本發(fā)明屬于儀器與測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種新穎的電子鼻仿生呼吸采樣方法。

背景技術(shù)：

電子鼻，亦稱為人工嗅覺系統(tǒng)，是一種現(xiàn)代仿生檢測(cè)儀器，它能夠模擬人類及哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)簡單或復(fù)雜的氣味的檢測(cè)識(shí)別。電子鼻通常包括氣體傳感器陣列、信息預(yù)處理和模式識(shí)別三大部分。目前，電子鼻技術(shù)已廣泛應(yīng)用到食品安全、質(zhì)量控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)和疾病診斷等各個(gè)領(lǐng)域。在電子鼻檢測(cè)樣本時(shí)，揮發(fā)性氣味需與多個(gè)氣敏傳感器組成的陣列反應(yīng)，將樣品的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過一系列信號(hào)調(diào)理、歸一化等預(yù)處理過程，獲取該樣品所對(duì)應(yīng)的綜合“指紋”信息，再從中提取合適的特征(特征生成，特征選擇，特征提取)輸入到特定的模式識(shí)別算法，最終完成對(duì)樣品的定性或定量辨識(shí)。因此，對(duì)電子鼻技術(shù)來說，樣本的采集與測(cè)量是首要問題。

由于氣體傳感器的響應(yīng)特征易受外界環(huán)境的影響，因此為了保證電子鼻測(cè)試的可靠性和可重復(fù)性，電子鼻通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的氣室(測(cè)試腔)用于容納氣體傳感器陣列。而電子鼻對(duì)氣體樣本的采樣指的就是設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牟蓸臃椒?，將氣體樣本帶入氣室中與傳感器陣列進(jìn)行充分反應(yīng)的過程。在電子鼻中，通常采用的采樣方法有兩大類：靜態(tài)采樣方法和動(dòng)態(tài)采樣方法。

靜態(tài)采樣是將樣本氣體注射入到腔體中，隨著氣體的擴(kuò)散(可以使用風(fēng)扇加速擴(kuò)散)使傳感器陣列捕捉到氣體分子并與之反應(yīng)得到信號(hào)。靜態(tài)采樣方法簡單易行，早期的電子鼻測(cè)試方式都是采用靜態(tài)法測(cè)試。然而，由于靜態(tài)采樣中采樣腔和測(cè)試腔為一體，因此體積較大，樣本氣體擴(kuò)散過程比較緩慢，一般需要一段時(shí)間氣體分子才可以與傳感器進(jìn)行響應(yīng)。并且在開始階段測(cè)試腔中濃度分布不均勻，對(duì)于傳感器響應(yīng)曲線中上升階段的重復(fù)性較低。另外，由于整個(gè)腔體體積比較大，每次清洗測(cè)試腔也很耗時(shí)耗能。因此，此方法不適用于快速響應(yīng)等實(shí)際應(yīng)用的電子鼻系統(tǒng)中。專利號(hào)CN103558252A實(shí)現(xiàn)了一種基于電子鼻技術(shù)的葡萄酒分類方法，其中采用了靜態(tài)采樣方法。

動(dòng)態(tài)采樣不同于靜態(tài)采樣，其需要通過載氣將樣本氣體帶入測(cè)試腔進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)測(cè)試過程氣體是流動(dòng)的。載氣一般為潔凈的空氣或氮?dú)?，?dòng)力可由氣泵提供。動(dòng)態(tài)采樣按照不同的采樣策略又可分為：靜態(tài)頂空法、動(dòng)態(tài)頂空法和混合法。動(dòng)態(tài)采樣提高了測(cè)試的精度和可重復(fù)性，同時(shí)采樣腔和測(cè)試腔分離，互不干擾，測(cè)試腔體積大大減小，同靜態(tài)采樣相比，氣室清洗也更為方便。專利號(hào)CN102353701A實(shí)現(xiàn)一種利用揮發(fā)物的農(nóng)作物蟲害電子鼻診斷方法，專利號(hào)CN102297930A用電子鼻實(shí)現(xiàn)了對(duì)肉類新鮮度的識(shí)別與預(yù)測(cè)，其中均采用了靜態(tài)頂空采樣方法。專利號(hào)CN103116961A實(shí)現(xiàn)了一種基于電子鼻技術(shù)的密閉空間火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)及方法，其中采用了動(dòng)態(tài)采樣方法。專利號(hào)CN104535618A實(shí)現(xiàn)了一種基于電子鼻技術(shù)的白酒識(shí)別方法，其中采用了動(dòng)態(tài)頂空采樣方法。

王玲采用動(dòng)、靜態(tài)結(jié)合的采樣方法考察了傳感器陣列的檢測(cè)能力(王玲等.電子鼻在危險(xiǎn)爆炸物檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,20(1):42-45.)。

對(duì)電子鼻來說，一種好的采樣方法應(yīng)該能夠在盡可能短的采樣時(shí)間內(nèi)，獲取氣體樣本盡可能多的有用穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)信息。好的采樣方法不僅能夠優(yōu)化電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且可以提高電子鼻系統(tǒng)的采樣精度和識(shí)別能力。目前存在的電子鼻采樣方法各具特色，并且現(xiàn)有動(dòng)態(tài)采樣方法已被絕大多數(shù)電子鼻系統(tǒng)采用并證明有效。但現(xiàn)有采樣方法，尤其是動(dòng)態(tài)采樣方法仍存在以下缺陷和不足之處：

(1)靜態(tài)采樣法，體積較大，所需反應(yīng)時(shí)間較長，且可重復(fù)性較低，不易清洗。

(2)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)采樣法，與靜態(tài)法相比，雖體積較小且采樣時(shí)間得以縮短。但現(xiàn)有動(dòng)態(tài)采樣法，由于需要獲取完整恢復(fù)階段曲線，所以采樣時(shí)間仍然較長。尤其對(duì)一些較難從傳感器表面解吸附的樣本，如酒類及精油類等樣本，其恢復(fù)階段時(shí)間更長。

(3)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)采樣法，通常采用典型的三段式采樣策略，即上升階段、穩(wěn)態(tài)階段和恢復(fù)階段。若上升階段吸入樣本濃度過高，而使氣體傳感器陣列較長時(shí)間處于較高濃度的樣本氣體當(dāng)中，容易出現(xiàn)傳感器的中毒現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)手段的不足，提供一種能夠快速采樣的電子鼻采樣方法。本發(fā)明采用仿生設(shè)計(jì)，通過模擬連續(xù)多次短呼吸的生理過程，解決現(xiàn)有電子鼻采樣方法由于恢復(fù)階段曲線較長導(dǎo)致采樣時(shí)間較長的問題，實(shí)現(xiàn)電子鼻的快速采樣。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種電子鼻仿生呼吸采樣方法，所采用的電子鼻包括通過電磁閥相連的可調(diào)速氣泵、蒸發(fā)氣室和傳感器氣室，一個(gè)完整的采樣循環(huán)包含3次采樣循環(huán)，步驟如下：

(1)電子鼻系統(tǒng)上電，使得氣體樣本在蒸發(fā)氣室中充分蒸發(fā)；

(2)仿生呼吸采樣第一個(gè)循環(huán)開始，首先調(diào)節(jié)電磁閥接通吸入采樣氣路，使蒸發(fā)氣室與傳感器氣室接通；

(3)打開可調(diào)速氣泵開始第一次循環(huán)的吸入采樣環(huán)節(jié)，通過過濾后的潔凈空氣將氣體樣本沿采樣氣路帶入傳感器氣室，通氣時(shí)間為1秒，控制可調(diào)速氣泵轉(zhuǎn)速的PWM波占空比設(shè)為55000/125000；

(4)關(guān)閉可調(diào)速氣泵并調(diào)節(jié)電磁閥，使蒸發(fā)氣室和傳感器氣室相互獨(dú)立并密閉，等待傳感器與樣本反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，等待時(shí)間15秒；

(5)開始第一次循環(huán)的呼出環(huán)節(jié)，首先調(diào)節(jié)電磁閥實(shí)現(xiàn)呼出氣路，使使蒸發(fā)氣室與傳感器氣室接通，并將與傳感器氣室的出氣口相連的電磁閥作為清洗口(2)與外界接通；

(6)打開可調(diào)速氣泵開始第一次呼出樣本，通過過濾后的潔凈空氣將傳感器氣室中的樣本混合氣由清洗口(2)呼出，通氣時(shí)間為4秒，PWM占空比為125000/12500；

(7)接著關(guān)閉可調(diào)速氣泵，并同時(shí)關(guān)閉電磁閥之間通路，使蒸發(fā)氣室和傳感器氣室相互獨(dú)立并密閉，等待傳感器達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，等待時(shí)間12秒，至此第一次呼吸采樣循環(huán)結(jié)束；

(8)第二和第三次循環(huán)采樣的過程基本和第一次循環(huán)相同，不同之處如下：第二次循環(huán)吸入采樣環(huán)節(jié)PWM波占空比為70000/125000，時(shí)間仍為1秒；第二次循環(huán)呼出環(huán)節(jié)的通氣時(shí)間為2秒；

(9)第三次循環(huán)吸入采樣環(huán)節(jié)PWM波占空比為125000/125000，時(shí)間仍為1秒；第三次循環(huán)呼出環(huán)節(jié)的通氣時(shí)間為1秒。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)特點(diǎn)與效果：

(1)快速性，與現(xiàn)有動(dòng)態(tài)采樣方法相比，所提仿生呼吸采樣方法能夠更快速完成采樣過程。

(2)仿生多段循環(huán)采樣，所提仿生呼吸采樣方法模擬了連續(xù)多次短呼吸的生理過程，能夠避免氣體傳感器長時(shí)間暴露于較高濃度的樣本氣氛中，也有利于每次采樣完成后快速清洗氣室。

(3)采樣特征豐富性，仿生呼吸采樣包含多個(gè)連續(xù)子循環(huán)，并且每個(gè)子循環(huán)又由相同的采樣策略完成，即吸入、暫停、呼出和暫停四個(gè)階段。這種采樣策略包含了多個(gè)循環(huán)，能夠帶來比現(xiàn)有動(dòng)態(tài)采樣方法更為豐富的穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)特征。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所采用電子鼻結(jié)構(gòu)框圖和工作流程圖

圖2為本發(fā)明所述現(xiàn)有電子鼻動(dòng)態(tài)采樣方法采樣控制策略

圖3為本發(fā)明所述電子鼻仿生呼吸采樣方法采樣控制策略

圖4為本發(fā)明所述現(xiàn)有電子鼻動(dòng)態(tài)采樣單傳感器結(jié)果曲線

圖5為本發(fā)明所述電子鼻仿生呼吸采樣單傳感器結(jié)果曲線

圖6為本發(fā)明所述預(yù)處理后的仿生呼吸采樣陣列曲線

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。

本發(fā)明所采用的電子鼻結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電子鼻不僅可直接檢測(cè)氣體樣本，還可用于檢測(cè)白酒等液體樣本。該電子鼻主要包括蒸發(fā)及采樣裝置，傳感器氣室反應(yīng)裝置，以及控制和數(shù)據(jù)采集預(yù)處理系統(tǒng)三大部分。

本發(fā)明涉及的采樣方法以檢測(cè)白酒樣本為例，電子鼻的主要工作流程如圖1所示，首先由硅加熱帶加熱使蒸發(fā)氣室中的白酒樣本充分蒸發(fā)，然后通過可調(diào)速泵打入潔凈空氣為載氣，并調(diào)節(jié)電磁閥控制氣路，使白酒樣本氣體以一定規(guī)律進(jìn)入傳感器氣室與其中的傳感器陣列進(jìn)行反應(yīng)，充分反應(yīng)采樣后，通過AD(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換控制器)采集電路及信號(hào)調(diào)理將采集信號(hào)上傳保存并進(jìn)一步分析，整個(gè)工作過程由主控制器控制完成，用戶也可通過觸摸屏界面完成交互控制。

本發(fā)明涉及的電子鼻的裝置包括可調(diào)速氣泵、電磁閥、蒸發(fā)氣室、傳感器氣室、AD采集芯片及主控制器。其中，可調(diào)氣泵不僅作為將樣本氣體帶入傳感器氣室的采樣泵，也作為對(duì)蒸發(fā)氣室和傳感器氣室進(jìn)行清洗的清洗泵。

本發(fā)明涉及的可調(diào)速氣泵為成都?xì)夂C(jī)電制造有限公司的調(diào)速氣泵，型號(hào)為FAY6003，工作電壓12V，峰值流量為3000mL/min，相對(duì)真空度約-36kPa，最大輸出壓力60kPa，該氣泵的轉(zhuǎn)速可以通過藍(lán)線端輸入的PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣泵的轉(zhuǎn)速在黃線端以方波頻率進(jìn)行反饋。

本發(fā)明氣路部分涉及空氣過濾器和電磁閥。由于氣路系統(tǒng)使用空氣作為載氣，需要在氣泵的進(jìn)氣口加裝過濾器，用于濾除空氣中的粉塵等雜質(zhì)成分，以免破壞氣泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所選電磁閥為深圳歐卡達(dá)的OKD-1306型號(hào)，工作電壓12V，功率大小5.2W，直流電阻220Ω，電磁閥長、寬、高分別為54mm、20mm、31mm。

如圖1所示可調(diào)氣泵通過電磁閥1與蒸發(fā)氣室的進(jìn)氣口相連，又通過電磁閥3與傳感器氣室的進(jìn)氣口相連；而蒸發(fā)氣室的出氣口通過電磁閥2和電磁閥3與傳感器氣室的進(jìn)氣口相連；傳感器氣室的出氣口與電磁閥4相連。電磁閥2和電磁閥4分別在清洗氣室時(shí)作為蒸發(fā)氣室和傳感器氣室的清洗口1和清洗口2。

本發(fā)明涉及的采樣方法由可調(diào)速氣泵和電磁閥1、2、3、4，相互配合實(shí)現(xiàn)，氣路采樣控制由主控制器按照預(yù)先設(shè)定的采樣控制策略自動(dòng)完成。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的仿生呼吸采樣方法的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明對(duì)比了一種典型的動(dòng)態(tài)采樣方法。該典型動(dòng)態(tài)采樣方法的控制策略如圖2所示，首先打開采樣泵通入一段時(shí)間樣本氣體，然后關(guān)閉采樣泵，等待一段時(shí)間使傳感器響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，再打開清洗泵，通入潔凈空氣對(duì)氣室進(jìn)行清洗，直到使傳感器恢復(fù)基線值附近。采取如圖2所示控制策略得到的典型動(dòng)態(tài)采樣的傳感器響應(yīng)曲線如圖4所示。如圖4所示，該動(dòng)態(tài)采樣方法為典型的三段式采樣，即a：上升階段，b：穩(wěn)態(tài)階段，c：恢復(fù)階段。上升階段傳感器從基線值上升到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)最大值，然后在穩(wěn)態(tài)階段保持一段時(shí)間，最后從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值又恢復(fù)到基線響應(yīng)值附近。

本發(fā)明提出的仿生呼吸采樣法所采用控制策略如圖3所示。整個(gè)控制策略可以劃分為3個(gè)循環(huán)過程(如圖3虛線劃分)，每個(gè)循環(huán)階段又由相同策略完成，即先打開采樣泵通入一小段時(shí)間樣本氣體，然后關(guān)閉采樣泵，等待一段時(shí)間使傳感器響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，再打開清洗泵一小段時(shí)間，通入潔凈空氣對(duì)氣室進(jìn)行清洗，然后關(guān)閉清洗泵，并等待一段時(shí)間傳感器響應(yīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。與典型動(dòng)態(tài)采樣策略相比，仿生呼吸采樣策略最大的不同在于：1、仿生呼吸采樣策略通過模擬生物連續(xù)短暫呼吸過程，提出短時(shí)間內(nèi)多個(gè)循環(huán)的采樣策略；2、仿生呼吸采樣策略中，在每個(gè)循環(huán)過程中都通入樣本氣體，然后又通入潔凈空氣進(jìn)行清洗；3、仿生呼吸采樣策略中，每個(gè)循環(huán)的清洗階段相比于典型動(dòng)態(tài)采樣都很短，因此并不需要使傳感器恢復(fù)至基線附近。

本發(fā)明提出的仿生呼吸采樣方法得到的傳感器響應(yīng)曲線如圖5所示。如圖5所示，整個(gè)采樣曲線可劃分為與采樣策略相對(duì)應(yīng)的3個(gè)循環(huán)階段，其中每個(gè)循環(huán)階段都采用了相同的控制策略。以圖5中第二循環(huán)B為例，其包括1、吸入，2、暫停，3、呼出，4、暫停共4個(gè)環(huán)節(jié)。響應(yīng)曲線中，第一循環(huán)A從基線值附件上升開始響應(yīng)，而在第三循環(huán)C采樣結(jié)束時(shí)并未恢復(fù)到基線值附近。

正是仿生呼吸采樣采用了這種仿生策略，使得仿生呼吸采樣的時(shí)間大大縮短(對(duì)比圖2和3，圖4和5可知)。同時(shí)得益于仿生呼吸采樣短時(shí)間內(nèi)多個(gè)循環(huán)的采樣策略，使得仿生呼吸采樣獲得了比典型動(dòng)態(tài)采樣更加豐富的穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(對(duì)比圖4和5可知)。

圖1所示電子鼻采用仿生呼吸采樣方法進(jìn)行采樣，經(jīng)過預(yù)處理后其陣列采樣結(jié)果曲線如圖6所示，該傳感器陣列包含7個(gè)氣體傳感器。

具體來說仿生呼吸采樣方法的操作步驟如下(參照附圖1、3、5、6)：

(1)電子鼻系統(tǒng)上電，預(yù)熱一段時(shí)間使蒸發(fā)氣室恒溫至70攝氏度，然后首先將白酒樣本在蒸發(fā)氣室中充分蒸發(fā)。

(2)仿生呼吸采樣第一個(gè)循環(huán)開始，首先調(diào)節(jié)電磁閥實(shí)現(xiàn)吸入采樣氣路，使電磁閥1與蒸發(fā)氣室進(jìn)氣口接通，使蒸發(fā)氣室出氣口與電磁閥2接通，再經(jīng)過電磁閥3與傳感器氣室進(jìn)氣口接通。

(3)然后打開可調(diào)速氣泵開始第一次吸入樣本，通過過濾后的潔凈空氣將氣態(tài)白酒樣本沿采樣氣路帶入傳感器氣室，通氣時(shí)間為1秒，控制氣泵轉(zhuǎn)速的PWM波占空比設(shè)為55000/125000。

(4)接著關(guān)閉氣泵，并同時(shí)關(guān)閉電磁閥之間通路，使蒸發(fā)氣室和傳感器氣室相互獨(dú)立并密閉，等待傳感器與樣本反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，等待時(shí)間15秒。

(5)接著開始第一個(gè)循環(huán)的呼出環(huán)節(jié)，首先調(diào)節(jié)電磁閥實(shí)現(xiàn)呼出氣路，使電磁閥1與電磁閥3接通，再與傳感器氣室進(jìn)氣口接通，電磁閥4作為清洗口2與外界接通。

(6)然后打開可調(diào)速氣泵開始第一次呼出樣本，通過過濾后的潔凈空氣將傳感器氣室中的樣本混合氣由清洗口2呼出，通氣時(shí)間為4秒，PWM占空比為125000/125000。

(7)接著關(guān)閉氣泵，并同時(shí)關(guān)閉電磁閥之間通路，使蒸發(fā)氣室和傳感器氣室相互獨(dú)立并密閉，等待傳感器達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，等待時(shí)間12秒。至此第一次呼吸采樣循環(huán)結(jié)束。

(8)第二和第三次循環(huán)采樣的過程基本和第一次循環(huán)相同，不同之處如下：第二次循環(huán)吸入采樣環(huán)節(jié)PWM波占空比為70000/125000，時(shí)間仍為1秒；第二次循環(huán)呼出環(huán)節(jié)的通氣時(shí)間為2秒。

(9)第三次循環(huán)吸入采樣環(huán)節(jié)PWM波占空比為125000/125000，時(shí)間仍為1秒；第三次循環(huán)呼出環(huán)節(jié)的通氣時(shí)間為1秒。

(10)如上，所述仿生呼吸采樣方法一共包含3個(gè)采樣循環(huán)，總采樣時(shí)間為91秒。陣列完成一次仿生呼吸采樣的曲線如圖6所示。

(11)每次仿生呼吸采樣完整結(jié)束后，還需對(duì)蒸發(fā)氣室和傳感器氣室進(jìn)行徹底清洗，以備下次使用。

(12)首先對(duì)蒸發(fā)氣室進(jìn)行清洗，將氣路中電磁閥1、電磁閥2與蒸發(fā)氣室接通，并將電磁閥2調(diào)節(jié)至清洗口1與外界接通。

(13)接著全速打開可調(diào)速氣泵作為清洗泵，對(duì)蒸發(fā)氣室清洗時(shí)間為3分鐘。

(14)接著對(duì)傳感器氣室進(jìn)行清洗，將電磁閥1和電磁閥3接通，再與傳感器氣室接通，電磁閥4調(diào)節(jié)至清洗口2與外界接通。

(15)接著全速打開可調(diào)速氣泵作為清洗泵，對(duì)傳感器氣室清洗時(shí)間為3分鐘。

本發(fā)明所述仿生呼吸采樣方法除了上述應(yīng)用實(shí)例外，還可廣泛應(yīng)用于其他多種氣體、液體或固體樣本的電子鼻采樣，比如用于環(huán)境氣體、危險(xiǎn)化學(xué)氣體、奶制品等飲料、其他食品、農(nóng)作物等多種樣本的電子鼻采樣檢測(cè)。同時(shí)本發(fā)明所述仿生呼吸采樣方法也不僅限于上述實(shí)例的控制策略。實(shí)際采用本采樣方法時(shí)，采樣所包含的循環(huán)次數(shù)可不限于3次，每個(gè)循環(huán)的采樣總時(shí)間，包括其中每個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間也不限于上述實(shí)例所描述的單一情況。根據(jù)本發(fā)明所提仿生呼吸采樣方法，可進(jìn)一步根據(jù)不同電子鼻應(yīng)用特點(diǎn)，靈活調(diào)整各參數(shù)，得到適當(dāng)?shù)牟蓸臃椒ā?/p>