專利名稱：用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的檢測(cè)儀器，特別涉及一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子
鼻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品流通主要以未經(jīng)加工的鮮活產(chǎn)品為主，但由于在物流過(guò)程中缺乏對(duì) 農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的有效監(jiān)控，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后物流過(guò)程中的損失較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)果蔬在 物流環(huán)節(jié)中的損失率為20% -30%，年損失近1000億元人民幣，而發(fā)達(dá)國(guó)家果蔬采后損失 率則在5%以下；我國(guó)糧食損失占總產(chǎn)量的12%-15%，相當(dāng)于8000萬(wàn)人口的年消費(fèi)量；因 此，研究農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)手段，對(duì)于減少我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的損失，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收 具有十分重要的意義。現(xiàn)階段農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)主要有電磁特性檢測(cè)技術(shù)、光學(xué)特性 檢測(cè)技術(shù)、聲波振動(dòng)特性檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)和電子鼻技術(shù)等，其中，電子鼻檢測(cè) 是一種無(wú)損的、快速的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)方法，吸引了眾多研究者的目光，具有較好的應(yīng)用前景。目前，還沒(méi)有專用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，且大多數(shù)電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)笨 重，不能脫離電腦使用，不適宜現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。另外，電子鼻所用的傳感器對(duì)環(huán)境的溫濕度 變化敏感，而大多數(shù)電子鼻系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)傳感器工作環(huán)境的溫濕度進(jìn)行控制，導(dǎo)致檢測(cè)的精 度與重復(fù)性不夠高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，提供一種設(shè)有系統(tǒng)工 作環(huán)境溫度控制模塊和經(jīng)過(guò)小型化設(shè)計(jì)的傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)，既提高了檢測(cè)精度， 又能使檢測(cè)儀器小型化，制成便攜式檢測(cè)儀器。一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由控制器1、氣室2、氣 路控制模塊3、溫度控制模塊4、氣體傳感器陣列5、溫濕度傳感器6、信號(hào)采集模塊7、按鍵 8、顯示屏9、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊10和通訊接口 11構(gòu)成，控制器1通過(guò)氣路控制模塊3將香蕉的 特征氣體送入氣室2，控制器1通過(guò)溫度控制模塊4控制氣室2中的溫度，氣體傳感器陣列 5和溫濕度傳感器6布置在氣室2內(nèi)，信號(hào)采集模塊7分別采集氣體傳感器陣列5提供的 氣體特征信息和溫濕度傳感器6提供的溫濕度信息，并且傳輸給控制器1，系統(tǒng)通過(guò)按鍵8 控制操作，檢測(cè)結(jié)果由顯示屏9顯示；且控制器1分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊10和通訊接口 11連 接；氣路控制模塊3由氣室2、樣品室2’、進(jìn)氣口 31、出氣口 32、第一干燥管G1、第二干燥管 G2、氣泵35、以及閥門Kl K4組成，由氣泵35控制氣室中的氣體的流動(dòng)，而閥門Kl K4 控制氣體的流動(dòng)路徑，控制氣室2中的氣體的濕度由第一干燥管Gl和第二干燥管G2控制； 溫度控制模塊4由氣室2、溫濕度傳感器6、PID控制器42、極性控制電路43和半導(dǎo)體制冷 片44構(gòu)成，由溫濕度傳感器6采集氣室2的溫度，傳遞給PID控制器42，PID控制器42計(jì) 算出控制參數(shù)，然后通過(guò)極性控制電路43控制半導(dǎo)體制冷片44工作，從而控制氣室中的溫度。一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，所用的識(shí)別算法包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提 取、降維處理和識(shí)別算法四部分。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理采用傳感器歸一化技術(shù)；特征提取采用 的是最大值特征；降維處理采用線性判別分析算法；識(shí)別算法則采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法。同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下積極效果1)由于采用了便攜化設(shè)計(jì)，系統(tǒng) 可脫離電腦獨(dú)立工作；2)本發(fā)明加入了傳感器工作腔的溫濕度控制模塊，穩(wěn)定了其工作環(huán) 境，提高了檢測(cè)精度；3)本發(fā)明采用了預(yù)處理技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合識(shí)別算法，提高了 系統(tǒng)識(shí)別率。


圖1為用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)框圖。圖2為氣路控制模塊示意圖。圖3為溫度控制模塊示意圖。圖4為溫度控制模塊的極性控制電路原理圖。圖5為電子鼻系統(tǒng)的識(shí)別算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)框圖，如圖1所示。本電子鼻系統(tǒng)包括傳感器陣列、信號(hào)采集模塊、溫度控制模塊、氣路控制模塊、按 鍵、顯示屏、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊接口和控制器。其工作流程如下由氣路控制模塊將樣品的 特征氣體采集進(jìn)入氣室，經(jīng)傳感器陣列轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采集模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)，最后由模式識(shí)別單元給出判別結(jié)果。本發(fā)明選用了 8種傳感器優(yōu)化組成了電子鼻的檢測(cè)陣列，它們的型號(hào)及性能描述 如表1所示。當(dāng)樣氣被采集進(jìn)入氣室后，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散稀釋，導(dǎo)致濃度變低，有可能超出傳感器的 檢測(cè)范圍，因而，應(yīng)盡量減小氣室的體積，降低氣室體積對(duì)樣氣濃度的影響。本發(fā)明通過(guò)對(duì) 傳感器陣列的小型化設(shè)計(jì)，可大大縮減系統(tǒng)的檢測(cè)氣室腔體，內(nèi)部容積僅12ml，從而有效減 小樣氣進(jìn)入氣室后的擴(kuò)散時(shí)間，使特征氣體能迅速擴(kuò)散至傳感器上并減少了在氣室腔中的 濃度降低，進(jìn)而提高傳感器陣列的檢測(cè)精度與響應(yīng)速度。表1傳感器型號(hào)及性能特點(diǎn) 圖2為本發(fā)明所用的氣路控制示意圖，使用了 4個(gè)電磁閥及1個(gè)氣泵，定義了三種 狀態(tài)靜置、清洗和混合；靜置是關(guān)閉氣泵和所有的閥，使氣室保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)中， 從而得到一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果；清洗是打開(kāi)閥1和閥3，關(guān)閉閥2和閥4，并打開(kāi)氣泵，使干 燥的清洗氣體流過(guò)氣室，使傳感器都恢復(fù)到初始狀態(tài)；混合則是打開(kāi)閥2和閥4，關(guān)閉閥1 和閥3，并打開(kāi)氣泵，令氣室與樣品室相通，并在氣泵的作用下樣品室中的特征氣體不斷流 過(guò)氣室，最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。進(jìn)氣口處的第二干燥管用來(lái)控制環(huán)境濕度。測(cè)試中的特 征氣體在一個(gè)封閉的氣路中不斷通過(guò)第二干燥管，水蒸氣被干燥劑所吸附，最終氣室中的 樣氣的濕度將控制在10%以下，較好地避免了水蒸汽對(duì)傳感器陣列的影響。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè) 試時(shí)氣室的平均濕度為6. 1%，標(biāo)準(zhǔn)差為1. 1%。本發(fā)明使用了數(shù)字溫濕度傳感器SHT71來(lái)監(jiān)測(cè)傳感器的工作環(huán)境，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀 測(cè)到氣室中的溫濕度。PID溫度控制器的控溫精度能達(dá)到0.5°C，控溫范圍為20-70°C ；而 環(huán)境濕度控制則由在進(jìn)氣口處的第一和第二干燥管來(lái)完成。圖3為本發(fā)明所用的溫度控制模塊示意圖，由SHT71傳感器采集氣室中的溫度，傳 遞給PID控制器計(jì)算控制參數(shù)，然后輸出PWM控制H橋路極性控制電路，由H橋路極性控制 電路控制半導(dǎo)體制冷片中的電流方向及通電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)其加熱或制冷功率的控制。圖4為H橋電路原理圖，使用四只MOS管搭建了一個(gè)H橋路電路，用于控制流過(guò)半 導(dǎo)體制冷片的電流方向，即控制制冷片的加熱或制冷，同時(shí)由于其工作電流比較大，為了不 對(duì)其他電路造成影響，使用兩只光耦進(jìn)行隔離；當(dāng)Heat端為高電平、Cool端為低電平時(shí)，光 耦U8導(dǎo)通，U9截止，從而MOS管Q2和Q3導(dǎo)通，Ql和Q4截止，流過(guò)半導(dǎo)體制冷片的電流為 正向電流，此時(shí)其工作在加熱狀態(tài)；反之，當(dāng)Heat端為低電平、Cool端為高電平時(shí)，半導(dǎo)體 制冷片工作在制冷狀態(tài)。當(dāng)兩端電平相同時(shí)，半導(dǎo)體制冷片停止工作。圖中R43、R44、R45 和R47為電阻。圖5為電子鼻系統(tǒng)的識(shí)別算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、降維 處理和識(shí)別算法四部分。圖中Χη···Χ1η、Χ21···Χ2η、…、XfX9n為原始數(shù)據(jù)，X11-Xln> X21-x2n>…、XfX9n為預(yù)處理后得到的數(shù)據(jù)，X1 > X2>…、X9是提取的最大值特征，LD1和LD2為 經(jīng)過(guò)LDA處理后所得的第1分量和第2分量，I1和I2為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元，H1,H2, -H8為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元，O1^O2,…、O5為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層神經(jīng)元。首先，本發(fā)明使用了傳感器歸一化公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，公式如下Xi = (Xi -^min)/ (^inax - J^min)其中Amax為響應(yīng)最大值Xmin為響應(yīng)最小值成為響應(yīng)某一時(shí)刻值。本發(fā)明提取了每路傳感器響應(yīng)信號(hào)的最大值作為特征值，組成1X9的樣品特征 矩陣。然后，使用線性判別分析LDA方法對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行了降維處理。最后，本發(fā)明使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)降維后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類判別，達(dá)到了較好的分類 效果，其對(duì)香蕉的四種品質(zhì)狀態(tài)的識(shí)別率達(dá)到100%。
權(quán)利要求
一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由控制器(1)、氣室(2)、氣路控制模塊(3)、溫度控制模塊(4)、氣體傳感器陣列(5)、溫濕度傳感器(6)、信號(hào)采集模塊(7)、按鍵(8)、顯示屏(9)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(10)和通訊接口(11)構(gòu)成，控制器(1)通過(guò)氣路控制模塊(3)將香蕉的特征氣體送入氣室(2)，控制器(1)通過(guò)溫度控制模塊(4)控制氣室(2)中的溫度，氣體傳感器陣列(5)和溫濕度傳感器(6)布置在氣室(2)內(nèi)，信號(hào)采集模塊(7)分別采集氣體傳感器陣列(5)提供的氣體特征信息和溫濕度傳感器(6)提供的溫濕度信息，并且傳輸給控制器(1)，系統(tǒng)通過(guò)按鍵(8)控制操作，檢測(cè)結(jié)果由顯示屏(9)顯示；且控制器(1)分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(10)和通訊接口(11)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，其特征在于氣路控制模 塊(3)由氣室(2)、樣品室(2’)、進(jìn)氣口(31)、出氣口(32)、第一干燥管(Gl)、第二干燥管 (G2)、氣泵(35)、以及閥門(Kl K4)組成，由氣泵(35)控制氣室中的氣體的流動(dòng)，而閥門 (Kl K4)控制氣體的流動(dòng)路徑，控制氣室(2)中的氣體的濕度由第一干燥管(Gl)和第二 干燥管(G2)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，其特征在于溫度控制模 塊(4)由氣室(2)、溫濕度傳感器(6)、PID控制器(42)、極性控制電路(43)和半導(dǎo)體制冷 片(44)構(gòu)成，由溫濕度傳感器(6)采集氣室(2)的溫度，傳遞給PID控制器(42)，PID控制 器(42)計(jì)算出控制參數(shù)，然后通過(guò)極性控制電路(43)控制半導(dǎo)體制冷片(44)工作，從而 控制氣室中的溫度。
全文摘要
一種用于香蕉品質(zhì)檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)。包括傳感器陣列、信號(hào)采集模塊、溫度控制模塊、氣路控制模塊、按鍵、顯示屏、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊接口和控制器，由氣路控制模塊將樣品的特征氣體采集進(jìn)入氣室，經(jīng)傳感器陣列轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采集模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由模式識(shí)別單元給出判別結(jié)果。同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下積極效果1)由于采用了便攜化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可脫離電腦獨(dú)立工作；2)本發(fā)明加入了傳感器工作腔的溫濕度控制模塊，穩(wěn)定了其工作環(huán)境，提高了檢測(cè)精度；3)本發(fā)明采用了預(yù)處理技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合識(shí)別算法，提高了系統(tǒng)識(shí)別率。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101893591SQ201010208239
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者李洪濤, 楊昊, 潘敏, 陳瑋, 陳裕泉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)