空气中气味强度自动预警设计

王斌

摘要：本论文着眼于空气中气味强度自动预警设计电路模拟人体鼻腔嗅觉的设计及实验测试。随着工业化得进程，我们的生活越来越便利快捷，人们追求的已不再局限于一日三餐的温饱。提高生活质量已成为现在生活的追求。相应的工业污染也日益严重，怎样知道我们呼吸的空气是否对人体有害？送气去检测机构检测？不说高昂的检测费用，就是这个时间，我们也耗不起。有没有一种方法能够就方便快捷又经济实惠的方法帮我们来完成这一目的呢？于是有了以下设计。

关键词：气味强度，电子鼻，运放电路,

引言：电子鼻是利于特殊化学物质在一定条件下与某种气体发生物理响应，从而将气体信息变换为电信号的一种特殊装置。它可以在7*24小时的时间内连续地、实时地监测特定情况，特定位置的气体情况。

1.本课题研究的目的与意义

随着工业化得进程，我们的生活越来越便利快捷，人们追求的已不再局限于一日三餐的温饱。提高生活质量已成为现在生活的追求。相应的工业污染也日益严重，怎样知道我们呼吸的空气是否对人体有害？送气去检测机构检测？不说高昂的检测费用，就是这个时间，我们也耗不起。有没有一种方法能够就方便快捷又经济实惠的方法帮我们来完成这一目的呢？于是有了以下设计。

气味浓度的电子数据化，气味强度的可测性，将气味浓度转换为电信号，并呈一定线性关系，并将模拟量信号转换为可供电脑等设备接收的数字量信号，通过相应软件对数据进行监测分析。从而解放人力资源，并对环境进行实时监测、连续监测。一旦某种有害气体超标或达到设定值，软件及时向相关人士进行声光警示。从而极大的解放了人力，并提高了监控的可靠性、安全性。

2.电子鼻的系统构成及发展现状

电子鼻是一种用特殊类电化学传感器阵列和相应的识别装置组成的设备，能识别一些简单和相对复杂的气味。电子鼻是一种仿生电子产品，它是仿生处理实现了信息的气味识别的模仿，简述其工作流程：当某传感器阵列和某种气体吸附或反应后，传感器阵列输出相应的电信号。电信号经前置放大电路、转换电路后输入到计算机并使用各种不同的算法来确定为信号来确定的环境中的气体，传感器的气体。一般来说，传感器阵列由多个独立的传感器构成，传感器阵列具有高灵敏度和宽横带响应。在工业应用的领域具有较高的可靠性。但是，实验研究中，也通过微加工的专用传感器阵列的制备方法。一些类似的传感器可以被组合成一个电子鼻气体传感器阵列，实现气味的检测。

当前，已被开发的气体传感器有很多，这些气体传感器包括电化学气体传感器，金属氧化物气体传感器，表面声波传感器，导电聚合物气体传感器，光学气体传感器等^【1】。在这些设备中，通常掺有一定程度特定的气体敏感的传感器。我们为这些气体传感器及其机理，总结在表1以下。根据电子鼻检测信号的类型可分为电气信号的电子鼻，光信号的电子鼻，温度信号和质量信号的电子鼻等，其中最广泛使用的是电信号输出的电子鼻。

金属氧化物气体传感器是目前应用最为广泛的气体传感器之一，常规的如Ti02等金属氧化物，相应的金属氧化物对相应气体具有不同的响应。这种传感器的优点是能实现亚ppm级精度，响应精度高。从化学的观点来看，这种传感器是通过对氧化性气体的吸附来实现的^【2】。因为此种传感器是基于化学反应的，所需的反应温度为300℃ 以上，温度过低时传感器的灵敏度变差。所需高温度通常需要通过加热系统来实现，所以这种传感性的耗能较高。

金属氧化物半导体场效应晶体管气体传感器，由于金属氧化物半导体场效应晶体管具有体积小而且所需的外围元件少且运行成本低廉， 在工业、农业中有较广泛的应用。但是却要求使用环境要相对稳定，而且晶体管的基线漂移也会影响测试的结果。当然，这种特殊晶体管对气体的选择响应也限制了它的使用范围。

导电聚合物气体传感器一般是基于电阻变化原理的。这种气体传感器的优点包括：相对宽松的温度条件，灵敏度高，响应速度快，材料合成相对容易以及良好的力学性能。导电聚合物气体传感器的关键组成在于导电聚合物材料，通过对相应单体进行电化学反应来合成这种材料，通常所使用的单体有吡咯、噻吩、苯胺等单体。这些材料的价格都较为便宜，所以此种传感器的价格低廉。然而，导电聚合物气敏传感器也有相应的缺憾，比如它们对环境的湿度敏感，其工作环境要求保持在其需要的特定湿度范围内，而且它的灵敏度相较金属氧化物气体传感器也要低一个级别。

3．被监测对象及监测方法

悬浮颗粒物和气态污染物组成了空气中污染物（此处我们用物理性状来分类）。我们将悬浮颗粒物排出。然后气态污染物又可分为常规的污染物如：CO、SO₂、NO(NO_X)、O₃等；有机污染物VOC如苯系物等。本处我们选取一些对于人危害比较大的有毒、易燃易爆等气体进行监测：1、煤气；2、氨气；3、硫化氢气体；4、酒精

现有气体分析仪器虽然精度高，但是价格也相对高昂，但是此处又不需要如此高精度，所以我们选用日本FIGARO公司的TGS系列气体传感器作为感应装置

拿其中一种气体酒精蒸汽为例：

TGS2620-COO 此传感器具有1、低功耗 2、高灵敏度 3、寿命长 4、成本低 5、使用电路简单等特点

TGS 2620具有高灵敏度的有机溶剂蒸气以及其他挥发性气体。它还具有多种可燃气体的敏感性如一氧化碳，是一个很好的通用传感器。

图1 输出电阻-浓度变化图

上图1 是在相对标准的条件下做出的传感器气味灵敏度特性测试。传感器在不同浓度下的电阻值（Rs）和传感器在300ppm浓度下的电阻值（Ro）之间的比值为传感器的比阻值（Rs/Ro），用纵坐标标示。气体浓度用横坐标标示。

由于输出为电压信号，采样装置和放大装置之间会有一定距离，所以电压采集后先加一组跟随电路，进行信号强化，然后再做一级前置放大电路。

电压跟随电路放大气体传感器的负载能力，减少后端电路对传感器输出信号的影响，保证数据的准确性。电压跟随器具有较高的输入电阻，对于输入信号的衰减较小，能保证数值的准确性。电压跟随器具有一定的负载能力，能有效满足后级放大电路对输入信号稳定性的要求。此外，电压跟随器还具有隔离作用，能有效阻止后级放大电路反馈信号对于传感器输入信号的干扰，并且还能隔离传感器输入电容的误差信号输入后级放大电路。

图2 反向输入放大器又称为反相比例运算电路

上图2显示了反相放大器，VI的输入电压，输出电压Vo。

该电路是由运放的输入为零，负反馈电压接近规定。要理解这一点，假设在VI所示电路是积极的，然后通过传导路径的热阻，在反相输入正电压，输出电压Vo变得消极，负电压和返回路径通过电阻Rf，反相输入端的电压的影响，使这里几乎完全偏移电压。如果输入电压变为负，电压的反馈是积极的，仍然几乎完全失调电压运算放大器的输入。这几乎完全抵消只能发生在非饱和放大器，但一旦放大器饱和，输出电压为常数，因此反馈电压跟随输入电压和生长不。因为运放的输入电压为零，因为输入相接，反相输入接地。这意味着在RI两端电阻两端的所有VI的输入电压，所有VO输出电阻两端的电压的RF端。因此，在反相输入电流和VI / RI + VO / RF = 0和VO = -射频/日，因此，电压增益G = -（RF / RI），反馈电阻，分由负输入电阻。这是要记住的一个重要公式，用于分析或设计放大器电路（不增益，增益G和运算放大器电路本身的混乱）^【3】。虽然RL运算放大器的电流的电阻负载效应必须提供，但不影响电压增益。应用反向放大器使上级电压跟随器输出的弱电压信号转换成模数转换电路能识别的电压范围。并且在转换的过程中还能随传感器的不同型号来调节使输出信号的范围一致。

4.信号的拾取与转换

数据采集模块选用研华ADAM-4117。ADAM-4117采用十八比特位模拟量数字量转换、八个通道的差分模拟量输入采集模块，可以采集多种范围的电压值、不同的电流值的模拟量输入信号，并且可以用户自己定义编辑每个通道的输入范围。在各种测量和电信号监控的应用中，ADAM-4117的性能出众价格适中使用方便。它具有坚固的外形设计，对与使用环境更具适应性，能应用于各种不太友好的环境中。 

ADAM-4117总共支持八路差分弱电信号，并支持MODBUS串行通讯协议。可以方便的嵌入到本系统中，本系统应用中，一至六号通道用在六个气味传感器的输出数据采集电路终端，七至八号通道用在本系统的环境温度湿度等环境值的电路输出信号采集中。本模块在与电脑的通讯本次采用RS485接线协议物理连接。在数据上用MODBUS协议进行数据传输和解析，简化了数采软件的开发难度，加快了设备整体的开发进度。 

图3 三秒钟电压信号采集

通过上表3，可以清晰的看到，有害气体(CO)在通过本装置测试时的检测数据之变化比例，在不同的浓度下，会具有相应的电压变化。

图4 对传感器进行吹气测试

结束语：本文主要对空气空气中气味强度自动预警设计通过电路模拟人体鼻腔嗅觉的设计及实验测试。通过设计主要完成了1有害气体污染物的浓度报警，2有害气体大致类别分析。本系统的优点为响应时间短，即时出数，数据具有可移植性，使用方便价格低廉等优点。

参考文献

【1】A．D．Wilson，M．Baietto．Applications and Advances in Electronic—Nose Technologies[J]．Sensors，2009，9：5099-5148

【2】E．Schaller，J．O．Basset，F．Esher．Electronic noses and their

application to food． Lebensm．一W iss．U1．一Techno1． 1998． 31：

305—316．

【3】李雅轩. 模拟电子技术 .西安电子科技大学出版社 .2000.11 .159 ~165

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