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1、摘要电子鼻系统是对人类等哺乳动物嗅觉系统的模拟，根据气味来识别物质的类别和分类，具有样品处理简单、识别效果好、检测速度快、无损等优点。随着电子鼻技术的发展，电子鼻已经广泛应用于烟草、食品、医学、环境监测和安保等领域。然而，市场上出现的商品化电子鼻一般基于PC机实现，体积和功耗都较大，无法满足现场工况的实时测试要求。本课题研究开发基于嵌入式系统的电子鼻系统，力图解决市场上电子鼻系统体积大、功耗高等的缺点.并针对 应用环境，设计开发了系统:基于嵌入式平板电脑的台式电子鼻系统。 本文首先介绍了传感器阵列的设计，传感器阵列的设计主要包括气敏传感器的选取和部分传感器的标定.选择合适的传感器组成传感器阵列
2、能够以最少的传感器个数检测最多的气体种类，能够减少数据信息的冗余度，降低系统的成本。其次介绍了基于嵌入式平板电脑的台式电子鼻设计，台式电子鼻系统由3块基于MSP430F169的测控电路和嵌入式平板电脑组成。3块测控电路分别完成8路半导体气敏传感器、3路电化学传感器、1路PID传感器、1路二氧化碳传感器、1路氧气传感器和4路温湿度传感器信号的采集与处理，以及气体流路中泵阀的控制.测控电路通过RS485电路接入嵌入式平板电脑，实现控制命令和传感器数据的传输。本文对开发的系统进行了应用实验测试。使用系统对猪肉等农产品的新鲜度做了测试，通过观察实验现象，所开发的系统满足设计目标。关键词:电子鼻,气体传
3、感器阵列，嵌入式系统，MSP430 ABSTRACT Electronic nose is the simulation of human and other mammalian olfactory system , identifying and assorting the substances according to the type of smell .It has the advantages of easy sample handling, effective identification, quick detection, non-destructive and so on. W
4、ith the development of electronic nose technology, it has been widely used in the fields such as tobacco, food, medicine, environmental monitoring, security and so on. However, the commercial electronic nose appeared on the market is often to work based on PC .The large size and high power consumpti
5、on can not meet the real-time test requirements of mining site. This research developed the electronic nose system based on embedded system, trying to resolve the shortage of e-nose systems large size and high power consumption. We design two kinds of systems for different applications: electronic n
6、ose system on desk based on embedded systems. Firstly, this paper describes the design of the sensor array, which includes the selection of gas sensor and calibration of some sensors. Selecting appropriate sensors to compose the sensor array can detect the most gas types with the least sensors, also
7、 it can reduce data redundancy and the cost of system. Secondly, the article introduces the design of electronic nose on desk based on embedded systems. This kind of electronic nose system consists of three measurement and control circuit h-a on MSP430F169 and one embedded tablet PC. Three measureme
8、nt and control circuit respectively complete the acquisition and processing of the signals of eight semiconductor gas sensors, three electrochemical sensors, one PID sensor, one carbon dioxide sensor, one oxygen sensor and the five emperature and humidity sensor. Besides, they should control the gas
9、 flow path valve. Measurement and Control circuit complete the control commands and sensor data transmission by the access to embedded tablet PC through the RS485circuit.In this paper, we also do some applied experimental test of the systems developed.the freshness of pork and otter agricultural pro
10、ducts was tested by the systems. The experimental observations and data analysis show that one set of systems developed are able to meet the design objectives basically.KEYWORDS ：Electronic Nose，Gas Sensor Arrays，Embedded System，MSP430 目录摘要Abstract目录. 第1章绪论 1.1课题研究的背景和意意 1.2国内外电子鼻研究现状和发展趋势 1.3气敏传感器现
11、状 1.4本课题的研究内容和主要工作 第2章传感器阵列研究 2.1传感器的选型 2.2传感器的标定 第3章基于嵌入式平板电脑的台式电子鼻的研制 3.1系统总体方案 3.1.1系统功能要求 3.1.2系统设计思路与方案. 3.1.3系统关键问题. 3.1.4系统主要部件的选型 3.2系统硬件电路设计 3.3系统程序设计 3.3.1通信协议设计. 3.3.2信号处理模块程序设计 3.3.3泵阀控制电路程序设计 3.4系统测试 “第4章结论 4.1总结 4.2展望 致谢 参考文献. 附录 第1章绪论1.1课题研究的背景和意义气味分析一直具有巨大的需求。如食品行业的食品质量分析、食品品质定级分类，环境
12、保护领域挥发性有机物的定量定性和溯源等。气味分析通常要针对多组分气体，这不同于单一组分气体检测。其结果是针对多组分气体形成的综合效果进行评测后得到的。因此，这一工作主要是通过嗅觉分析来完成的。由于感官分析的主观性和不确定性，近年来也发展起来各种化学定性定量分析方法通过对各类组分的定性定量分析，形成气味分析的各类指标。显而易见，这些化学分析方法虽然可靠性较高，却失去了感官分析的简易性。因此，人们开始仿照嗅觉分析的基本原理，开发电子鼻技术，并尝试把电子鼻应用到各行业，如食品质量检测及分类、环境监测、疾病诊断，等。 为了能把电子鼻技术推广到行业应用，需要各行业应用单位使用电子鼻技术开发应用方法。因此
13、，国际部分公司开发了一些通用的研究型电子鼻产品，便于各单位开展研究工作.。目前，已有十几种类似电子鼻产品。然而上述产品主要针对研究机构，而不是针对应用单位，设备复杂、价格高昂、现场环境适应性不强。因此，需要针对具体使用环境开发面向行业应用的电子鼻仪器。本课题以农产品物流行业，工业园区管网恶臭检测为基本背景，以自动检测和现场测速为基本目的，开发台式，低功耗，价格适宜的电子鼻仪器。 1.2国内外电子鼻研究现状和发展趋势电子鼻是一种仪器，由一个具有部分选择性的气体传感器阵列和一个合适的模式识别系统组成，能够识别单一或复合的气味。电子鼻是对人类嗅觉的模拟。模拟生物嗅觉的过程主要表现在：（1）将性能彼此
14、重叠的多个气敏传感器组成阵列，模拟了人鼻腔内的大量嗅觉细胞，借助精密的信号测试电路，实现了对气体的检测;（2）气敏传感器的响应值经放大、滤波、A/D变换，并应用特征提取技术分离研究对象的有用成分和无用成分，实现对传感器阵列响应信号的数据处理;（3）利用数据统计方法、神经网络方法、信息融合等方法实现对被测气味的定性、定量分析。最早致力于气体检测仪器的研究是Moncrieff ;第一个真正的“电子鼻”是由Wilkens和Hatman在1964年利用气体分子在电极上的氧化-还原反应研制的，这是关于电子鼻的最早报道。1965年，Buck和Dravieks等 分别利用气味调制电导和气味调制接触电势的原理
15、研制了“电子鼻”。气体传感器阵列的概念在1982年被英国Warwick大学的Persuad等人提出，他们研制的由三个半导体气敏传感器组成的气敏传感器阵列和模式识别系统两部分的电子鼻系统，可以区分具有挥发性物质的气味，如:技树脑、玫瑰油、丁香牙油等。在1987年召开的第八届欧洲化学传感研究组织年会上提出了引起了学术界广泛的兴趣的模式识别的概念。1989年，北大西洋公约研究组专门召开了致力于人工嗅觉及其系统设计这两个专题化学传感器信息处理高级专题讨论会。关于电子鼻的第一次专题会议是1991年8月在冰岛由北大西洋公约研究组组织召开的.至此，电子鼻的研究进入了快速发展阶段。 国外对电子鼻的研究起步较早
16、，己出现很多商品化的电子鼻系统，表1.1为目前市场比较常见的商品化的电子鼻系统: 表1.1市场上出现的电子鼻系统公司名称产品型号包含传感器种类及数量或所应用的原理Agilent4440A质谱AIRSENSE AnalyticsPEN3传感器阵列GDA2IMS,PID,EC,2个MOXAlpha MOSFOX 400018个MOX传感器RQ BOXEC,PID,MOXprometheusMS和18个MOXDr. Foedisch AGOMD1.102X5个MOXElectronic Sensor TechnologyZnose 7100GC和MSEnvironicsM90-DI-C离子迁移谱Mi
17、crosensor Systems IncHazmatead plusSAW和ECVaporLapGC和ECRaseSystemesAreaRAE monitorPID，EC和氧气传感器IAQRAEPID，CO2，EC，NIRD和温湿度RST-RostockFF26个MOX,温湿度Sysea AGArtinose38个MOXTechnobiochipLibraNOSE2.18个QCM国外也有很多研究人员在实验室内开发的用于某种或某类气味捡测识别的电子鼻系统，例如:N.EI Barbria等利用6个锡氧化物传感器、微控制器以及便携式电脑组成的电子鼻系统，用来检测沙丁鱼的新鲜度。 Ylva Bli
18、xt采用10个金属氧化物场效应传感器(MOSFET)、4个TGS系列传感器和1个二氧化碳传感器及相关PC软件组成的电子鼻系统，用来检测真空包装的牛肉的腐败程度。Ritaban Dutta等人采用4个费加罗公司生产的涂锡的金属氧化物传感器及相关软件组成的电子鼻系统，用于检测茶叶的品质。 Rajamaki等用金属氧化物半导体传感器这列，采用主成分分析、局部最小方差和人工神经网络分析方法组成的电子鼻系统，用于检测气调包装的禽肉品质。国内对电子异的研究起步较晚，但也取得骄人的成果。张红梅、王俊等人采用8个金属氧化物传感器(分别为:MQ-3、 TGS822、 MQ-7、 TGS800、 TGS824、T
19、GS813、TGS880、TGS825)及相关信号调理电路和结合BP网络算法的PC软件组成的电子鼻系统，用于检测谷物霉变程度 。张军、李小显等采用4个金属氧化物传感器(分别为:TGS822、 TGS825、TGS826、 TGS832)以及调理滤波电路结合PCA主成分分析算法的PC机软件组成的电子鼻系统，用于检测鱿鱼新鲜度。江苏大学的潘胤飞等人采用日本费加罗(Figaro)公司生产的5个厚膜金属氧化锡传感器(TGS813、TGS880、 TGS800、 TGS822和TGS825),组成气体传感器阵列，运用“遗传算法优化RBF神经网络”建立识别模型，构成的电子鼻系统，用于对苹果品质的评价。吉林
20、大学生物与农业工程学院孙永海采用日本Figaro公司生产的TGS822、TGS825、TGS826、 TGS832、 TGS2611气敏传感器及其调理电路结合遗传算法优化的组合径向基函数神经网络构成的电子鼻系统，用于肉品品质的检测。总的来看，国外商品化的电子鼻系统一般价格较高，无法推广使用:与国外相比，国内对电子鼻的研究还主要停留在实验室阶段。1.3气敏传感器现状传感器是用来感受被测信号，并将被测信号转换为适合于系统后续处理的电信号。它获得的信息的正确与否直接关系到系统的性能。气体传感器可以将气体的种类及浓度有关的信息转换成电信号，根据电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在及浓度的相关
21、信息。气敏传感器是电子鼻系统的重要组成部分，气敏传感器的发展直接影响电子鼻系统的发展。目前市场上商品化的气体传感器的种类较多，主要有:半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器、光学式气体传感器、高分子气体传感器等。(1)金属氧化物半导体气敏传感器主要是利用待测气体与半导体材料接触时半导体表面的氧化和还原反应引起材料的电阻值发生变化的原理而制成的，是一种电阻型的传感器.这类传感器的主要优点有制作简单、响应速度快、灵敏度高等。工作时传感器需要加热，加热到一定的温度后，当有待测气体与敏感部件接触时，一部分待测气体的分子蒸发就吸附在敏感部件。此时，如果半导体材料的
22、功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从敏感材料夺取电子而变成负离子吸附，半导体材料的表面呈现电荷层。如果半导体材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向敏感材料释放电子而成为正离子吸附。这种传感器的主要材料是半导体金属氧化物以及复合金属氧化物，如:SnO、ZnO, Fe2O3、TIO2, WO3等。 这种传感器的主要缺点有使用时需加热、选择性差等。目前，在半导体内添加少量的贵重金属催化剂，可以在一定程度上提高传感器的灵敏度和选择性，如:在基于Zn02材料的传感器中掺杂Pt元素，则传感器对异丁烷与丙烷有较高的灵敏度；若掺杂Pd，则对CO与H2有较高的敏感度。自问世以来，因其很宽的应用
23、范围和相对较低的成本，该种类型的传感器已成为世界上应用最广、产量最大的传感器之一。目前应用较多的有Figaro的TGS系列传感器和国产的MQ系列传感器。 (2)固体电解质气敏传感器指的是一种依靠离子或质子实现传导的化学电池。固体电解质在一定温度下具有导电率高、选择性好、灵敏度高等优点，近年来发展迅速，产量和应用仅次于半导体气体传感器。固体电解质气体传感器的原理是an气体敏感材料在一定气氛中会产生离子，离子的运动形成电势差，电势差的大小反映气体浓度的大小。该种传感器主要分以下三类: 1)电解质中的可移动离子与敏感材料吸附的由待测气体派生的离子相同的传感器，例如氧传感器等； 2)电解质中的可移动离
24、子与敏感材料吸附的由待测气体派生的离子不同的传感器，例如由电解质SrE2h和Pt电极组成的用于测量氧气的传感器； 3)电解质中的可移动离子以及敏感材料中的固定离子与敏感材料吸附的由待测气体派生的离子都不相同的传感器:例如新开发的C02固体电解质气体传感器是由辅助电极材料Na2Co3-BaC03或Li2C03-CaCO3和固体电解质NaSiCON（Na3Zr2Si2Po12）组成的。(3)接触燃烧式气体传感器有催化接触燃烧式和直接接触燃烧式两种。这类传感器的工作原理是可燃性气体在敏感元件的表面上发生氧化反应，引起敏感元件的的电阻值变化，电阻值的变化反映气体浓度的大小。其结构是在铂丝线圈上包以粘合
25、剂和氧化铝，烧结后外面再涂催化层，一般为铂、钯等稀有金属。敏感体在工作时需要加热到300-400，此时如果环境中有可燃性气体，则在催化层催化剂的作用下可燃性气体会燃烧，燃烧产生的热量引起铂丝线圈电阻值大小的变化，阻值大小的变化反映可燃性气体浓度的大小。这种传感器的主要特点是稳定性高，不受环境温湿度变化的影响；测试电路设计简单，可嫩性气体浓度与电阻值的变化呈线性关系；但这种传感器对不燃烧气体不敏感，且使用寿命短。依据这种原理制成的传感器普遍应用于石油化工厂、矿井隧道和浴室厨房的可然性气体检测和报警。(4)电化学气敏传感器可分为原电池式、定电位电解式、离子电极式，电式四中类型。原电池式传感器通过检
26、测待测气休与传感器接触时产生的电池电流来测试气体浓度，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器.定电位传感器是对待测气体以恒定电位作电化学性氧化还原反应，通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度.电化学式气体传感器具有灵敏度高，选择性好等优点。(5)光学式气体传感器是利用光学特性来检测气体的浓度和成份的传感器，根据光学原理的不同可分为红外吸收式、光干涉式、化学发光式、可见光吸收式、光离子化式等几种类型。以红外吸收式和光离子化式为主，红外吸收式气体传感器是利用不同气体分子吸收红外光的光谱不同来鉴别气体的种类和浓度信息。依据吸收红外光谱的不同作为检测气体的方法是最精确的。该传感器具有抗污染能力、高
27、抗振能力、灵敏度高、误报率低，测试时不消耗被测气体等优点。光离子化检测器的特征是能快速检测电离势低于灯丝能级的低浓度的挥发性有机物，但这种传感器的灯需要经常清洁，不便于在连续和在线的场合使用。(6)高分子气体传感器高分子气敏材料具有工艺简单、价格低廉、常温选择性好等特点，应用高分子材料制成的传感器在检测毒性气体和监测食品鲜度等方面有重要作用。高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为以下几种，如表1.2所示: 表1.2 高分子气体传感器简介 传感器类型传感器特性高分子电阻式气体传感器 该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量电阻的浓度，目前的材料主要有酞菁聚合物、L-B膜、聚吡咯等。主要优点
28、是制作工艺简单，成本低廉。其中L-B膜技术是一种有机高分子单分子膜堆积技术，即在水汽界面上将分子加以紧密排列，然后转移动固体转体上的技术。这种传感器可在常温下使用，并能与平面硅微电子技术兼容，易于实现小型化、集成化。高分子电阻式气体传感器 该类传感器的工作原理是：当高分子气敏材料吸附气体时，其介电常数发生变化。目前的材料主要有聚次苯菁基乙炔、CN(CH3)SI(CO2H5)缩聚物、聚苯胺、聚酰亚胺/Nafion等。浓差电池式气体传感器 该类传感器的工作原理是：气敏材料吸附气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体浓度，目前主要是聚乙烯醇-磷酸等材料。声表面波式气体传感器 其敏感原理是高分
29、子气敏材料吸附气体时，声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量气体浓度或频率来测量气体浓度，主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。石英振子式气体传感器 石英振子式气体传感器高分子气敏材料吸附气体时，材料的重量发生变化，由于涂敷在石英振子上裁量重量的变化，引起石英振子的共振频率变化，通过测量共振频率来测量气体浓度。主要材料有氨基十一烷基硅烷和三乙醇胺等材料，用来测量醋酸蒸汽和SO2等气体。综上所述，气敏传感器的种类繁多，不同类型气敏传感器具有不同的选择性、灵敏度和稳定性，但是表征农产品品质的特征气体之间存在一定相关性，因此需要构建合理的传感器阵列，这样可
30、以排除千扰，保证检测结果的正确性和有效性。1.4本课题的研究内容和主要工作本选题来源于国家科技支撑计划子课题-农产品物流动态过程品质监测技术研究。主包括电子鼻系统开发和识别算法设计。 本课题主要针对现有电子鼻系统一般价格较高体积较大的问题进行的改进，目的是使电子鼻系统得到更广泛的应用。研究的台式电子鼻系统，以嵌入式平板电脑作为系统的控制处理核心.使用大量和多种类型的气体传感器组成传感器阵列，结合优化的算法，能够进行多种复杂气味的定性和定量分析。对成本和体积进行了合理的控制，具有较高的性价比。 本课题的主要工作有: (1)电子鼻系统传感器阵列的设计，传感器信号提取电路的设计和部分传感器的标定:
31、(2)基于平板电脑的台式电子鼻设计，包括信号采集电路软硬件设计和气路控制软硬件设计: (3)系统测试和实验结果分析。第2章传感器阵列研究电子鼻是一种对人类等哺乳动物嗅觉系统的模拟，一般由气体传感器阵列、数据采集设备和模式识别系统三部分构成 。气体传感器阵列对应生物嗅觉系统的初级神经元，是电子鼻系统中最关键的部件，通常由多个气敏传感器构成，选择合理的传感器组成传感器阵列能够显著提高电子鼻系统的性能.研究表明，单个的气敏传感器功能十分有限，目前还没有发现对单一气体敏感的传感器材料.解决这个问题的一个可行的办法就是利用多个气体传感器的交叉敏感性构成传感器阵列，同时提取多个传感器的信号进行判断识别.传
32、感器阵列的主要优点有:能够从多个侧面反映气味的信息，这样测试系统就可以得到气味的全面信息描述，使分析结果更加可靠；提高测试系统的选择性，单个气敏传感器一般选择性较差，然而利用气敏传感器的交叉敏感性，可以提高系统的选择性，可以提高系统的可靠性和重复性。研究难点在于传感器阵列的敏感性可以履盖目标气体，阵列中的传感器之间也有明显的选择性差异，即兼顾传感器的灵敏性、广谱性和交叉敏感性.本章主要讲述传感器阵列相关的内容。2.1传感器的选型 电子鼻系统中的传感器阵列由多个不同种类或型号的传感器组成，一个测试过程要读入多个数据，如果传感器阵列设计不合理，所得信息中将会有大量的重叠.大量冗余的信息不但影响运算
33、的速度，也会降低计算的精度，还会增加系统的成本。由于人工嗅觉的测试对象的气味或挥发出的气体往往由多种成分构成，并且有些物体的气味组成成分还不完全清楚，甚至还包含一些微量或痕量的重要气体成分。因此在确定传感器阵列时一定要体现传感器自身的灵敏度和广谱响应特性以及各气敏传感器间的交叉敏感特性。这样，气敏传感器阵列中的各传感器对待测物品气味的响应既有区别、又有联系，表现出一定的相关性;传感器阵列的输出结果也更能较为全面地反映出待测物品气味的化学组成，以使对待测物品的评价结果更为可信.选用的气体传感器应满足一下基本要求 : (1)气敏传感器应具有很高的灵敏度，能够对痕量级的气体成分进行响应; (2)气敏
34、传感器的选择性不应很高，以便能够对多种气体成分进行综合响应 但又要具有一定的选择性，使气体传感器阵列中的每个传感器的响应值有所不同;(3)传感器的性能要稳定，传感器不随环境温湿度的变化而发生变化: (4)传感器的响应速度要快，重复性要好。 鉴于传感器阵列选择的重要性。针对果蔬生理呼吸强度指标气体、畜产品和水产品腐败气体等特性.本系统选用半导体气敏传感器、电化学气敏传感器、原电池式氧气传感器、PM(光离子)传感器、红外吸收式二氧化碳传感器和数字式温湿度传感器组成传感器阵列。下 面简要介绍各传感器的特性: (1)半导体气敏传感器 半导体气敏传感器选用日本费加罗TGS系列传感器和国产MQ系列传感器，
35、这两种传感器的特性大至相同，这类传感器是厚膜金属氧化物半导体型的.金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时，晶体表面的供与电子被转移到吸附在带一个负电荷的晶体的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷.这样，表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动.如图2.1所示: 图2.1半导休传感器氧化反应示意图还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低.导致晶粒边界的势垒降低，降低了的势垒使传感器的阻值减小了. 1/2O2+(SnO2x)0ad(Sn02x ) （2.1） CO+Oad(Sn02x)C02+(Sn02x)* （2.2）. 图2.2半导体传感器还原反应示意图 在一定范围气体浓度
36、中传感器阻值的变换和还原性气体浓度变化之间的关系方程可表示为: Rs=AC 上式中:Rs是传感器电阻，A为常数，C是气体浓度，为Rs曲线的斜率。 这类传感器的基本测试回路如图2.3所示: 图2.3半导体传感器测试回路 如图2.3所示，传感器要施加两个电压:测试用的回路电压(Vc)和加热电压侧（Vh）施加加热电压的主要目的是维持敏感体处于一定的温度上，加热电压要求为5.00.2DC/AC。由于这种传感器具有极性，所以回路电压Vc必须是直流电压。 传感器电阻值的变化反应气体浓度的变化，传感器电阻的计算如下式所示: Rs=（VcVr）-l*RL (2.4) 传感器敏感体消耗的功率Ps可由下式计算:
37、Ps=（Vc *RS）/(RS+RL) （2.5） 台式电子鼻系统中半导体气敏分别为:MQ135、 TGS825、 TGS824、 MQ3、TGS880、 TGS800, TGS822。各传感器的敏感气体及负载电阻如表2.1所示: 表2.1传感器特性表传感器行列敏感特性负载电阻MQ3对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性22KMQ135空气污染气体气敏元件，对氨、苯、等较高的敏感性22KTGS825对硫化氢气体有较高的敏感性 22KTGS824对氨气等有较高的敏感性度22KTGS826对氨气等有较高的敏感性度22KTGS880对乙醇等有机溶剂有较高的敏感性22KTGS800瓦斯气体，烟雾气体传
38、感器22KTGS822对乙醇等有机溶剂有较高的敏感性22K半导体气敏传感器在2号气室内放置顺序如图2.4所示: 图2.4 2号气室传感器分布图 (2)电化学气敏传感器 电化学气敏传感器选用瑞士Membrapor公司的定电位式电化学气敏传感器分别为H2S/C-200, NH3CR-200和C2ZH4/C-2000。该类传感器有三个电极，分别为:工作电极（W）对电极(C)和参考电极(RF)。工作原理是，工作电极和对电极组成电解电流流过的回路;由工作电极和参比电极组成流过电流接近于零的回路，在参比电极电位稳定不变的情况下，可动态的测量工作电极的电位.若忽略参比电极上的微弱电流，工作电极和对电极为串联
39、连接方式，两电极上流过的电流大小相等，方向相反331.工作电极响应目标气体，不论是氧化的过程还是减少气体，都会产生与气体浓度成比例的响应电流，电流都是由传感器的对电极产生。工作过程中，需要用参考电极在工作电极上形成一个稳定的电压.传感器在气体浓度捡测范围内的输出电流与气体浓度呈线性关系，输出电流可以用式(2.6)计算: 灵敏度（nA/ppm）*气体浓度(PPm)=传感器输出（nA） (2.6) (3) PID传感器 PID传感器采用美国Baseline-MOCON公司的PID-TECH (0-2000ppm)挥发性有机物测试传感器 ，光离子化传感器由紫外灯和离子化室组成，其工作原理是，紫外灯发
40、射具有一定能量的光子。透过氟化埋窗口照射到离子化室内，待测气体分子吸收光子产生离子，通过测定与待测气体的浓度相关离子数可以得到气体分子的浓度.主要参数为: 电离电势=10.6ev 测试气体:挥发性气体及电离势小于等于10.6ev的气体 线性范围:0-2000ppm异丁烯 精度最小可测量数量:O.1ppm 温度范围:-20-40(最高温度可达60) 电化学气敏传感器和PID传感器放置在1号气室，在气室内的分布如图2.5所示: 图2.51号气室传感器分布图 (4)氧传感器 氧传感器采用德国International Technologies公司的原电池型1-08工业氧气传感器，其工作原理是氧透过隔
41、膜后溶解在隔膜与阴极间的薄层电解液中，当氧达到阴极表面时被还原，其电极反应为: O2+2H2O+4e4OH (2.7) 或O2+4H+4e2H2O (2.8) 同时在铅阳极上发生氧化反应 2Pb+40H-4e2PbO+2H2O (2.9) 或2Pb+2H20-4e 2PbO+4H+ (2.10) 外电路有负载时传感器输出的电流/电压与氧浓度成正比，根据测得的电流/电压值可计算出氧气的浓度。这种传感器结构简单，不需要功率消耗。 主要参数如下: 测试范围:0-25% 输出信号:80Mv5mV在干燥空气中 工作温度:0-50 (5)二氧化碳传感器 二氧化碳传感器选用韩国Korea Digital公司
42、2008年 推出的KCD-AN测量范围为0-2000ppm的红外吸收式二氧化碳浓度变送器，其采用双波长非分散红外吸收法原理制成，非分散红外吸收光谱法是一种基于气体吸收理论的方法，红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测气体吸收之后，光谱强度的变化与气体浓度成正比，求出光谱光强的变化量就可以反演待测气体的浓度。利用这种原理制成的传感器测试准确度高，稳定性好。 主要性能参数: 测量范围:0-2000ppm 测最精度:4% 测量间隔:1.5S 工作环境温度范围:0-50 湿度范围:0-95%(无凝结) 工作电压:8-14VDC 工作电流:70mA(平均) 通信方式:模拟输出PWM(0-4VDC)或UA
43、RT(38,400bps) PWM方式输出时参数: PWM输出间隔1004mS PWM输出高电平与浓度的对应关系:(PPM/2)+2mSPWM输出与二氧化碳浓度的对应关系图图2.6 PWT，与二氧化碳浓度对应关系图氧气传感器和二氧化碳传感器放置于3号气室，在气室内的分布如图2.7所示: 图2.7 3号气室传感器分布(6)温湿度传感器数字式温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的SHTxx单片数字温湿度集成传感器。SHTXX系列产品是一款高精度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。它采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性.传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、体积小，功耗低等优点。 图2.8温湿度传感器结构框图 典型参数: 测量精度:湿度:4.5%RH 温度:0.5 测量范围:湿度:
