复杂条件下新型石英压电传感器振动数值模拟及模式识别系统研究

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依据石英压电谐振器原理(Quartz Crystal Microbalance, QCM原理),本文设计了一种应用于挥发性气体检测的新型聚合物石英压电传感器,其以具有压电效应的AT切型石英晶振片为基体,利用“真空电子束色散(EBD)镀膜技术”在基体表面蒸镀对气体具有物理吸-脱附作用的聚合物薄膜而制成的三层圆盘结构;通过对酒类产品挥发性气体成分分析、聚合物薄膜材料选择及制备工艺研究,制成了应用于酒类产品鉴别的新型聚合物石英压电传感器及阵列,并经过对后端电路系统、气路传输系统的合理设计,得到了新型聚合物石英压电传感系统,完成对待测物质挥发性气体的信号采集:针对新型聚合物石英压电传感系统所采集的酒类产品特征信息,利用以基于滑动平均和线性判别分析为基础的新型模式识别系统建立了酒类产品的模板数据,实现了对酒类产品检测的目的。上述新型聚合物石英压电传感系统中,具有高灵敏度的新型聚合物石英压电传感器及与传感器高效组合的模式识别系统是其关键。新型聚合物石英压电传感器在实际使用中存在镀膜厚度不均匀、薄膜存在缺陷、石英表层受到湿度及腐蚀等的现象,严重影响新型聚合物石英压电传感系统检测性能;此外,现有的模式识别算法无法与新型聚合物石英压电传感器频率信号相匹配,使得频率信号中的有用信息无法最大限度得到挖掘。针对上述问题,本文从新型聚合物石英压电传感器的振动分析及其在酒类产品分类鉴别中的模式识别算法研究两方面开展了研究,获得了具有高灵敏度的新型聚合物石英压电传感器及与传感器高效组合的模式识别系统。因此,本文的研究内容具体包括:1)综述了石英压电传感器的振动分析及电子鼻系统中模式识别系统的研究现状,提出以气敏传感器阵列为基础的气体信息采集系统及以模式识别为基础的后端电路系统对电子鼻检测结果的准确率起到决定性的作用。2)针对酒类产品检测,优化新型聚合物石英压电传感器系统并研发出8通道的传感器阵列,设计开发出应用酒类产品鉴别的新型聚合物石英压电传感系统。3)针对新型聚合物石英压电传感器在实际使用中存在镀膜厚度不均匀、薄膜存在缺陷、石英表层易受湿度及腐蚀等影响的现象,建立了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜缺陷尺寸、含缺陷的薄膜厚度、湿度、石英腐蚀层厚度等因素的力学模型,并利用ANSYS有限元软件对其进行模态分析,从中提取了相关振型及频率,利用数值方法得到了薄膜缺陷尺寸、含缺陷的薄膜厚度、湿度、石英腐蚀层厚度对新型聚合物石英压电传感器振动频率的影响规律。4)针对应用于酒类产品检测的8通道新型聚合物石英压电传感系统采集到的频率信号,利用最小二乘法对其分析并得到酒类产品特征信息;通过对多种模式识别方法研究,建立了应用于酒类产品检测的8通道新型电子鼻系统的一种基于滑动平均和线性判别分析的新型模式识别系统,得到了11种酒类产品的模板数据库。基于上述模式识别系统对3种酒类产品的检测结果显示,新型模式识别系统能够有效区分中国白酒。本文从理论、实验、数值分析等三个方面对新型聚合物石英压电传感器的振动分析及在酒类产品分类鉴别中的应用的模式识别系统进行了深入研究,是本课题组所开展的“化学物质敏感的亲和型聚合物材料和压电传感系统的研究及在食品安全领域的应用”课题的重要组成部分,对压电传感技术、电子鼻技术、模式识别技术等领域的发展起到一定的积极作用。
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