijo E. et al. // Sensors and Actuators В.- 2005.- V. 104.-P.302.
6. Canhoto O., Magan N. // Sensors and Actuators В.- 2005.- V. 106.- P. 3
7. Morvan M., Talou T., Gaset A. et al. // Sensors and Actuators В.- 2000.- V. 69.- P. 384.
8. Garrigues S., Talou T., Nesa D. et al. // Sensors and Actuators В.- 2001.- V. 78.- P. 337.
9. Gardner J. W., Bartlett P. N. // Sensors and Actuators B. - 1994. - V.18-19. - P. 211-220.
10. Gopel W. // Sensors and Actuators В.- 1994.-V. 18-19.- P. 1.
11. Симаков В. В., Якушева О. В., Ворошилов А. С., Гребенников А. И., Кисин В. В. // Письма в «Журнал технической физики».- 2006.- Т. 32, №16.- С.75.
Работа поддержана грантом РФФИ № 10-08-00631-а, грантом № А/09/ 72792 совместной программы «Михаил Ломоносов II» германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства образования и науки РФ (регистрационный номер 2.2.2.3/9098).
