基于声表面波传感器的电子鼻比例信息检测与识别技术

摘要

化学通讯广泛存在于生物个体间，它是一种不依赖声、光、电的通讯系统。模仿昆虫的化学通讯系统，探索工程上实现利用以化学物质作为信息传播媒介的通讯技术，是近年来的热点。昆虫的化学通讯的信息媒介往往是精确比例的不同种类的气味分子的组合，系统的实现比例信息的传输是化学通讯的重要技术。本文基于现有的技术——电子鼻，开展比例信息检测和识别技术的研究。
　　通过对实果蝇的主要宿主的挥发物混合物进行分析，选择了两种分子结构具有明显差别的挥发物:异戊醇和乙酸乙酯，并将二者的混合物作为化学通讯的信息载体。选用了262MHz的ST方向-切割的石英基底的瑞利型声表面波传感器，基于被测的挥发物选择了四种聚合物材料:聚已酸内酯、聚乙烯咔唑、聚乙烯-醋酸乙烯酯和聚苯乙烯-丁二烯，并用喷涂的方法制备了传感器的敏感涂层。以此为基础搭建了具有完整的比例编码与发射、传递、比例接收与解码功能的化学通讯的比例信息传输系统。其中，采用了2种浓度、7种比例的共计14种混合气体作为比例化学通讯的信息载体。将人工腺体微腔中的两种液体混合，并使用注射泵自动控制它们的成分比例，完成比例信息编码。以传感器阵列的频率偏移为特征，对实验结果进行了主成分分析，表明基于聚合物涂层的声表面波传感器电子鼻系统能够成功的将不同比例聚类清楚区分，达到了比例信息解码的目的。
　　在很多情况下，用于化学通讯比例信息传输的声表面波传感器的表面需要裸露在空气中，易于吸附和沉积可悬浮颗粒物，为了探讨空气中的悬浮颗粒对于声表面波传感器的影响，本文参考石英晶体为天平对于颗粒物的耦合模型，建立声表面波传感器与颗粒物的耦合模型，并且，选用了尺度在可悬浮颗粒物范围内的淀粉颗粒物对声表面波传感器对于加载颗粒物进行了实验。结果表明，对于较大尺寸的类球状颗粒物，悬浮颗粒物与声表面波传感器发生了弱耦合，声表面波传感器测量到的是耦合界面的接触刚度，而不再是颗粒带来的质量增量，传感器将发生正的频率偏移，并与颗粒半径的2/3次方的和成线性关系。
　　昆虫依赖其嗅觉中继站——触角叶(AL)，能够很好的区分植物通用气体组成的比例混合挥发物。本文基于生物学对于昆虫AL的研究成果，以其网络拓扑结构为依据搭建了用于处理比例信息的仿生人工AL神经网络。由于生物学上对于具体的连接强度仍然未知，仅仅清楚连接的抑制/激发性，本文设计了4种嗅觉感受神经元(ORN)与本地神经元(LN)的连接策略，在LN-LN间对称/非对称的架构下，以声表面波传感器测得的实验结果作为人工AL的刺激信号，计算了人工AL对于比例信息检测的响应并分析了其动力学特性。结果表明，在剂量固定的条件下，不论是否采用LN-LN对称连接的架构，采用二次保留敏感性选择性策略的人工AL能够对比例信息合理的编码，AL的输出在主成分空间中对不同比例产生更加紧致的聚类，从而拥有更大的编码空间，有利于提高化学通讯系统的传输速率。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 昆虫化学通讯系统简介

1．2．1 大分子化学信息的化学通讯

1．2．2 小分子化学信息的化学通讯

1．2．3 昆虫的化学通讯系统

1．3 仿生化学通讯技术的国内外研究状况

1．3．1 功能等效的人工化学通讯模块

1．3．2 人工化学通讯系统

1．4 电子鼻技术

1．4．1 仿生电子鼻与人类嗅觉

1．4．2 气敏传感器技术

1．5 论文的主要工作

2 基于聚合物涂层的声表面波传感器阵列的设计与制作

2．1 比例化学信息的载体与敏感涂层材料的选择

2．1．1 实果蝇宿主植物的化学成分

2．2．2 比例化学信息物的选择与线性溶化能量关系

2．1．3 敏感涂层材料的选择

2．2 声表面波传感器频率特性与实时测量方法

2．2．1 声表面波传感器的选择准备

2．2．2 声表面波传感器的频率特性

2．2．3 262MHz声表面波传感器的频率特性

2．2．4 声表面波传感器的实时测量方法

2．3 声表面波传感器的频率测量电路的设计

2．3．1 262MHz声表面波传感器

2．3．2 聚合物薄膜涂层的制作

2．3．3 振荡电路的传感器阵列的设计和制作

2．4 本章小结

3 比例信息化学通讯平台搭建与比例信息解码分析

3．1 比例信息传输的化学通讯的实验平台

3．2 传感器阵列对3M和EA的响应

3．3 比例信息化学通讯实验及结果分析

3．4 基于测量结果的比例信息解码分析

3．4．1 测量结果的简单线性分析

3．4．2 测量结果的主成分分析

3．5 本章小结

4 弱耦合环境下悬浮颗粒物对声表面波传感器特性影响分析

4．1 悬浮颗粒物与声表面波传感器

4．2 颗粒物-声表面波传感器的耦合模型

4．2．1 颗粒物-声表面波传感器的耦合模型的扰动理论

4．2．2 颗粒物-声表面波传感器的耦合刚度

4．2．3 弱耦合条件下的频率扰动方程

4．3 声表面波传感器的颗粒物加载试验

4．3．1 基于声表面波传感器的测量系统与淀粉颗粒物

4．3．2 试验步骤

4．4 颗粒物影响试验与结果分析

4．5 本章小结

5 比例气体识别的人工嗅觉神经网络设计

5．1 神经元模型的选择

5．1．3 FitzHugh-Nagumo神经元

5．1．4 积分放电神经元

5．1．5 基于神经脉冲激发频率的神经元模型

5．1．6 神经元的选择

5．2 神经元模型

5．2．1 ORN模型

5．2．2 LN与PN模型

5．3 神经网络拓扑结构

5．3．1 总体架构

5．3．2 ORN到LN的连接

5．3．3 LN与LN的连接

5．4 网络动力学特性

5．4．1 LN之间对称连接的AL网络

5．4．2 LN之间非对称连接的AL网络

5．5 人工AL神经网络对于不同比例气体的区分结果

5．6 本章小结

6 结束语

6．1 全文总结

6．2 存在的问题和展望

致谢

参考文献

附录