电子鼻系统原理及技术

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魏广芬,余隽,唐祯安 著
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  • 电子鼻
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  • 传感器技术
  • 环境监测
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出版社: 电子工业出版社
ISBN:9787121231919
商品编码:29867428196
包装:平装
出版时间:2014-07-01

具体描述

基本信息

书名:电子鼻系统原理及技术

定价:45.00元

作者:魏广芬,余隽,唐祯安

出版社:电子工业出版社

出版日期:2014-07-01

ISBN:9787121231919

字数:

页码:

版次:1

装帧:平装

开本:16开

商品重量:0.4kg

编辑推荐


内容提要


本书主要内容包括电子鼻系统的基本原理、电子鼻系统的实验测试平台设计、微热板式气体传感器的结构及其性能测试分析、气体传感器的混合气体响应机理分析、气体传感器阵列信号的特征参数分析和盲分离处理、气体传感器温度调制原理和测试及基于傅里叶变换和Hilbert-Huang变换的动态特征分析技术,以及新的压缩感知理论在电子鼻系统中的应用。书中每章包含了大量反映电子鼻和气体传感器领域的新研究成果和当前研究热点的总结,提供了大量有关实验和算法的详细分析步骤和测试结果。

目录


章 绪论 1.1 气体被测对象 1.2 电子鼻系统 1.2.1 电子鼻系统原理 1.2.2 电子鼻应用及发展 1.2.3 集成化电子鼻芯片 1.3 电子鼻系统关键技术 1.3.1 气体传感器 1.3.2 气体传感器阵列技术 1.3.3 气体信息特征参数的提取 1.3.4 模式识别 1.3.5 温度调制技术 1.3.6 气敏机理及模型的研究 1.4 当前亟待解决的问题 1.5 主要内容简介第2章 电子鼻系统研究测试平台 2.1 实验平台设计 2.2 配气系统 2.2.1 动态配气系统 2.2.2 静态配气系统 2.3 控制测试系统 2.3.1 硬件系统设计 2.3.2 软件界面设计 2.3.3 测试系统的性能 2.4 温度调制实验系统 2.4.1 基于DDS技术的气体传感器温度调制实验系统 2.4.2 基于程控电源的气体传感器温度调制实验系统 2.5 测试 2.6 本章 小结第3章 气体传感器及其性能测试和分析 3.1 半导体气体传感器的发展 3.2 微热板式气体传感器的结构及工艺流程 3.3 微热板式气体传感器的性能测试 3.3.1 工作温度-加热功耗曲线 3.3.2 灵敏度-工作温度曲线 3.3.3 微热板升(降)温曲线 3.3.4 选择性 3.3.5 灵敏度-气体浓度曲线 3.3.6 响应时间和恢复时间 3.3.7 稳定性 3.3.8 预热时间的影响 3.3.9 环境温湿度的影响 3.3.10 对混合气体的响应 3.4 与标准CMOS工艺及气敏材料的制备工艺兼容的微热板 3.4.1 微热板式气体传感器加热材料的选取 3.4.2 钨微热板式气体传感器的加工流程 3.4.3 钨微热板式气体传感器性能测试 3.5 本章 小结第4章 气体传感器的混合气体响应机制 4.1 SnO2薄膜的敏感机理 4.1.1 敏感机理综述 4.1.2 SnO2薄膜 4.2 气敏机理的密度泛函分析 4.2.1 密度泛函理论 4.2.2 计算平台 4.2.3 DFT计算和分析 4.3 微热板式气体传感器的电学响应模型 4.3.1 模型描述 4.3.2 参数优化 4.4 环境中O2的影响分析 4.5 本章 小结第5章 气体传感器特征参数分析 5.1 阵列信号处理方法综述 5.1.1 信号预处理 5.1.2 特征参数优化 5.1.3 模式分类 5.2 稳态响应特征参数 5.3 特征分析 5.3.1 气体传感器响应测量 5.3.2 响应特征分析 5.3.3 电阻和电导参数比较 5.3.4 其他特征分析 5.4 混合气体识别 5.4.1 神经网络模式识别 5.4.2 气体量化识别 5.5 本章 小结第6章 气体传感器阵列信号的盲分离 6.1 盲分离模型的建立 6.1.1 混合气体分析问题描述 6.1.2 盲信号分离问题 6.1.3 混合气体分析的盲可辨识性 6.2 基于盲分离模型的信号处理算法 6.2.1 主成分分析法(PCA) 6.2.2 独立成分分析法(ICA) 6.2.3 非线性主成分分析法(NLPCA) 6.3 二元混合气体的BSS分析 6.3.1 稳态数据的BSS分析 6.3.2 连续测量数据的ICA分析 6.3.3 非线性叠加模型的信号处理探讨 6.4 与BP神经网络的结合 6.4.1 特征选择 6.4.2 特征提取和预处理 6.4.3 在二元混合气体分析问题中的应用 6.5 本章 小结第7章 气体传感器的温度调制技术 7.1 温度调制原理 7.2 温度调制技术现状 7.2.1 温度调制模式的多样化 7.2.2 气体传感器动态响应信号处理技术 7.2.3 动态响应机理分析及建模 7.3 温度调制实验 7.3.1 实验设置 7.3.2 测试结果及分析 7.4 调制信号预处理 7.5 虚拟阵列 7.6 本章 小结第8章 基于傅里叶变换的动态特征分析 8.1 傅里叶变换 8.2 动态信号处理 8.2.1 信号分析 8.2.2 特征提取 8.2.3 特征分析依据 8.3 温度调制模式分析 8.3.1 温度调制实验设计 8.3.2 甲烷和气体特征差异 8.3.3 乙醇和气体特征差异 8.3.4 乙醇和甲烷气体特征差异 8.3.5 模式分析结论 8.4 混合气体检测 8.5 本章 小结第9章 基于Hilbert-Huang变换的动态特征参数分析 9.1 Hilbert-Huang变换 9.1.1 经验模态分解(EMD) 9.1.2 Hilbert谱分析(HSA) 9.2 动态信号处理 9.2.1 信号的HHT分析 9.2.2 瞬时频谱特征 9.2.3 调制周期的影响 9.2.4 其他波形中的应用 9.3 混合气体检测 9.4 本章 小结0章 压缩感知电子鼻系统 10.1 物联网环境下的新需求 10.2 压缩感知理论 10.2.1 稀疏变换 10.2.2 测量矩阵 10.2.3 信号重构 10.3 压缩感知电子鼻系统 10.3.1 原理框架 10.3.2 压缩感知电子鼻系统模拟仿真 10.3.3 压缩感知电子鼻系统中的关键问题 10.4 本章 小结总结与展望参考文献

作者介绍


文摘


序言



嗅觉的未来:一种非生物感知的新纪元 我们一直在探索超越自身感官局限的边界,试图以创新的方式感知世界。在众多感官中,嗅觉,这一古老而强大的感知能力,长期以来一直是我们最难模拟的领域。然而,随着科学技术的飞速发展,我们正逐步揭开非生物嗅觉的奥秘,开启一个全新的感知时代。 这本书,并非专注于某一特定技术或应用,而是旨在勾勒出“电子鼻”这一概念的宏大图景,以及支撑其实现的多元化科学原理和前沿技术。它将带领读者深入探索,理解我们如何能够构建出能够“闻到”不同气味、分析气味成分、甚至辨别微妙气味差异的非生物系统。我们将从基础的物理化学原理出发,剖析气体分子与传感材料之间发生的精妙互动,理解这些互动如何转化为可被解读的电信号。 核心原理的探索: 首先,我们将深入理解气味产生的根源。任何可嗅探的气味,本质上都是由挥发性有机化合物(VOCs)或其他挥发性物质构成。这些分子通过空气传播,进入我们的鼻腔,与嗅觉感受器发生作用,从而产生嗅觉信号。电子鼻系统的核心目标,便是模仿这一自然过程。 分子识别的奥秘: 电子鼻系统并非简单地复制生物嗅觉的细胞结构,而是通过不同的物理化学原理来“识别”目标气体分子。这通常涉及到对气体分子的吸附、化学反应、或者物理性质(如导电性、光学性质)的变化。我们将详细介绍几种关键的识别机制: 化学吸附与表面反应: 许多传感器的工作原理是利用特定的材料表面,能够选择性地吸附目标气体分子。当气体分子附着在传感器表面时,会引起材料电学、光学或质量等性质的变化。例如,金属氧化物半导体(MOS)传感器利用了气体分子与氧化物表面之间的氧化还原反应,改变半导体的导电性。 物理吸附与相变: 另一些传感器则依赖于气体分子与传感材料之间的物理吸附,例如范德华力。当大量气体分子吸附在材料表面时,可能会引发材料的体积膨胀、质量增加,或者改变其机械振动频率。 光学相互作用: 某些传感器利用了气体分子与特定光学材料的相互作用。例如,气体分子可能会改变指示剂染料的颜色、荧光强度,或者影响光的折射率,这些变化都可以通过光学手段来检测。 电化学反应: 在电化学传感器中,气体分子会参与到电极反应中,产生可测量的电流或电压变化。这种方法通常具有较高的灵敏度和选择性。 材料科学的基石: 支撑这些识别原理的,是种类繁多的传感材料。我们将探讨各种先进的传感材料,以及它们在电子鼻系统中的应用: 金属氧化物半导体(MOS): 如二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)等,它们具有良好的导电性和对多种气体的高度敏感性,是早期电子鼻的重要组成部分。 导电聚合物: 如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等,它们在吸附特定气体分子后,会发生体积膨胀或电荷转移,导致其导电性发生显著变化。 碳材料: 包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维等,它们具有极高的比表面积和优异的电学性能,能够实现对痕量气体的灵敏检测。 纳米晶体与量子点: 这些纳米尺度的材料具有独特的量子尺寸效应和表面效应,能够展现出对气体分子更高的灵敏度和选择性。 表面改性材料: 通过在传感器表面引入特定的功能团或纳米结构,可以显著提高传感器对特定气体的选择性,减少干扰。 生物分子模拟: 借鉴生物嗅觉感受器的设计思路,一些研究者尝试将生物分子(如嗅觉受体蛋白)固定在传感器表面,以期实现更高水平的选择性和灵敏度。 信号处理与模式识别: 电子鼻系统并非仅仅依赖于单一传感器的响应,而是通常采用“传感器阵列”的策略。这意味着将多个对不同气体敏感度不同的传感器组合起来,形成一个“嗅觉阵列”。每个传感器对气体的响应模式是独特的,就像人类的嗅觉细胞有不同的类型一样。 阵列设计的艺术: 如何设计一个最优化的传感器阵列,使其能够覆盖尽可能多的目标气体,并区分相似的气味,是电子鼻系统设计的关键。我们将探讨传感器类型、数量、响应范围等方面的设计考虑。 数据的海量处理: 传感器阵列会产生大量的原始数据,这些数据通常是多维度的、非线性的,并且包含噪声。因此,先进的信号处理技术是必不可少的。 预处理技术: 包括降噪、基线校正、归一化等,旨在提高数据的信噪比和一致性。 特征提取: 从原始数据中提取出能够代表气味特征的关键信息,例如峰值响应、响应时间、弛豫时间等。 机器学习的赋能: 模式识别是电子鼻系统的“大脑”。一旦传感器阵列产生了响应数据,就需要强大的算法来解读这些数据,将其与已知气味关联起来。 统计分析方法: 如主成分分析(PCA)、线性判别分析(LDA)等,用于降维和探索数据结构。 监督学习算法: 如支持向量机(SVM)、人工神经网络(ANN)、K近邻(KNN)等,用于训练模型,实现对未知气味的分类和识别。 无监督学习算法: 如聚类分析,用于发现数据中的潜在模式和分组。 深度学习的应用: 近年来,深度学习在模式识别领域取得了巨大成功,其在处理复杂、高维传感器数据方面展现出巨大的潜力。 应用前景的展望: 电子鼻系统的应用范围极其广泛,几乎渗透到我们生活的方方面面。本书将详细阐述这些潜在的应用场景: 食品安全与质量控制: 食品腐败检测: 监测鱼、肉、奶制品等食品在储存过程中产生的挥发性物质,判断其新鲜度。 香精香料分析: 鉴定香水、调味品等产品的成分,评估其品质。 污染物检测: 检测食品中的农药残留、兽药残留或环境污染物。 环境保护与安全监测: 空气质量监测: 检测工业废气、汽车尾气、室内空气污染物(如甲醛、苯等)。 危险气体泄漏检测: 预警工业生产中的易燃易爆气体、有毒气体泄漏。 环境污染源追溯: 通过分析环境空气的气味特征,追踪污染源。 医疗健康领域: 疾病诊断: 许多疾病会引起人体代谢物的改变,导致呼出气体或体液产生特殊气味。电子鼻有望成为非侵入式疾病诊断的辅助工具,例如检测糖尿病、肺癌、肾脏疾病等。 药物研发与质量控制: 监测药物生产过程中的杂质,或评估药物的稳定性。 口腔健康监测: 检测口臭的原因,评估口腔卫生状况。 工业生产过程控制: 化工过程监测: 实时监测反应过程中的气体成分,优化生产参数。 材料性能评估: 检测材料在生产过程中产生的气味,评估其质量。 包装材料评估: 检测包装材料是否会释放出对内容物产生影响的挥发性物质。 公共安全与安防: 爆炸物与毒品检测: 在机场、车站等场所,快速筛查隐藏的爆炸物或毒品。 非法物质检测: 用于海关、边境检查等领域。 挑战与未来发展: 尽管电子鼻技术取得了显著的进展,但仍面临诸多挑战,也孕育着无限的未来发展方向。 灵敏度与选择性的提升: 进一步提高对痕量气体的检测灵敏度,同时增强对复杂混合气体的区分能力。 长期稳定性的保证: 传感器材料的性能可能随时间和环境变化而衰减,如何保证系统的长期稳定性和可靠性是关键。 功耗与小型化: 尤其是在便携式设备和物联网应用中,需要开发低功耗、小型化的电子鼻系统。 标准化与互操作性: 建立统一的评估标准和数据格式,促进不同系统之间的互操作性。 类比生物嗅觉的复杂性: 试图在系统层面模拟生物嗅觉的整体感知能力,包括气味的记忆、情感联想等,仍是一个长期而艰巨的目标。 跨学科合作的深化: 电子鼻系统的发展离不开化学、物理、材料科学、电子工程、计算机科学、生物学等多个学科的紧密合作。 这本书,将以严谨的学术态度,结合生动的案例,全面展现电子鼻系统的科学魅力及其广阔的应用前景。它不仅仅是关于一种技术,更是关于我们如何通过科技,拓展感知世界的方式,从而更好地理解和改造我们所处的环境。它将激发读者对未来科技的无限想象,以及对非生物感知新纪元的期待。

用户评价

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我对生物信息学和计算化学领域的研究产生了浓厚的兴趣,而电子鼻系统似乎是这两个领域交叉的一个有趣切入点。我购买《电子鼻系统原理及技术》,是希望能在这本书中找到将化学信息转化为可识别数据的方法论。我非常惊喜地发现,书中对气味分子与传感器之间相互作用的分子机制有非常深入的探讨,这与我所学的化学知识有很好的呼应。特别是关于非特异性传感器的设计理念,以及如何通过组合效应来模拟生物嗅觉的复杂性,让我耳目一新。书中对信号处理和机器学习算法的介绍,也让我看到了如何利用先进的计算方法来解析这些复杂的数据。我特别欣赏书中对模式识别和聚类分析在气味分类和识别中的应用,这让我对如何构建一个能够区分微妙气味差异的系统有了更清晰的认识。

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我一直在寻找能够帮助我理解人类感官机制的书籍,而《电子鼻系统原理及技术》这本书,以一种创新的方式,让我对“嗅觉”这个原本模糊的概念有了具体的认知。书中并没有简单地罗列传感器,而是深入地探讨了传感器阵列的设计理念,以及如何通过组合不同的传感器来模拟生物嗅觉的复杂性。我被书中关于气味分子与传感器表面相互作用的物理化学过程的讲解所吸引,这让我能够理解为什么不同的材料会对不同的气味分子产生响应。更让我着迷的是,书中对数据处理和模式识别算法的介绍,让我明白了电子鼻是如何将海量的传感信号转化为可识别的“气味指纹”。这本书就像一座桥梁,连接了物理、化学、计算机科学和生物学,让我看到了一个多学科交叉的迷人领域。

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我最近在研究关于生物传感器方面的内容,偶然间翻到了这本《电子鼻系统原理及技术》。一开始我以为这可能只是介绍一些基础的传感器知识,但当我深入阅读后,才发现它的视野远比我想象的要广阔。书中对不同类型的传感器的原理进行了细致的剖析,从化学传感器到物理传感器,再到生物传感器,都有涉及,并且着重强调了它们在构建电子鼻系统中的协同作用。我特别关注了书中关于传感器阵列设计的部分,了解了如何通过优化传感器的种类、数量和排列方式,来最大化系统的气味识别能力和区分度。此外,书中还详细介绍了信号处理和模式识别的技术,这对于理解电子鼻如何从海量的传感器信号中提取有意义的信息至关重要。我发现,这不仅仅是一本关于传感器的书,更是一本关于如何模拟人类嗅觉功能的系统工程的书。书中对机器学习和人工智能在电子鼻数据分析中的应用也进行了深入探讨,这让我对如何构建更智能、更鲁棒的电子鼻系统有了全新的认识。

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作为一名对新兴技术充满热情的研究生,我一直在寻找能够引导我进行前沿课题研究的书籍。《电子鼻系统原理及技术》这本书,正是这样一本宝贵的资源。它不仅提供了电子鼻系统设计的理论框架,更重要的是,它展示了许多实际的应用案例和研究方向。我对于书中关于传感器材料的最新进展以及它们在提高电子鼻灵敏度和选择性方面的潜力,感到非常兴奋。同时,书中对机器学习算法在电子鼻数据分析中的应用,也为我提供了许多新的思路。我了解到,如何选择合适的模型,如何进行有效的特征工程,以及如何处理传感器漂移等问题,都是在实际研究中需要重点关注的。这本书的深度和广度,为我未来在电子鼻领域的深入研究打下了坚实的基础。

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作为一名对创新科技和未来生活方式充满好奇的读者,我一直关注着那些能够改变我们日常生活的技术。《电子鼻系统原理及技术》这本书,无疑就是其中之一。我原本以为电子鼻只是一个听起来很酷的概念,但读完后,我才发现它已经悄然渗透到我们生活的方方面面,从食品安全到医疗诊断,再到环境保护,它的应用前景广阔得令人惊叹。书中对电子鼻系统构成要素的详细介绍,让我能够理解这项技术的实现原理,而书中对各种应用场景的深入剖析,则让我看到了这项技术是如何切实地解决现实问题,提升我们的生活品质。我尤其欣赏书中对未来发展趋势的展望,让我对电子鼻技术在未来可能扮演的角色充满了期待。

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作为一个在工业领域工作多年的工程师,我一直在寻找能够提高产品质量控制和生产效率的先进技术。当我在一次行业展会上看到关于电子鼻系统的介绍时,我立刻被它在快速、无损检测方面的潜力所吸引。而《电子鼻系统原理及技术》这本书,正好为我提供了深入了解这一技术的绝佳机会。书中详细介绍了电子鼻系统在不同工业场景下的应用,例如食品加工中的品质评估、医药制造中的原料鉴别、以及化工生产中的环境监测等。我尤其关注了书中关于如何针对特定工业需求设计和优化电子鼻系统的章节,这对于我将这项技术引入我自己的工作流程至关重要。书中对传感器选择、阵列布局、数据采集策略和模型训练的详细指导,都为我提供了宝贵的实践参考。我了解到,要成功部署一个电子鼻系统,不仅需要扎实的理论基础,还需要丰富的工程经验,而这本书恰恰兼顾了这两方面。

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说实话,我之前对“电子鼻”的了解非常有限,只知道它似乎是一种可以检测气味的机器。购买《电子鼻系统原理及技术》纯粹是出于好奇,但读完后,我才意识到自己之前是多么的“井底之蛙”。这本书彻底颠覆了我对气味感知的认知。书中关于气味分子与传感器相互作用的物理化学原理的讲解,让我恍然大悟,原来微小的气味分子竟然能与如此精密的材料产生如此丰富的化学反应。特别是关于传感器响应机制的阐述,让我了解了不同材料的电子、光学、质量等性质是如何随着气味分子的吸附而发生变化的。我被书中对传感器阵列设计的精妙之处深深吸引,作者似乎非常擅长将复杂的概念用清晰的逻辑呈现出来,让我能够一步步理解为何选择特定的传感器组合能带来更佳的识别效果。更让我惊叹的是,书中对数据采集、预处理和特征提取的深入讲解,揭示了如何将原始的传感信号转化为具有区分度的“气味指纹”。

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我对环境监测和可持续发展领域的研究一直抱有浓厚的兴趣,而气味污染和室内空气质量是其中非常重要的环节。偶然间看到了《电子鼻系统原理及技术》这本书,立刻被它在解决这些问题上的巨大潜力所吸引。书中详细介绍了电子鼻系统在检测和识别挥发性有机化合物(VOCs)等有害气体方面的应用,这对于我理解环境污染物的来源和扩散规律非常有帮助。我尤其关注了书中关于传感器选择和数据分析方法的部分,了解了如何通过电子鼻技术来实时监测空气质量,并为污染治理提供科学依据。书中展示的案例,让我看到了电子鼻在污染源追溯、环境风险评估等方面的实际价值。这本书为我提供了一个全新的工具和视角,来应对日益严峻的环境挑战。

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一直以来,我对人类的五感之一——嗅觉,充满了好奇。它如此神秘,又如此重要。《电子鼻系统原理及技术》这本书,恰好满足了我对这个领域的好奇心,并给了我一个全新的视角去理解嗅觉。我原本以为电子鼻只是简单的传感器堆砌,但读完后才发现,它是一门集传感器技术、信号处理、模式识别、以及人工智能于一体的综合性科学。书中关于传感器阵列的设计,让我看到了科学家们如何巧妙地利用不同材料的敏感性来捕捉复杂的气味信息。而信号处理和数据分析的部分,则揭示了如何将这些原始数据转化为有意义的“气味图谱”。我尤其喜欢书中对气味识别算法的讲解,让我能够理解电子鼻是如何通过学习和比对来区分不同气味的。这本书就像一本百科全书,让我对电子鼻系统的方方面面都有了深入的了解。

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这本书我早就想入手了,一直被它的名字吸引。虽然我对“电子鼻”这个概念之前只停留在科幻小说的层面,觉得它是一种能够嗅探各种气味的“机器鼻子”,但《电子鼻系统原理及技术》这个名字,立刻让我觉得它背后蕴藏着深厚的科学原理和前沿的技术。我预想这本书会像打开一扇通往全新感官世界的大门,让我了解那些肉眼看不见、但却真实存在的“味道”是如何被捕捉、分析和转化的。我期待它能深入浅出地解释电子鼻的每一个组成部分,从传感器阵列的多样性,到信号处理的复杂算法,再到数据解读的智能模型,每一个环节都应该有详尽的阐述。我希望它不仅能告诉我“是什么”,更能告诉我“为什么”,比如为什么特定的材料对某些气味特别敏感,为什么需要如此庞大的数据集来训练一个模型,以及在实际应用中,这些技术是如何克服干扰、提高准确性的。我尤其好奇书中会如何探讨电子鼻在环境监测、食品安全、医疗诊断等领域的应用案例,是否会有真实的实验数据和成果展示,让我看到这些看似高深的理论是如何落地生根,解决现实问题的。

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