本文選題：MOS氣體傳感器陣列 + 自確認傳感器技術��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：自確認傳感器是一種通過故障檢測與隔離、故障識別和測量不確定度評定等一系列方法,實現(xiàn)傳感器對自身的異常狀態(tài)監(jiān)測與測量質(zhì)量評估的新型傳感器,可顯著提高傳感器測量過程的可靠性。金屬氧化物半導體(MOS)傳感器陣列是目前機器嗅覺系統(tǒng)中使用最為普遍的信息獲取裝置。然而,由于氣敏元件自身特性,在使用過程中氣敏傳感器不可避免地會發(fā)生自身故障和受到外界干擾,導致MOS傳感器陣列可靠性下降,進而影響系統(tǒng)整體性能。因此,有必要對MOS氣體傳感器陣列進行異常狀態(tài)監(jiān)測與測量質(zhì)量評估,以提高機器嗅覺系統(tǒng)氣體檢測與分析結果的可信性。鑒于此,本文圍繞著MOS氣體傳感器陣列的自確認方法開展了研究。論文完成的主要研究工作如下:針對基于傳統(tǒng)多變量統(tǒng)計分析的故障檢測與隔離方法對MOS氣體傳感器陣列的微小故障檢測率較低的問題進行研究。提出了一種基于稀疏非負矩陣分解(SNMF)的故障檢測方法。該方法利用SNMF的局部特征提取能力對監(jiān)測信號進行低秩近似表達,在此基礎上設計了一種新型基于系數(shù)向量聚類的C2檢測統(tǒng)計量,提高了對微小故障的敏感性。為了進一步隔離故障傳感器,提出了一種基于SNMF平方預測誤差(SPE)統(tǒng)計量的自適應多變量重構(SMVR)故障隔離方法,該方法利用故障重構信號的SPE統(tǒng)計量作為判定準則,改善了故障隔離過程中的拖尾效應問題,提高了多故障隔離的準確率。實驗結果表明,提出的方法能夠在保持較低誤報率的同時,顯著提高微小故障檢測率,并且有效地提高了多故障隔離的準確性,滿足MOS氣體傳感器陣列對自身異常狀態(tài)監(jiān)測的需求。傳感器故障識別是實現(xiàn)MOS氣體傳感器陣列自確認的重要環(huán)節(jié)。本文針對現(xiàn)有基于時—頻分析的故障識別方法存在對故障信號分解結果不穩(wěn)定、提取的故障特征可分性不強,所造成的故障識別準確率較低的問題進行研究。提出了一種基于集合經(jīng)驗模態(tài)分解 快速樣本熵(EEMD FSampEn)特征提取與稀疏表示分類器(SRC)相結合的傳感器故障類型識別方法。該方法利用EEMD方法對非線性、非平穩(wěn)信號的分析能力,自適應地將故障傳感器輸出信號分解為一組包含有故障特征的本征模態(tài)函數(shù)(IMFs),解決小波包分解適應性差和經(jīng)驗模態(tài)分解模態(tài)混疊導致的分解結果不穩(wěn)定的問題;利用不同故障類型下的本征模態(tài)函數(shù)存在復雜度差異的特點,通過樣本熵對信號復雜度的描述能力提取故障特征向量,并為了提高樣本熵計算效率,采用基于Kd樹的快速樣本熵算法,降低了樣本熵計算的復雜度。利用不同故障類型下訓練樣本的特征向量構成SRC超完備字典,再根據(jù)測試樣本對不同故障類型的重構誤差確定故障類型的歸屬,實現(xiàn)故障分類。實驗結果表明,與現(xiàn)有方法相比,該方法提取的故障特征具有更好的可分性,有效地提高了故障識別準確率,達到了對MOS氣體傳感器陣列進行異常狀態(tài)監(jiān)測的目的。測量不確定度是自確認傳感器中評價測量質(zhì)量的重要指標。為了實現(xiàn)對MOS氣體傳感器陣列測量質(zhì)量的有效評估,提出了一種基于過程能力指數(shù)(Process Capability Index,Cpk)的傳感器測量質(zhì)量評估方法。該方法在小樣本條件下利用灰色自助法對測量值概率分布函數(shù)進行有效估計,實現(xiàn)動態(tài)測量狀態(tài)下的不確定度評定。解決傳統(tǒng)的GUM和蒙特卡羅方法難以適用于動態(tài)測量狀態(tài)下的不確定度評定問題;在此基礎上,利用過程能力指數(shù)作為評價標準實現(xiàn)測量質(zhì)量在線評估。為了進一步解決由于MOS氣體傳感器陣列局部故障導致的確認測量值精度降低的問題,利用灰色預測模型GM(1,1)和多傳感器輸出的相關性,建立MOS氣體傳感器陣列輸出信號可信度評價模型,用于區(qū)分正常氣體響應與自身故障。在準確識別故障狀態(tài)的基礎上,對確認測量值進行估計。實驗結果表明,提出的方法能夠有效地實現(xiàn)MOS氣敏傳感器測量質(zhì)量評估,并獲得較高的MOS氣體傳感器陣列確認測量值的估計精度。為了驗證本文提出的MOS氣體傳感器陣列的自確認方法的可行性和有效性,設計并實現(xiàn)了基于自確認MOS氣體傳感器陣列的機器嗅覺系統(tǒng)。完成了MOS氣體傳感器陣列的標定與測試,利用目前普遍采用的基于模式識別的氣體分析方法,實現(xiàn)了甲烷與一氧化碳的二元混合氣體在線識別和檢測。驗證了本文提出的用于實現(xiàn)MOS氣體傳感器陣列異常狀態(tài)監(jiān)測和測量質(zhì)量評估的關鍵自確認方法的有效性以及在提高機器嗅覺系統(tǒng)可靠性方面的可行性。
[Abstract]:鑷‘璁や紶鎰熷櫒鏄竴縐嶉，

本文編號：1909416