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

　　(中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，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H2，CH4等多種還原性或易燃性氣體的交叉響應非常明顯。針對這個(gè)問(wèn)題，目前常用的方法是對傳感器進(jìn)行溫度調制。在這種工作方式下，傳感器對不同的氣體呈現不同的響應特性，利用模式識別技術(shù)對響應信號進(jìn)行處理就有可能對被測氣體的類(lèi)別和濃度給出判定。Haifeng Ge等人對單個(gè)氣體傳感器進(jìn)行溫度調制，利用支持向量機算法實(shí)現了對H2，CO及其混合氣體的定性識別，但是沒(méi)有給出定量分析的結果；太惠玲等人利用4個(gè)SnO2氣體傳感器構成的陣列實(shí)現了對CO和H2混合氣體的定量分析。

　　支持向量機是近年來(lái)模式識別領(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單個(gè)SnO2氣體傳感器進(jìn)行溫度調制，結合支持向量機算法，對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

　　傳感器型號為MQ307A，其敏感部分是一個(gè)微型小球，內嵌加熱絲和金屬電極。傳感器的輸出信號經(jīng)數據采集卡采樣后，發(fā)送到計算機(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)測試過(guò)程在溫度為25℃、相對濕度為30％的環(huán)境中完成。

　　3 結果與討論

　　3.1 加熱電壓波形對傳感器響應的影響

　　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制下對5×10-4單一CO和5×10-4單一H2的響應曲線(xiàn)，其中加熱電壓周期都為30 s，幅值為1 V。對這三種響應信號進(jìn)行主成分分析(PCA)，結果如圖2所示?？梢?jiàn)，在正弦波或三角波電壓的調制加熱下，傳感器對CO和H2的響應曲線(xiàn)更易于區分。

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

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

　　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制電壓。

　　3.2 加熱電壓周期對傳感器響應的影響

　　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2×10-4單一CO和6×10-4單一CO的響應曲線(xiàn)。由圖4(b)可以看到，響應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下限。圖4(c)顯示了傳感器分別對6×10-4CO和8×10-4 CO的響應靈敏度隨加熱電壓周期變化的趨勢，由圖可見(jiàn)，傳感器靈敏度與加熱電壓周期為非線(xiàn)性關(guān)系。

　　從檢測下限、靈敏度以及響應速度等多個(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混合氣體中的響應曲線(xiàn)，其中CO的濃度范圍為2×10-4～1×10-3?？梢钥吹?，在響應時(shí)間約為24 s處(設為tf)，在同一濃度的H2背景下，傳感器對不同濃度CO的響應曲線(xiàn)集中于某一個(gè)值附近，而且此響應值隨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)刻的響應值作為特征向量，用于訓練SVM模型。

　　訓練過(guò)程如下：

　　對于被測氣體為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)刻的響應值作為一維輸入向量，訓練模型SVM1，利用SVM1估計混合氣體中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估計的H2濃度CH2傳感器靈敏度S組成二維輸入向量[CH2S]，訓練模型SVM2，利用SVM2估計CO／H2混合氣體中CO的濃度。

　　對于被測氣體為單一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，訓練模型SVM3，利用SVM3估計空氣中CO的濃度。

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

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

　　4 結 論

　　對單個(gè)SnO2傳感器進(jìn)行溫度調制，考察加熱電壓對傳感器性能的影響。在正弦電壓調制下，傳感器對CO和Hz的響應曲線(xiàn)易于區分，且正弦電壓有利于對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，利用SVM算法估計混合氣體中CO的濃度，平均估計誤差為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。