基于电子鼻的空气中可挥发有机物分析

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空气中可挥发有机物(Volatile Organic Compounds,简称VOCs)是环境污染的主要来源,给人类的身体健康和生命安全带来严重威胁。对它们实现在线、原位、实时监测极其重要,电子鼻则是最有前途的解决方案。本文采用由4个Figaro公司商用TGS传感器和9个掺杂不同元素的ZnO传感器组成的阵列,在温湿度恒定的情况下,采用动态测量法,对5个不同浓度点的16种VOCs进行了单一测试,同时对三组二元混合气体进行了测试。 对单一气体测试结果进行了敏感特性分析和主成分分析(Principle Component Analysis,简称PCA)。敏感特性分析结果显示,敏感度随着气体浓度的增加而增加,而且在浓度较小时增加较快,随着浓度增大,增幅逐渐减小。同时发现,ZnO传感器适合测量除烷类外的其他气体,而TGS传感器则较适合测量烷类,不太适合测量醇类。另外,对掺杂不同元素的传感器比较分析得到,掺杂量为5wt.%时,敏感度和选择性是最好的。PCA分析表明,在浓度较低时,传感器响应区别很小,但是随着浓度的增加,传感器对气体的响应逐渐产生差异,并且呈现出一定的规律。 对二元混合气体的敏感特性分析显示,二甲苯和甲苯具有一定的加和性,两者相互没有抑制作用。而苯和甲醇则可以对乙醇的敏感度起到一定的抑制作用,但最终不能阻止其高敏感度的特性。另外,对于相同的混合气体及浓度,不同测试方法的敏感特征变化趋势是一致的,包括响应的上升阶段、稳定阶段和恢复阶段。 分别选择6个敏感特性较好的ZnO传感器,提取稳态敏感度为特征,采用BP-ANN算法对12种VOCs进行了定性识别,结果显示,定性识别率高达93.1%,其中,有9种气体的识别率达到100%;对二元混合气体的分析提取动态敏感度为特征,采用BP-ANN算法对三组混合气体进行了识别,识别率能高达100%。 最后,利用单一识别时选择的传感器,以稳态敏感度为特征,分别采用MLR和BP-ANN算法对6种VOCs进行了定量分析,结果表明,BP-ANN定量分析的精度远高于MLR,其绝对误差均不超过15ppm,多数误差都在10ppm以内,平均相对误差分别为10.2%、11.6%、4.8%、14.9%、13.2%、14.8%,都在15%以下,可以满足实际需求。
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