基于两电极体系的电子舌设计与应用研究

摘要

本文主要描述了一种基于两电极系统的伏安法电子舌，设计了可以用于水质检测的溶液特性分析仪。
　　 本课题的主要研究工作和创新之处主要包括如下几方面：
　　 在原理方面，介绍了电子舌系统常用的传感器和检测方法，重点介绍了本研究采用的金属裸电极阵列和电化学伏安法的检测原理，并创新性地提出了两电极系统，弥补了传统电化学三电极系统的寿命短，对维护有很高的要求，且在食品工业领域有应用限制等缺点，并且电极结构简单、坚固、易于维护，且成本低。
　　 在检测器设计方面，设计了溶液特性分析仪，介绍了分析仪的硬件电路结构和软件系统实现等内容。针对本研究的电极阵列，设计了电极选择和调理电路及高精度程控放大电路，达到了系统的高精度低噪声的要求。
　　 在数据处理方面，针对原始数据冗余量大的实际情况，运用特征值提取和主成分分析(PCA)，将有效的测量信息降维压缩到几个主成分中。为了使电子舌能具有定量分析和测量功能，采用偏最小二乘法和LM-BP神经网络建立了定量分析的数学模型。
　　 在实验方面，以不同品牌纯净水和矿泉水、不同电导率的NaCl溶液、不同重金属含量的水溶液和不同浓度的COD溶液作为实验对象。对水质区分和电导率检测实验进行主成分分析，区分不同品牌样本和不同电导率的水溶液，验证本系统对不同水质的区分能力；对于电导率测量实验，使用主成分分析算法，可以明确区分电导率不同的NaCl溶液，通过偏最小二乘法建立的预测模型，表明该电子舌系统结合PLS可以很好的预测电导率。对于COD溶液检测实验，系统对未知COD值溶液进行预测，对于大部分的COD值溶液，外推结果优于三电极体系的电子舌系统，表明该电子舌系统可以应用于水质COD浓度的监测中，为水环境监测提供了新的检测方法。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 电子舌概述

1.1.1 国外电子舌研究现状

1.1.2 国内电子舌研究现状

1.2 本课题意义与目标

1.2.1 本课题意义

1.2.2 本课题目标

1.2.3 本课题研究内容

2 电子舌传感器及检测方法研究

2.1 常用电子舌介绍

2.1.1 电位分析的传感器

2.1.2 伏安分析的传感器

2.1.3 光学分析的传感器

2.2 溶出伏安法

2.3 三电极与两电极电子舌

3 电子舌系统的硬件设计

3.1 传感器阵列

3.2 USB2.0微控制器介绍

3.3 信号激励与采集模块

3.3.1 输出信号和电极的选择

3.3.2 正弦信号发生电路

3.3.3 高精度放大电路设计

4 电子舌系统的软件设计

4.1 电子舌系统下位机控制程序介绍

4.1.1 USB体系简介

4.1.2 USB框架程序

4.1.3 程序的实现

4.1.4 产生波形介绍

4.1.5 GPIF简介

4.2 上位机软件系统功能及实现

4.3 数据分析方法

4.3.1 特征值的提取

4.3.2 主成分分析

4.3.3 偏最小二乘法

5 电子舌实验与分析

5.1 溶出伏安法重金属检测实验

5.1.1 实验仪器与研究方案

5.1.2 结果与讨论

5.2 电子舌在水质区分中的应用实验

5.2.1 实验仪器与研究方案

5.2.2 检测数据的主成分分析

5.2.3 结果与讨论

5.3 电导率检测实验

5.3.1 实验仪器与研究方案

5.3.2 检测数据的主成分分析

5.3.3 检测数据的PLS分析

5.3.4 结果与讨论

5.4 COD溶液检测实验

5.4.1 实验仪器与研究方案

5.4.2 数据分析主成分分析

5.4.3 检测数据的神经网络分析

5.4.4 结果与讨论

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历