Нейросетевые мультисенсорные системы газового анализа для контроля технологических процессов
Диссертация
Личный вклад автора. Общая постановка и обоснование задач исследований, обсуждение полученных результатов выполнены автором совместно с научным руководителем. Личный вклад автора заключается в разработке аппаратного и программного обеспечения, моделировании полупроводникового сенсора. Экспериментальные исследования проводились совместно с сотрудниками лаборатории физики полупроводниковых приборов… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Мультисенсорные системы газового анализа. Обзор литературы
- 1. 1. Сенсорные системы в газовом анализе
- 1. 2. Сенсоры применяемые в мультисенсорных газовых анализаторах
- 1. 2. 1. Характеристики сенсоров
- 1. 2. 2. Сенсоры на основе проводящих полимерных композитов
- 1. 2. 3. Сенсоры на полимерах с собственной проводимостью
- 1. 2. 4. Полупроводниковые сенсоры на основе оксидов металлов
- 1. 2. 5. Сенсоры на поверхностных акустических волнах
- 1. 2. 6. Сенсоры на объемных акустических волнах
- 1. 3. Классификация газоаналитических сенсорных систем
- 1. 3. 1. Классическая сенсорная газоаналитическая система
- 1. 3. 2. Газоапалитические системы на основе термоциклирования
- 1. 4. Методы обработки информации в сенсорных системах газового анализа
- 1. 4. 1. Предварительная обработка сигналов сенсоров
- 1. 4. 2. Редукция пространства признаков
- 1. 4. 3. Алгоритмы классификации
- 1. 5. Выводы
- Глава 2. Полупроводниковый газовый сенсор на основе оксида олова
- 2. 1. Проводимость полупроводникового сенсора
- 2. 2. Экспериментальное определение потенциального барьера
- 2. 3. Зависимость проводимости сенсора от концентрации газа
- 2. 4. Имитационная динамическая модель полупроводникового сенсора
- 2. 5. Моделирование проводимости сенсора в чистом воздухе и в присутствии анализируемого газа
- 2. 6. Выводы
- Глава 3. Мультисенсорная система газового аиализа
- 3. 1. Постановка задачи
- 3. 2. Стабилизация температуры сенсора
- 3. 2. 1. Непрерывная стабилизация
- 3. 2. 2. Импульсная стабилизация
- 3. 3. Способы измерения проводимости сенсора
- 3. 4. Управляющая программа микроконтроллера
- 3. 5. Понижение размерности входных данных
- 3. 6. Искусственные нейронные сети
- 3. 7. Выводы
- Глава 4. Применение МСГА
- 4. 1. Автоматизированная система научных исследований мультисеп-сорных систем газового анализа
- 4. 1. 1. Назначение системы
- 4. 1. 2. Управляющая программа
- 4. 1. 3. Программа обработки данных
- 4. 2. Применение мультисепсорпого газоанализатора для контроля технологических газовых сред в процессе промышленного синтеза полиэтилена
- 4. 2. 1. Постановка задачи
- 4. 2. 2. Автоматизация хроматографического контроля параметров ТП
- 4. 2. 3. Мультисенсорная система газового анализа для контроля технологических сред
- 4. 2. 4. Экспериментальная часть
- 4. 3. Мультигазоанализатор с использованием полупроводникового сенсора в режиме термоциклирования
- 4. 4. Выводы
- 4. 1. Автоматизированная система научных исследований мультисеп-сорных систем газового анализа
Список литературы
- Анисимов, О.В. Исследование отклика тонкопленочного сенсора на основе оксида олова в импульсном режиме для различных газов. / О. В. Анисимов, Н. К. Максимова, Е. Ю. Севастьянов, Е. В. Черников. // Известия вузов. Физика. — 2006. — № 3. — С. 186−187.
- Медянцев, Д.В. Автоматизированная информационная система хромато-графического контроля ацетилена / Медянцев Д. В., Замятин Н. В., Севастьянов Е. Ю., Пустовалов Д. С. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2004. № 8. — С. 12−14.
- Anisimov, O.V. The effect of humidity and environment temperature on thin film Pt/SnO2: Sb gas sensors / O.V. Anisimov, N.K. Maksimova,
- E.V. Chernikov, E.Y. Sevastyanov, N.V. Sergeychenko // IEEE International Siberian Conference on Contriol and Communications (SIBCON-2007). Proceedings. 2007. — P. 203−206.
- Фарзаие.Н. Г. Автоматические детекторы газов. / Н. Г. Фарзане, JI.B. Иля-сов. М.: Энергия, 1972. — 168 с.
- Салль, А. О. Инфракрасные газоаналитические измерения./А.О. Салль. — М.: Издательство стандартов, 1971. — 100 с.
- Nagle, Н.Т. The how and why of electronic noses / H.T. Nagle, R. Gutierrez-Osuna, S.S. Schiffman // IEEE Spectrum. 1998. — V. 35. — P. 22−31.
- Luoa, Dehan. Application of ANN with extracted parameters from an electronic nose in cigarette brand identification / Dehan Luoa, H. Gholam Hosseini, John R. Stewart // Sensors and Actuators B. — 2004. — V. 99. — P. 253−257.
- Maekawa, Toru. Odor identification using SnCVbased sensor array. / Toru Maekawa, Kengo Suzuki, Tadashi Takada, Tetsushiko Kabayushi, Makoto Egashira. // Sensors and Actuators B. 2001. — V. 80. — P. 51−58.
- Ampuero.S. The electronic nose applied to dairy products: a review. / S. Ampuero, J.O. Bosset. // Sensors and Actuators B. 2004. — V. 94 — P. 1−12
- Singh, Sameer. Fuzzy neural computing of coffee and tainted-water data from an electronic nose. / Sameer Singh, Evor L. Hines and Julian W. Gardner // Sensors and Actuators B. 1996. — V. 30. — P. 185−190.
- Dutta.Ritaban. Tea quality prediction using a tin oxide-based electronic nose: an artificial intelligence approach. / Ritaban Dutta, E. L. Hines, J. W. Gardner, K. R. Kashwan, M. Bhuyan. // Sensors and Actuators B. 2003. — V. 94. — P. 228−237.
- Chaudry, A.N. A method for selecting an aptimum sensor array. / A.N. Chaudry, T.M. Hawkins, P.J. Travers. // Sensors and Actuators B. — 2000. V. 69. — 236−242.
- Romain, A.-C. Three years experiment with the same tin oxide sensor arrays for identification of malodorous sources in the environment. / A.-C. Romain, Ph. Andre, J. Nicolas. // Sensors and Actuators B. 2002. — V. 84. — 271−277.
- Munoz.B.C. Conductive polymer-carbon black composites-based sensor arrays for use in an electronic nose. / B.C. Munoz, G. Steinthal, S. Sunshine. // Sensor Review. 1999. — V. 19. — P. 300−305.
- Arshak, K. A review of gas sensors employed in electronic nose applications. / K. Arshak, E. Moore, G.M. Lyons, J. Harris, S. Clifford. // Sensor Review.- 2004. V. 24. — P. 181−198.
- James, D. Chemical Sensors for Electronic Nose Systems. / D. James, S. M. Scott, Z. Ali, and W. T. O’Hare. // Microchimica Acta. 2005. — V. 149. -P. 1−17.
- Hatfield, J.V. Towards an integrated electronic nose using conducting polymer sensors. / J. V. Hatfield, P. Neaves, P. J. Hicks, K. Persaud, P. Travers. // Sensors and Actuators B. 1994. — V. 18. — P. 221−228.
- Hodgins.D. The development of an electronic «nose» for industrial and environmental applications. / D. Hodgins. // Sensors and Actuators B. — 1995.- V. 27. P. 255−258.
- Garcia-Guzman, J. Design and simulation of a smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring. / J. Garcia-Guzman, N. Ulivieri, M. Cole and J. W. Gardner. // Sensors and Actuators B. 2003. — V. 95. — P. 232−243.
- Мясников, И.А. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях./ И. А. Мясников, В. Я. Сухарев, Л. Ю. Куприянов. — М.: Наука, 1991. 327 с.
- Barsan, N. Fundamental and practical aspects in the design of nanoscaled Sn02 gas sensors: a status report. / N. Barsan, M. Schweizer-Berberich, W. Gopel. // Fresenius J Anal Chem. 1999. — V. 365. — P. 287−304.
- Figaro: датчики газов.-М.: Изд. дом «Додэка-XXI», 2002. — вып.30. 64 с.
- Batzill, М. The surface and materials science of tin oxide. / M. Batzill, U. Diebold // Progress in Surface Science. 2005. — V. 75. — P. 47−154.
- Comparison of the reduction of metal oxide surfaces: Тг'02-anatase, ТЮ2-rutile and SnCVrutile. / A. Bouzoubaa, A. Markovits, M. Calatayud, C. Minot 11 Surface Science. 2005. — V. 583. — P. 107−117.
- Аписимов, О. В. Электрические и газочувствительные характеристики полупроводниковых сенсоров на основе тонких пленок Sn02'. — Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических на-ук:24.05.07 / О. В. Анисимов -2007, — 181 с.
- Siinona, I. Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance / I. Simona, N. Barsan, M. Bauera, U. Weimar // Sensors and Actuators B. 2001. — V. 73. — P. 1−26.
- Kamp, B. Chemical diffusion of oxygen in tin dioxide: Effects of dopants and oxygen partial pressure. / B. Karnp, R. Merkle, R. Lauck, J. Maier // Journal of Solid State Chemistry. 2005. — V. 178. — P. 3027−3039.
- Cabot, A. Analysis of the catalytic activity and electrical characteristics of different modified Sn02 layers for gas sensors. / A. Cabot, A. Vila, J.R. Morante. // Sensors and Actuators B. 2002. — V. 84. — P. 12−20.
- Волькенштейп, Ф.Ф. Электронные процессы па поверхности полупроводников при хемосорбции. / Ф. Ф. Волькенштейн.— М.: Наука, 1987. — 432 с.
- Heiland, G. Physical and chemical aspects of oxidic semiconductor gas sensors. / G. Heiland, D. Kohl. // Chemical Sensor Technology. / Ed. T. Seiyama. -Kodansha/ Elsevier, Tokyo/ Amsterdam. 1988. V. 1. — P. 15−38.
- McAleer, J.F. Tin dioxide gas sensors./J.F. McAleer, P.T. Moseley. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1987. — V. 83. — P.1323 — 1346.
- Nakata, Satoshi. Characteristic responses of a semiconductor gas sensor depending on the frequency of a periodic temperature change. / Satoshi Nakata, Hirokazu Okunishi. // Applied Surface Science. 2005. — V. 240. — P. 366−374.
- Khlebarov, Z.P. Surface acoustic wave gas sensors / Z.P. Khlebarov, A.I. Stoyanova, and D.I. Topalova // Sensors and Actuators B. — 1992. — V. 8 P. 33−40.
- Yang, Yan-Ming. Electronic nose based on SAWS array and its odor identification capability. / Yan-Ming Yang, Peng-Yuan Yang, Xiao-Ru Wang. /7 Sensors and Actuators B. 2000. — V. 66. — P. 167−170.
- Yadava, R.D.S. Solvation, transduction and independent component analysis for pattern recognition in SAW electronic nose. / R.D.S. Yadava, R. Chaudhary. // Sensors and Actuators B. 2006. — V. 113. — P. 1−21.
- Joo, Byung-Su. Fabrication of polymer SAW sensor array to classify chemical warfare agents. / Byung-Su Joo, Jeung-Soo Huh, Duk-Dong Lee. /'/ Sensors and Actuators B. 2007. — V. 121. — P. 47−53.
- Bargon, J. Determination of the ripening state of Ernmental cheese via quartz microbalances. / J. Bargon, S. Brascho, J. Florke, U. Herrmann, L. Klein, J.
- W. Loergen, M. Lopez, S. Marie, A. H. Parham, P. Piacenza, H. Schaefgen, C. A. Schalley, G. Silva, M. Sclilupp, H. Schwierz, F. Vogtle, G. Windscheif. // Sensors and Actuators B. 2003. — V. 95. — P. 6−19.
- Daqi.Gao. An electronic nose and modular radial basis function network classifiers for recognizing multiple fragrant materials. / Gao Daqi, Wang Shuyan, Ji Yana. // Sensors and Actuators B. 2004. — V. 97 — P. 391−401.
- Martin. M.A. Application of artificial neural networks to calculate the partial gas concentrations in a mixture / M.A. Martin, J.P. Santos, J.A. Agapito. // Sensors and Actuators B. 2001. — V. 77. — P. 468−471.
- Nakata, S. Non-linear dynamic responses of a semiconductor gas sensor: Evaluation of kinetic parameters and competition effect on the sensor response. / S. Nakata, K. Takemura, K. Neya. // Sensors and Actuators B. — 2001. — V. 76. P. 436−441.
- Huanga, Xingjiu. Rectangular mode of operation for detecting pesticide residue by using a single Sn02-based gas sensor. / Xingjiu Huanga, Jinhuai Liu, Dongliang Shao, Zongxin Pi, Zengliang Yu. // Sensors and Actuators B. 2003. — V. 96. — P. 630−635.
- Burresi, A. Dynamic CO recognition in presence of interfering gases by using one MOX sensor and a selected temperature profile. / A. Burresi, A. Fort, S.
- Rocchi, В. Serrano, N. Ulivieri, V. Vignoli. // Sensors and Actuators B. — 2005. V. 106. — P. 40−43.
- Jerger.A. New applications of tin oxide gas sensors: II. Intelligent sensor system for reliable monitoring of ammonia leakages. / A. Jerger, H. Kollier, F. Becker, H. B. Keller, R. Seifert. // Sensors and Actuators B. 2002. — V. 81. — P. 301−307.
- Bermak, A. Encyclopedia of Sensors, 10-Volume Set. Pattern Recognition Techniques for Odor Discrimination in Gas Sensor Array. / A. Bermak. S. B. Belhouari, M. Shi, D. Martinez. // American Scientific Publishers. — 2005.
- Maziarz, W. Dynamic response of a semiconductor gas sensor analysed with the help of fuzzy logic. / W. Maziarz, P. Potempa, A. Sutor, T. Pisarkiewicz // Thin Solid Films. 2003. — V. 436. — P. 127−131.
- Gutierrez-Osuna, R. Transient response analysis of an electronic nose using multi-exponential models. / R. Gutierrez-Osuna, H. Troy Nagle, S. S. Schiffman. // Sensors and Actuators B. 1999. — V. 61. — 170−182.
- Gajdosik, L. The concentration measurement with SnO2 gas sensor operated in the dynamic regime. / L. Gajdosik. // Sensors and Actuators B. — 2005. — V. 106. 691 699.
- Gutierrez-Osuna, R. Transient response analysis for temperature-modulated cheinoresistors. / R. Gutierrez-Osuna, A. Gutierrez-Galvez, N. Powar. /'/' Sensors and Actuators B. 2003. — V. 93. — P. 57−66.
- Главные компоненты и факторный анализ. Электронный учебник StatSoft. — Режим доступа: http://www.statsoft.ru/home/textbook/modules/stfacan.html
- Lee, Dae-Sik. Recognition of volatile organic compounds using SnO2 sensor array and pattern recognition analysis. / Dae-Sik Lee, Jong-Kyong Jung, Jun-Woo Lim, Jueng-Soo Huh, Dug-Dong Lee. // Sensors and Actuators B. — 2001. V. 77. — 228−236.
- Ким Дж.-О., Факторный, дискриминаптный и кластерный анализ: Пер с англ./Ким Дж.-О.и др. — М.: Финансы и статистика, 1989. — 219 с.:ил.
- Tomchenko, Detection of chemical warfare agents using nanostructured metal oxide sensors. / A. A. Tomchenko, G. P. Harmer, В. T. Marquis. // Sensors and Actuators B. 2005. — V. 108. — P. 41−55.
- Нейронные сети. Электронный учебник StatSoft. Режим доступа: http://www.rl7.bmstu.ru / rus/Library/TextBook/modules/stneunet.html
- Ежов.А. А. Нейрокомпьютинг и его применения в экономике и бизпе-се./А.А. Ежов, С. А. Шумский. М.: МИФИ, 1998. — 224 с.
- Chambon.L. A metallic oxide gas sensor array for a selective detection of the CO and NH3 gases. / L. Chambon, J. P. Germain, A. Pauly, V. Demarne, A. Grisel. // Sensors and Actuators B. 1999. — V. 60. — P. 138−147.
- Уоссермен, Ф. Нейрокомпьютерная техника: теория и практи-ка./Ф.Уоссермен М.: Мир, 1992. — 127 с.
- Горбапь, А. Н. Нейроинформатика. / А. Н. Горбань, B.JI. Дупип-Барковский, А. Н. Кирдин, С. А. Терехов и др. — Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. — 296 с.
- Ивахнеико, А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей сложных систем./ А. Г. Ивахненко, — Киев: Наук, думка, 1981. — 296 с.
- Ивахненко, А.Г. Помехоустойчивость моделирования./ А. Г. Ивахненко, B.C. Степашко Киев: Наук, думка, 1985. — 216 с.
- Shu Ji Qin, A new approach to analyzing gas mixtures. / Shu Ji Qin, Zhong Ji Wu. // Sensors and Actuators B. 2001. — V. 80. — P. 85−88.
- Morrison, S. R. Selectivity in semiconductor gas sensors. / S. R. Morrison. // Sensors and Actuators. 1987. — V. 12. — P. 425−440.
- Yo Kato. A real-time intelligent gas sensor system using a nonlinear dynamic response Pages 514−520 Yo Kato and Toshiharu Mukai —Sensors and Actuators В 120 (2007) 514−520 Определение потенциального барьера методом скачка температуры
- Гаман, В.И. Газовые сенсоры на основе тонких пленок диоксида олова: Метод, пособие / Сост. В.И. Гаман- Том. гос. ун-т. — Томск, 2002. — 15 с.
- Schmid, W. Sensing of hydrocarbons with tin oxide sensors: possible reaction path as revealed by consumption measurements. / W. Schmid, N. Barsan, U. Weimar. // Sensors and Actuators B. 2003. — V. 89. — P. 232−236.
- Korotcenkov, G. Kinetics of gas response to reducing gases of Sn02 films, deposited by spray pyrolysis. / G. Korotcenkov, V. Brinzari, V. Golovanov, Y. Blinov. // Sensors and Actuators B. 2004. — V. 98. — P. 41−45.
- Анисимов, О.В. Электрические и газочувствительные свойства резистив-ного тонкоплепочного сенсора на основе диоксида олова. / О. В. Анисимов, В. И. Гаман, Н. К. Максимова, С. М. Мазалов, Е. В. Черников. // ФТП. — 2006. Т. 40, Вып. 6. — С. 724 — 729.
- Ionescu, R. Response model for thermally modulated tin oxide-based microhotplate gas sensors. / R. Ionescu, E. Llobet, S. Al-Khalifa, J.W. Gardner, X. Vilanova, J. Brezmes, X. Correig. // Sensors and Actuators B. — 2003. — V. 95. P. 203−211.
- Ding.Junhua. Surface state trapping models for? faCVbased microhotplate sensors. / Junhua Ding, T. J. McAvoy, R. E. Cavicch, S. Semancik. // Sensors and Actuators B. 2001. — V. 77. — P. 597−613.
- Liobet, E. Electrical equivalent models of semiconductor gas sensors using PSpace. / E. Liobet h? p. // Sensors and Actuators B. — 2001. — V. 77. 275−280.
- Saukko, S. Experimental studies of O2ST1O2 surface interaction using powder, thick films and monocrystalline thin films. / S. Saukko h flp. // Thin Solid Films. 2005. — V. 490. — P. 48−53.
- Pulkkinen, U. Kinetic Monte Carlo simulation of oxygen exchange of SnO2 surface. / U. Pulkkinen, T. T. Rantala, T. S. Rantala, V. Lantto. // Journal of Molecular Catalysis A. 2001. — V. 166. — P. 15−21.
- AD7533 CMOS low power 10-bit multiplying DAC. Analog Devices, Inc. 1991.
- ADS7816 12-Bit High Speed Micro Power Sampling analog-to-digital converter. Burr-Brown Corporation. 1996.
- ADC121S625 12-Bit, 50 ksps to 200 ksps, Differential Input, Micro Power Sampling A/D Converter. National Semiconductor Corporation. 2005.
- ATmega8/ATmega8L 8-bit AVR with 8K Bytes In-Systein Programmable Flash. Atmel Corporation. 2003.
- AD7731 Low Noise, High Throughput 24-Bit Sigma-Delta ADC. Analog Devices, Inc. 1997.
- AD8551/AD8552/AD8554 Zero-Drift, Single-Supply, Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifiers. Analog Devices, Inc. 1999.
- AD7792/AD7793 3-Channel, Low Noise, Low Power, 16/24-BitS-A ADC with Oil-Chip In-Amp and Reference. Analog Devices, Inc. 2005.
- TS555 low power single CMOS timer. STMicroelectronics. 2003.
- Neural networks, principal components, and subspaces. / E. Oja. // Interanational Journal of Neural System. — 1989. — V. 1. — P. 61−68.
- Мудров, A.E. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран, Паскаль./А.Е.Мудров Томск: МП «РАСКО», 1991. — 272 е.: ил.
- Cook, R. D. A Comparison of Algorithms for Constructing Exact D-Optimal Designs. / R. D. Cook, C. J. Nachtsheim. // Technometrics. 1980. — V. 22, No. 3 — P. 315−324.
- Johnson, M.E. Some Guidelines for Constructing Exact D-Optimal Designs on Convex Design Spaces. / M.E. Johnson, C.J. Nachtsheim. // Technometrics. 1983. — V. 25, No. 3 — P. 271−277.
- Гольберт, К.А. Введение в газовую хроматографию. 3-е изд. перераб. и доп./ К. А. Гольберт, М. С. Вигдергауз — М.:Химия, 1990
- Хроматограф промышленный унифицированный ХПУ-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 5Е1.550.146 Т04.