模式識(shí)別在氣體樣品分類中的應(yīng)用研究.pdf

1、人工電子鼻系統(tǒng)能夠代替人類的嗅覺對(duì)氣味進(jìn)行識(shí)別，它可以代替人類在危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行氣味識(shí)別任務(wù)，可以對(duì)食品品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，也可以將其運(yùn)用在國(guó)家安全領(lǐng)域，如防止恐怖分子進(jìn)行炸彈襲擊。人工電子鼻系統(tǒng)是當(dāng)前仿生學(xué)研究的一個(gè)方向。 本文對(duì)人工電子鼻系統(tǒng)中的模式識(shí)別方法進(jìn)行研究。文中使用商用氣體傳感器搭建測(cè)試平臺(tái)，采集數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行模式識(shí)別分析，主要的研究工作如下： 1.使用5個(gè)Figaro公司生產(chǎn)的不同型號(hào)的氣體傳感器構(gòu)成陣列，將氣體

2、傳感器的電導(dǎo)信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)變化； 2.在LabVIEW中自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序，配合PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡對(duì)氣體傳感器調(diào)理電路中參考電阻上輸出的電壓信號(hào)變化量進(jìn)行采集，將獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為Excel能夠讀取的lvm文件； 3.氣體樣本采集實(shí)驗(yàn)中對(duì)丙酮樣品和乙醛樣品(A組)的揮發(fā)性氣體各進(jìn)行150次實(shí)驗(yàn)，獲得300組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；此外自行配制體積比均為31％的甲醇溶液和二鍋頭溶液(B組)，對(duì)它們的揮發(fā)氣體進(jìn)行100次數(shù)

3、據(jù)采集； 4. 為了降低數(shù)據(jù)維數(shù)，避免“維數(shù)災(zāi)難”，對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)提取，從每次實(shí)驗(yàn)1，500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中提取出25個(gè)特征點(diǎn)來(lái)表征一種氣體樣品，并將結(jié)果提供給模式識(shí)別算法進(jìn)行分類實(shí)驗(yàn)； 5.總體分析三大類模式識(shí)別方法的基本原理。從中選取三種方法：線性判別函數(shù)法、聚類分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，進(jìn)一步分析這三種方法的計(jì)算原理和步驟。將這三種方法分別運(yùn)用到A組和B組的分類實(shí)驗(yàn)中，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法還使用多種訓(xùn)練函數(shù)，討論

4、不同訓(xùn)練算法對(duì)訓(xùn)練速度和對(duì)未知樣本分類效果的影響，最終得出結(jié)論：三種方法對(duì)前一組樣品能夠正確分類，對(duì)后一組樣品無(wú)法正確分類； 6.對(duì)三種模式識(shí)別方法的優(yōu)劣進(jìn)行分析和對(duì)比，得出結(jié)論：在數(shù)據(jù)維數(shù)低的情況下，線性判別函數(shù)法和聚類分析法能夠快速地分類，因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)單，但是當(dāng)維數(shù)增加時(shí)，由于線性判別函數(shù)法需要對(duì)矩陣求逆，聚類分析法如果選擇較為復(fù)雜的相似性測(cè)度函數(shù)，二者的計(jì)算量會(huì)增加，致其不再具備快速簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度的非線性

5、，在理論上能夠接近任意曲面，但是計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算量大，不容易用程序代碼實(shí)現(xiàn)。本文實(shí)驗(yàn)最合適的方法是聚類分析法。 本文的主要特色： 1. 自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集軟件，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)測(cè)量過程中參考電阻輸出電壓隨氣體濃度變化的曲線，在將采集獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel后，可以清晰繪制不同氣體樣品的“圖譜”； 2.設(shè)計(jì)半開放的實(shí)驗(yàn)氣室，充分利用氣體樣品的動(dòng)態(tài)信息，為識(shí)別增加信息量，同時(shí)也加快實(shí)驗(yàn)的速度； 3.特征數(shù)據(jù)提取過