一种基于快速温度调制的气体识别方法

本发明属于气体检测，尤其涉及一种基于快速温度调制的气体识别方法。

背景技术：

1、气体传感器作为获取气体种类和浓度信息的共性关键技术，在环境监测、工业控制、安全监控等领域具有广泛应用。金属氧化物半导体（mos）气体传感器由于具有灵敏度高、响应快、体积小、价格低等优点，已经在气体检测领域得到了广泛应用。但是，mos气体传感器大多具有广谱响应特性，在实际复杂的气体环境中，单一的传感器往往存在着交叉敏感问题，容易受其它干扰气体的影响，难以有选择性地实现对目标气体种类和含量的检测。如何提高mos气体传感器的选择性一直是该领域的难点。

2、研究人员借鉴生物嗅觉系统提出了“电子鼻”的概念，传感器阵列结合模式识别技术的“电子鼻”有效解决了单个气体传感器选择性差的问题，是提高传感器选择性、进而实现定性或定量气体分析的重要方法。传感器阵列作为“电子鼻”的核心，通常由多个不同敏感特性的气体传感器组成。扩大传感器阵列规模可以增加气体响应的特征参数，获取更多的气体分子信息，有效提高电子鼻的选择性，但同时也带来了系统体积大、功耗高、成本高等问题。

3、温度调制技术可利用单个传感器获取等效于多个传感器的输出响应，但一般获取的响应仅为传感器在不同工作温度下同灵敏度相关的准稳态响应值。研究者尝试通过测试传感器对待测气体完整的响应、恢复过程来获取起始电阻、灵敏度、响应恢复曲线斜率等更多的响应信号。但实际应用过程中，传感器始终置于待测气氛中，响应恢复过程信号的获取需外加过滤及气路切换装置才能实现，很难满足长期应用需求。另外，为达到传感器的热稳定，往往工作温度调制的频率较低，导致传感器响应时间过长，不利于现场快速检测。

4、随着mems技术的发展，以硅基微热板为衬底结合敏感薄膜材料的mems气体传感器具有非常快的热响应速度，通常在几十毫秒时间内即可实现室温~300℃的工作温度调制。而气体传感器的响应是热激发过程与表面反应过程共同作用的结果，且与待测气体密切相关的表面反应速度远远低于热激发的变化速度。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于快速温度调制的气体识别方法，利用单个mems气体传感器，结合mems气体传感器的快速温度调制特性，利用表面反应过程带来的丰富瞬态信息，提高传感器的气体识别效果。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于快速温度调制的气体识别方法，所述方法包括如下步骤：

4、步骤1、利用单个mems气体传感器，基于快速温度调制模式通过加热电极产生遍历工作温度点的温度变化，在不同气体环境下进行响应测试，并获取不同气体环境下的动态响应信号；

5、步骤2、对获取的不同气体环境下的动态响应信号，通过曲线数据遍历方法识别局部极大值和极小值，并采用线性插值方法提取体现表面反应过程与热激发过程的敏感薄膜电阻信号上包络线和下包络线；

6、步骤3、对提取的敏感薄膜电阻信号上包络线和下包络线进行归一化或标准化预处理，采用离散小波变换方法进行样本特征提取，对提取到的样本特征基于主成分分析法进行降维处理，构建样本特征矩阵；

7、步骤4、根据所述样本特征矩阵，对不同目标气体进行气体种类识别，并依据识别的结果进行目标气体的浓度预测。

8、本发明的有益效果在于：

9、与现有传感器阵列及温度调制技术相比，本发明利用单个mems气体传感器构建虚拟传感器阵列，大大降低了“电子鼻”系统的复杂度；利用快速温度调制模式下敏感薄膜电阻－温度依赖关系同热激发过程及表面反应过程的内在关联，区分不同气体在敏感薄膜表面的反应过程，结合模式识别等智能算法，提高了“电子鼻”的响应速度和气体识别准确性。

技术特征：

1.一种基于快速温度调制的气体识别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于快速温度调制的气体识别方法，其特征在于，所述mems气体传感器包括硅基底及敏感薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于快速温度调制的气体识别方法，其特征在于，所述上包络线表征低温点测得的敏感薄膜电阻变化特性，下包络线表征高温点测得的敏感薄膜电阻变化特性。

4.根据权利要求3所述的一种基于快速温度调制的气体识别方法，其特征在于，所述快速温度调制模式通过在mems气体传感器加热电极上施加由调幅脉冲电压构成的调制波形实现，调制波形为正弦波调幅脉冲波形、三角波调幅脉冲波形、锯齿波调幅脉冲波形的任一种；调幅脉冲电压周期范围为10-100ms，占空比范围为10-60％；mems气体传感器工作温度变化调制速度快于气体在mems气体传感器敏感薄膜表面发生反应的速度。

5.根据权利要求4所述的一种基于快速温度调制的气体识别方法，其特征在于，所述步骤4包括，利用样本特征矩阵中的上包络线相关数据识别得到气体的种类；利用样本特征矩阵中的下包络线相关数据预测得到气体的浓度。

技术总结本发明公开了一种基于快速温度调制的气体识别方法，属于气体检测技术领域。所述方法利用单个MEMS气体传感器，结合快速温度调制模式构建虚拟传感器阵列，利用快速温度调制模式下敏感薄膜电阻－温度依赖关系同热激发过程及表面反应过程的内在关联，结合模式识别等智能算法提高传感器的气体识别能力。本发明利用单个传感器替代传感器阵列，大大降低了“电子鼻”系统的复杂度。技术研发人员：何秀丽,林凯滨,高晓光,贾建受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/12